蘇州納米所張學同、海南大學陳永平:芳綸納米纖維/碳納米管雜化多功能氣凝膠薄膜

高分子科學前沿 發佈 2019-12-28T05:04:45+00:00

隨著時代的發展和科學技術的進步,5G時代已經到來,電磁波在民用和通信系統中的應用越來越廣泛,對人體健康的潛在危害也越來越大,功能性屏蔽材料的發展也隨之加快。目前在基礎研究方面已取得巨大的進展,但仍然難以獲得高柔性、輕量化、多功能屏蔽材料。

隨著時代的發展和科學技術的進步,5G時代已經到來,電磁波在民用和通信系統中的應用越來越廣泛,對人體健康的潛在危害也越來越大,功能性屏蔽材料的發展也隨之加快。目前在基礎研究方面已取得巨大的進展,但仍然難以獲得高柔性、輕量化、多功能屏蔽材料。為了克服這些挑戰,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所(蘇州納米所)張學同研究員與海南大學陳永平教授合作將高強度芳綸納米纖維(ANF)與導電/熱的碳納米管(CNT)複合,製備出ANF/CNT雜化氣凝膠薄膜,可同時獲得優異的力學性能和電學性能,最後輔以疏水的氟碳(FC)樹脂,製備出疏水的FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜。與傳統膜屏蔽材料相比,所製備的氣凝膠薄膜具有諸多優勢:(1)密度低(0.043g/cm3)、孔隙率高、柔韌性好;(2)疏水性能優異,可用於潮濕環境;(3)導電/熱及電加熱性能良好;(4)電磁屏蔽性能和比電磁屏蔽性能優異。

製備過程

這種多功能氣凝膠薄膜的製備過程非常簡單,通過溶解杜邦公司的Kevlar獲得ANF,與CNT混合均勻,再經刮刀塗布、溶膠-凝膠、冷凍乾燥及疏水化過程獲得FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜。

圖1 FC-ANF/CNT多功能氣凝膠薄膜製備及其結構組成示意圖

疏水性

氟碳樹脂作為疏水性塗料,降低了表面能,而且ANFs和CNTs作為氣凝膠薄膜的構築單元提供了表面粗糙度,減少了液-固接觸面積,從而使得該薄膜呈現出良好的疏水性(137°)。此外,對80℃下熱水仍然保持不濕潤現象,這是由於FC塗層在熱水溫度下可保持完整性,以支持低表面張力的液體,並防止被其潤濕。

圖2 FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜疏水性表征

電加熱性能

FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的電導率隨著CNT含量的升高而增加,CNT含量為40%時,達到了230 S·m-1。利用焦耳熱效應,該氣凝膠薄膜可以通過施加不同電壓實現溫度調控,而且驅動電壓較低。施加5V電壓即可獲得人體保暖所需溫度(52.6℃),低驅動電壓不僅保證了節能和人身安全(小於36V),還使得採用電池或電容器對氣凝膠薄膜供電成為可能。此外,FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜還具有加熱穩定性與耐用性。

圖3 FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的焦耳熱效應

電磁屏蔽性能

由於CNT的存在,FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜對電磁波具有屏蔽性能,在568μm的厚度下, FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜(CNT含量為40%)對電磁波的衰減能力達到54.4 dB。理論分析表明,入射電磁波的衰減來源於氣凝膠中三維導電網絡中的電導損耗和介面極化損耗,而氣凝膠的多孔結構則進一步增加了波的多重散射路徑,使得材料對電磁波的衰減能力增強。由於氣凝膠薄膜的輕、薄特性,計算出比電磁屏蔽效率高達33528.3 dB·cm2·g-1,高於傳統碳基、金屬基、或者導電聚合基的屏蔽材料。

圖4 FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的電磁屏蔽性能

這種多功能氣凝膠薄膜在智能服裝、電磁屏蔽和個人熱管理系統等方面有著巨大的應用前景。目前,該研究以「Multifunctional Aramid Nanofiber/Carbon Nanotube Hybrid Aerogel Films 」為題,發表於ACS Nano(DOI: 10.1021/acsnano.9b07459)。

碩士研究生胡沛英(海南大學與蘇州納米所聯合培養)與蘇州納米所博士後呂婧為該論文的共同第一作者,蘇州納米所張學同研究員與海南大學陳永平教授是本文的共同通訊作者。

全文連結:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b07459

來源:高分子科學前沿

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