芳纶纳米纤维/碳纳米管杂化多功能气凝胶薄膜
       随着时代的发展和科学技术的进步,5G时代已经到来,电磁波在民用和通信系统中的应用越来越广泛,对人体健康的潜在危害也越来越大,功能性屏蔽材料的发展也随之加快。目前在基础研究方面已取得巨大的进展,但仍然难以获得高柔性、轻量化、多功能屏蔽材料。为了克服这些挑战,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所(苏州纳米所)张学同研究员与海南大学陈永平教授合作,将高强度芳纶纳米纤维(ANF)与导电/热的碳纳米管(CNT)复合,制备出ANF/CNT杂化气凝胶薄膜,可同时获得优异的力学性能和电学性能,最后辅以疏水的氟碳(FC)树脂,制备出疏水的FC-ANF/CNT气凝胶薄膜。与传统膜屏蔽材料相比,所制备的气凝胶薄膜具有诸多优势:(1)密度低(0.043g/cm3)、孔隙率高、柔韧性好;(2)疏水性能优异,可用于潮湿环境;(3)导电/热及电加热性能良好;(4)电磁屏蔽性能和比电磁屏蔽性能优异。
制备过程
      这种多功能气凝胶薄膜的制备过程非常简单,通过溶解杜邦公司的Kevlar获得ANF,与CNT混合均匀,再经刮刀涂布、溶胶-凝胶、冷冻干燥及疏水化过程获得FC-ANF/CNT气凝胶薄膜。
图1 FC-ANF/CNT多功能气凝胶薄膜制备及其结构组成示意图
疏水性
       氟碳树脂作为疏水性涂料,降低了表面能,而且ANFs和CNTs作为气凝胶薄膜的构筑单元提供了表面粗糙度,减少了液-固接触面积,从而使得该薄膜呈现出良好的疏水性(137°)。此外,对80℃下热水仍然保持不湿润现象,这是由于FC涂层在热水温度下可保持完整性,以支持低表面张力的液体,并防止被其润湿。
图2 FC-ANF/CNT气凝胶薄膜疏水性表征
电加热性能
      FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的电导率随着CNT含量的升高而增加,CNT含量为40%时,达到了230 S·m-1。利用焦耳热效应,该气凝胶薄膜可以通过施加不同电压实现温度调控,而且驱动电压较低。施加5V电压即可获得人体保暖所需温度(52.6℃),低驱动电压不仅保证了节能和人身安全(小于36V),还使得采用电池或电容器对气凝胶薄膜供电成为可能。此外,FC-ANF/CNT气凝胶薄膜还具有加热稳定性与耐用性。
图3 FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的焦耳热效应
电磁屏蔽性能
      由于CNT的存在,FC-ANF/CNT气凝胶薄膜对电磁波具有屏蔽性能,在568μm的厚度下, FC-ANF/CNT气凝胶薄膜(CNT含量为40%)对电磁波的衰减能力达到54.4 dB。理论分析表明,入射电磁波的衰减来源于气凝胶中三维导电网络中的电导损耗和界面极化损耗,而气凝胶的多孔结构则进一步增加了波的多重散射路径,使得材料对电磁波的衰减能力增强。由于气凝胶薄膜的轻、薄特性,计算出比电磁屏蔽效率高达33528.3 dB·cm2·g-1,高于传统碳基、金属基、或者导电聚合基的屏蔽材料。
图4 FC-ANF/CNT气凝胶薄膜的电磁屏蔽性能
      这种多功能气凝胶薄膜在智能服装、电磁屏蔽和个人热管理系统等方面有着巨大的应用前景。目前,该研究以“Multifunctional Aramid Nanofiber/Carbon Nanotube Hybrid Aerogel Films ”为题,发表于ACS Nano(DOI: 10.1021/acsnano.9b07459)。
      硕士研究生胡沛英(海南大学与苏州纳米所联合培养)与苏州纳米所博士后吕婧为该论文的共同第一作者,苏州纳米所张学同研究员与海南大学陈永平教授是本文的共同通讯作者。
    文献链接:Multifunctional Aramid Nanofiber/Carbon Nanotube Hybrid Aerogel Films(ACS Nano, 2019, DOI:10.1021/acsnano.9b07459)