学术前沿
ACS :用于增强电磁干扰屏蔽和防火保护性能具有交替结构的超薄MXene/聚合物涂层的织物
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详细介绍
一、文章概述
随着电子设备和无线通信的快速发展，可穿戴式电磁干扰EMI屏蔽织物备受青睐，其中电磁污染是人类健康和精密设备可靠性的重大问题。由于对涂层厚度的要求通常相反，因此EMI屏蔽效率SE和织物柔韧性之间的平衡仍然具有挑战性。作者通过分步组装技术制备具有交替结构的MXene绝缘聚合物涂层，将优异的屏蔽元件、合理的结构和高纳米填料含量结合在一起。由于这种新的策略，涂层具有纳米级的厚度～500 nm达到了EMI SE的商业要求，并很好地保持了织物的柔韧性和透气性。与相应的纯MXene涂层相比，这种多层涂层由于改进的介电性能和强烈的电磁波多次反射而显示出138.95%的EMI SE增强。此外，这种混合涂层还可以作为内部易燃织物的出色防火屏障，在发生意外火灾时保护人类和电子设备。
二、图文导读
图1.MXene薄片和涂层织物的表征。 XRD表明成功除企鹅铝层并合成MXene。XPS表明成功制备了具有丰富表面化学性质的MXene图1b。AFM测 所获得的MXene呈现典型的片状形貌，并且薄片的厚度为～1.7 nm。这些此外，从透射电子显微镜TEM图像图1d中观察到板材的横向尺寸可达几微米并且存在褶皱可推断出这些板材的柔韧性。作为MXenePEI涂层基材的棉织物在图1e中SEM图像中显示出针织结构。原始纤维的表面形态具有一些褶皱，这是天然棉纤维的典型特征图1f。经MXene/PEI涂层改性后，织物仍能很好地保留原始织物的针织结构图1g。由于MXene板的独特2D结构，混合涂层主要覆盖纤维表面，并部分填充相邻纤维之间的间隙图1h。在图1i中，源自MXene的代表性Ti元素和源自PEI的氮N元素均匀分布在纤维方向上。MXene或PEI没有出现明显的积累，这强烈表明了分步组装技术的独特优势其中均匀涂层的制备。对于MX10P1-10而言，涂层包裹在内部棉纤维上，其厚度刚好为纳米级。如图1j中涂层纤维的横截面图像所示，该涂层的厚度为～500纳米。这种薄薄的涂层，加上MXene特殊的2D结构，保证了所制备的织物具有优异的柔韧性和轻质性。涂层织物具有良好的悬垂性图1k、折叠性图1kii和轻质性图1kiii。
图2 .涂层织物的板材抗性和稳定性。 涂层织物的涂层质量随着PEI浓度的增加而逐渐增加图2a。MX10P3-10涂层质量为8.47±0.57 mg/cm2。如图2b所示，MX10-10的表面电阻比MXene/PEI涂层织物的表面电阻低8.68±2.12Ω/sq。MX10-10较好的导电性主要归因于涂层中没有绝缘PEI层。加入PEI后，改性织物的耐张性略有提高。然而，MXene/PEI改性织物的耐张性不随PEI浓度的增加而增加。具体而言，MX10P1-10的片电阻11.75±2.56Ω/sq小于MX10P0.5-1023.11±1.98Ω/sq和MX10P3-10 28.72±4.57Ω/sq 。如图2d所示，纯MXene涂层 即MX10-10 损失了大量成分，仅在超声处理前10分钟后保留了37.5%。随着超声时间的延长，MX10-10涂层质量下降，600分钟后仅保持28.5%。如图2e所示，MX10P1-10的片电阻略有增加，从开始时的8.20±2.52Ω/sq增加到浸泡在HCl溶液中40天后的68.55±12.17Ω/sq。相反，MX10-10在浸泡40天后的片电阻从开始时的7.54±1.28Ω/sq上升到1860±205Ω/sq。如图2g所示，MX10-10 8.07±1.12Ω/sq 和MX10P1-10 9.83±1.02Ω/sq 的片电阻在开始时相似，MX10P1-10的平均片电阻在50次弯曲循环后略微增加至53.60Ω/sq，MX10-10的平均片电阻102.70Ω/sq。类似地，MX10P1-10的薄片电阻缓慢降低在50次剥离循环后，MX10-10的电阻增加到66.62Ω/sq，而MX10-10的电阻增加到137.10Ω/sq。
图3.CYFRA21-1的检测。 改性织物的复介电常数由图3a中的实部 ，介电层的极化容量 和图3b中的虚部 ε，介电损耗的度量 显示纯MXene涂层织物显示出相对较低的复介电常数，这种介电常数主要是由电场作用下MXene薄膜中表面官能团和缺陷的极化引起的。将PEI嵌入MXene涂层后，在交替MXene/PEI涂层中，PEI层将两层分离相邻的MXene层，从而构建了纳米电容器结构，其中相邻的MXene片充当电极，PEI充当薄电介质层，如图3c中的右面板所示。
图4.涂层织物的防火性能。 如图5a所示对于纯棉织物，试样迅速点燃，剧烈燃烧，并持续燃烧，直到织物在14秒时完全耗尽。涂上MXene后，织物从火焰中取出后燃烧12秒，然后熄灭图5b。MXene/PEI涂层赋予织物更短的燃烧时间即10秒 图5c ，值得注意的是，如图5d中的SEM图像所示，很好地保持了织物和纤维的结构。值得注意的是，MX10P1-10由于有效保护MXene和PEI免受火焰的影响，很好地保留了原始织物的结构。MX10P1-10更好的耐火性归因于阻燃剂的协同效应，鉴于MXene和PEI具有良好的耐火性。获得的热释放率 HRR 曲线如图5e所示。这些HRR曲线都呈现一个峰值。涂层引入后，织物的HRR峰值 PHRR 和PHR温度 TPHRR 均降低。此外，MX10P1-10的总热释放量 THR 为8.4 kJ/g，低于MX10-10 10.7 kJ/g 和原始织物 12.9 kJ/g ，相应减少了21.50%和34.88%。
三、全文总结
作者设计了MXene/PEI涂层织物，该织物具有良好的柔韧性和稳定性，能够有效屏蔽EMI和阻燃。在引入惰性PEI分子后，MXene/PEI涂层在各种化学腐蚀和机械损伤下获得了良好的稳定性。MXene/PEI涂层的交替结构显著提高了改性织物的介电性能，并触发了入射电磁波的多次反射。纳米复合涂层厚度 ～500纳米 的电磁干扰强度达到20.13分贝，并很好地保持了织物良好的柔韧性和透气性。同时，MXene/PEI涂层棉织物具有良好的阻燃性能。这项工作为实现高EMI的导电材料的合理设计提供了新的见解，
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c11638.
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