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武汉纺织大学王栋教授、杨晨光副教授团队 CEJ：多级双网络增强结构纳米纤维复合膜的电磁屏蔽及其光热转换性能

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-02-22 09:02

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武汉纺织大学的王栋教授和 杨晨光 副教授团队在 Chemical Engineering Journal 上发表了题为 “Facile design of nanofiber composite film with multi-level crosslinked enhanced structure using carbon nanotubes/silver-coated nylon 6 as microwave absorber” 的研究成果，报道了一种具有多级交联结构的电磁屏蔽纳米纤维复合膜的简易制备思路及其多功能应用。

随着数字通信、智能互联等技术的不断发展，电子元器件发射的电磁波（ EM ）造成的辐射污染日益严重 . 这些电磁波不仅会干扰附近的电子设备，还会危害人体健康。除了实现高电磁屏蔽性能（ EMI SE ）外，还需要满足低成本、轻便、柔韧、防水、耐用、耐磨和吸收损耗等特性的要求。传统的聚合物复合材料需要高负载填料来获得高导电性和有效的 EM 屏蔽性能 ; 然而，这导致高成本、低加工性和差的机械性能。

应对上述挑战，王栋教授课题组团队提出一种电磁屏蔽纳米纤维复合膜的简易制备策略，使用低成本、低填充量且工艺简单的方法制备出了一种以聚乙烯醇共聚乙烯（ PVA-co-PE ）、多壁碳纳米管（ CNTs ）、镀银尼龙 6 纤维（ Ag@PA6 ）为基底的纳米纤维复合膜（ PVA/CNTs/PA6 ），以实现宽频范围内的优异的微波吸收性能和机械性能。如图 1 ，通过采用真空抽滤、化学和辐射交联相结合的方法，成功制备了具有良好界面粘结和多级交联增强网络结构的 PVA/CNTs/PA6 复合纳米纤维膜。

图 1 PVA/CNT/ PA6 的组装策略

图 2 PVA/CNT/ PA6 的微观结构及交联机理

图 2 展示了不同膜的 SEM 图像。非交联 PVA- 共 -PE 纤维的形态如图 2a 、 e 和 i 所示。在使用了戊二醛化学交联之后，在纤维的表面上出现透明微球，纤维之间的界面相互作用在交联之后显著增强。从图可以看出， Ag 均匀地分布在 PA 6 纤维表面，显著提高了复合膜的电导率。通过紫外辐射交联，交联后的 PA 6 形成了稳定的内部结构。碳纳米管均匀分布在 PVA-co-PE 纳米纤维中，形成了良好的界面效应，表明羟基碳纳米管与 PVA-co-PE 纤维之间可能形成了氢键。这种具有多级交联结构大大提升了复合膜的力学性能，同时也形成了优异的导电网络，增强了材料的电磁屏蔽性能。

图 3 PVA/CNT/ PA6 的电磁屏蔽性能

图 3 展示了复合纤维膜在 8.2- 12.4GHz 的频率范围内的 EMI SE 。纯 PVA-co-PE 膜几乎没有表现出 EM 波屏蔽。在添加 CNT 之后， EMI SE 达到 28.6dB ，并且在继续添加 PA6 之后增加到 42.5dB 。随着碳纳米管和 PA 6 的添加，复合纤维膜的内部导电网络逐渐改善。同时还测试了该纳米纤维复合膜在不同环境下的电磁屏蔽性能，作者将该 PVA/CNT/ PA6 置于高低温、强酸碱、弯曲扭曲数千次后的 EMI SE ，结果表明该复合膜仍表现出稳定的电磁屏蔽性能。

图 4 PVA/CNT/ PA6 的光热转化性能

如图 7 所示，表面温度迅速升高并达到平衡状态。随着光功率密度的增加，平衡温度呈明显的上升趋势，并迅速响应光功率密度梯度的变化。在循环加热过程中， PVA/CNTs/PA 6 - 5% 具有规则的升温和降温曲线，在不同光功率密度下其表面温度稳定。此外，发现 PVA/CNT/PA 6 - 5% 的平衡温度随着光功率密度的增加而线性增加。此外，当光功率为 400 mW/cm ~ 2 时， PVA/CNTs/PA 6 - 5% 的平衡温度至少保持在 1200 s 以上，显示了光热稳定性和可靠性。研究结果进一步验证了复合纤维膜优异的光热转换性能，拓宽了其在寒冷地区和航空航天工业中的应用。

作者通过多级强化结构的成功构建，在添加介质较少的情况下，实现了可观的 EMI 屏蔽性能。本研究为多功能膜的开发提供了一种新的设计理念，有望作为新一代电磁屏蔽防护材料，应用于复杂、动态和极端温度环境中。

该成果以 “Facile design of nanofiber composite film with multi-level crosslinked enhanced structure using carbon nanotubes/silver-coated nylon 6 as microwave absorber” 为题，发表在 Chemical Engineering Journal 期刊上，武汉纺织大学王栋教授为通讯作者，武汉纺织大学 杨晨光 副教授为第一作者，武汉纺织大学纺织纤维及制品教育部重点实验室硕士生陈灿为共同一作。该工作受国家自然科学基金、湖北省重点研发项目基金等的资金支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160188

相关论文信息：

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1. Tao Dechang, Yang Chenguang*, Can Chen, Kun Yan, Haining You, Wenwen Wang, Wang Dong*. Highly Flexible and Ultralight PVA-co-PE-AgNW/MXene Composite Film with Low Filling for Multistage Electromagnetic Interference Shielding. Small, 2024, 2411752.

https://doi.org/10.1002/smll.202411752

2. Tao Dechang, Wen Xin, Yang Chenguang*, Yan Kun, Li Zhiyao, Wang Wenwen*, Wang Dong*. Controlled Twill Surface Structure Endowing Nanofiber Composite Membrane Excellent Electromagnetic Interference Shielding. Nano-Micro Letters, 2024, 16:236.

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01444-y

3. Wen Xin, Yang Chenguang*, Li Zhiyao, Xia Ming, Wu Yi, Yan Kun, Wang Dong*. A sandwich-structured ultra-flexible Pva-co-PE/Cu nanofiber composite film with excellent electrical conductivity, electromagnetic shielding properties, and environmental stability. Colloid. Surface A, 2023, 656, 130329.

https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2022.130329

武汉纺织大学王栋教授、杨晨光副教授团队 CEJ：多级双网络增强结构纳米纤维复合膜的电磁屏蔽及其光热转换性能

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