一、文章概述
隨著電子設(shè)備和無線通信的快速發(fā)展，可穿戴式電磁干擾EMI屏蔽織物備受青睞，其中電磁污染是人類健康和精密設(shè)備可靠性的重大問題。由于對(duì)涂層厚度的要求通常相反，因此EMI屏蔽效率SE和織物柔韌性之間的平衡仍然具有挑戰(zhàn)性。作者通過分步組裝技術(shù)制備具有交替結(jié)構(gòu)的MXene絕緣聚合物涂層，將優(yōu)異的屏蔽元件、合理的結(jié)構(gòu)和高納米填料含量結(jié)合在一起。由于這種新的策略，涂層具有納米級(jí)的厚度～500 nm達(dá)到了EMI SE的商業(yè)要求，并很好地保持了織物的柔韌性和透氣性。與相應(yīng)的純MXene涂層相比，這種多層涂層由于改進(jìn)的介電性能和強(qiáng)烈的電磁波多次反射而顯示出138.95%的EMI SE增強(qiáng)。此外，這種混合涂層還可以作為內(nèi)部易燃織物的出色防火屏障，在發(fā)生意外火災(zāi)時(shí)保護(hù)人類和電子設(shè)備。
二、圖文導(dǎo)讀
圖1.MXene薄片和涂層織物的表征。 XRD表明成功除企鵝鋁層并合成MXene。XPS表明成功制備了具有豐富表面化學(xué)性質(zhì)的MXene圖1b。AFM測(cè) 所獲得的MXene呈現(xiàn)典型的片狀形貌，并且薄片的厚度為～1.7 nm。這些此外，從透射電子顯微鏡TEM圖像圖1d中觀察到板材的橫向尺寸可達(dá)幾微米并且存在褶皺可推斷出這些板材的柔韌性。作為MXenePEI涂層基材的棉織物在圖1e中SEM圖像中顯示出針織結(jié)構(gòu)。原始纖維的表面形態(tài)具有一些褶皺，這是天然棉纖維的典型特征圖1f。經(jīng)MXene/PEI涂層改性后，織物仍能很好地保留原始織物的針織結(jié)構(gòu)圖1g。由于MXene板的獨(dú)特2D結(jié)構(gòu)，混合涂層主要覆蓋纖維表面，并部分填充相鄰纖維之間的間隙圖1h。在圖1i中，源自MXene的代表性Ti元素和源自PEI的氮N元素均勻分布在纖維方向上。MXene或PEI沒有出現(xiàn)明顯的積累，這強(qiáng)烈表明了分步組裝技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)其中均勻涂層的制備。對(duì)于MX10P1-10而言，涂層包裹在內(nèi)部棉纖維上，其厚度剛好為納米級(jí)。如圖1j中涂層纖維的橫截面圖像所示，該涂層的厚度為～500納米。這種薄薄的涂層，加上MXene特殊的2D結(jié)構(gòu)，保證了所制備的織物具有優(yōu)異的柔韌性和輕質(zhì)性。涂層織物具有良好的懸垂性圖1k、折疊性圖1kii和輕質(zhì)性圖1kiii。
圖2 .涂層織物的板材抗性和穩(wěn)定性。 涂層織物的涂層質(zhì)量隨著PEI濃度的增加而逐漸增加圖2a。MX10P3-10涂層質(zhì)量為8.47±0.57 mg/cm2。如圖2b所示，MX10-10的表面電阻比MXene/PEI涂層織物的表面電阻低8.68±2.12Ω/sq。MX10-10較好的導(dǎo)電性主要?dú)w因于涂層中沒有絕緣PEI層。加入PEI后，改性織物的耐張性略有提高。然而，MXene/PEI改性織物的耐張性不隨PEI濃度的增加而增加。具體而言，MX10P1-10的片電阻11.75±2.56Ω/sq小于MX10P0.5-1023.11±1.98Ω/sq和MX10P3-10 28.72±4.57Ω/sq 。如圖2d所示，純MXene涂層 即MX10-10 損失了大量成分，僅在超聲處理前10分鐘后保留了37.5%。隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，MX10-10涂層質(zhì)量下降，600分鐘后僅保持28.5%。如圖2e所示，MX10P1-10的片電阻略有增加，從開始時(shí)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天后的片電阻從開始時(shí)的7.54±1.28Ω/sq上升到1860±205Ω/sq。如圖2g所示，MX10-10 8.07±1.12Ω/sq 和MX10P1-10 9.83±1.02Ω/sq 的片電阻在開始時(shí)相似，MX10P1-10的平均片電阻在50次彎曲循環(huán)后略微增加至53.60Ω/sq，MX10-10的平均片電阻102.70Ω/sq。類似地，MX10P1-10的薄片電阻緩慢降低在50次剝離循環(huán)后，MX10-10的電阻增加到66.62Ω/sq，而MX10-10的電阻增加到137.10Ω/sq。
圖3.CYFRA21-1的檢測(cè)。 改性織物的復(fù)介電常數(shù)由圖3a中的實(shí)部 ，介電層的極化容量 和圖3b中的虛部 ε，介電損耗的度量 顯示純MXene涂層織物顯示出相對(duì)較低的復(fù)介電常數(shù)，這種介電常數(shù)主要是由電場(chǎng)作用下MXene薄膜中表面官能團(tuán)和缺陷的極化引起的。將PEI嵌入MXene涂層后，在交替MXene/PEI涂層中，PEI層將兩層分離相鄰的MXene層，從而構(gòu)建了納米電容器結(jié)構(gòu)，其中相鄰的MXene片充當(dāng)電極，PEI充當(dāng)薄電介質(zhì)層，如圖3c中的右面板所示。
圖4.涂層織物的防火性能。 如圖5a所示對(duì)于純棉織物，試樣迅速點(diǎn)燃，劇烈燃燒，并持續(xù)燃燒，直到織物在14秒時(shí)完全耗盡。涂上MXene后，織物從火焰中取出后燃燒12秒，然后熄滅圖5b。MXene/PEI涂層賦予織物更短的燃燒時(shí)間即10秒 圖5c ，值得注意的是，如圖5d中的SEM圖像所示，很好地保持了織物和纖維的結(jié)構(gòu)。值得注意的是，MX10P1-10由于有效保護(hù)MXene和PEI免受火焰的影響，很好地保留了原始織物的結(jié)構(gòu)。MX10P1-10更好的耐火性歸因于阻燃劑的協(xié)同效應(yīng)，鑒于MXene和PEI具有良好的耐火性。獲得的熱釋放率 HRR 曲線如圖5e所示。這些HRR曲線都呈現(xiàn)一個(gè)峰值。涂層引入后，織物的HRR峰值 PHRR 和PHR溫度 TPHRR 均降低。此外，MX10P1-10的總熱釋放量 THR 為8.4 kJ/g，低于MX10-10 10.7 kJ/g 和原始織物 12.9 kJ/g ，相應(yīng)減少了21.50%和34.88%。
作者設(shè)計(jì)了MXene/PEI涂層織物，該織物具有良好的柔韌性和穩(wěn)定性，能夠有效屏蔽EMI和阻燃。在引入惰性PEI分子后，MXene/PEI涂層在各種化學(xué)腐蝕和機(jī)械損傷下獲得了良好的穩(wěn)定性。MXene/PEI涂層的交替結(jié)構(gòu)顯著提高了改性織物的介電性能，并觸發(fā)了入射電磁波的多次反射。納米復(fù)合涂層厚度 ～500納米 的電磁干擾強(qiáng)度達(dá)到20.13分貝，并很好地保持了織物良好的柔韌性和透氣性。同時(shí)，MXene/PEI涂層棉織物具有良好的阻燃性能。這項(xiàng)工作為實(shí)現(xiàn)高EMI的導(dǎo)電材料的合理設(shè)計(jì)提供了新的見解，
文章鏈接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c11638.
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