具有珍珠状结构和优异电磁干扰屏蔽性能的Mxene纳米纤维复合纸的二元增强增韧研究

作者：曹文涛; 陈飞飞; 朱英杰^*; 张永刚; 姜莹莹; 马明国^*; 陈峰^*

来源：天津造纸, 2019, 41(02): 40-42.

• 纤维素纳米纤维
• 电磁干扰屏蔽
• 机械性能
• MXene
• 纸

近几十年来,随着经济的发展无线通信和电子设备的使用已经越来越普遍。然而,电子设备不可避免地会产生电磁辐射,不仅影响电子仪器的正常工作和使用寿命,而且对人体健康造成危害。因此,迫切需要性能优良的电磁干扰屏蔽材料来解决上述问题。传统的金属屏蔽材料具有优异的电磁屏蔽性能。然而,金属材屏蔽料的高密度和在恶劣环境中的腐蚀敏感性也限制了其应用。近年来,许多碳基材料(如石墨烯、还原氧化石墨烯、碳纳米管)被报道,因其低密度和耐腐蚀性而被认为是电磁屏蔽的替代材料。Mxene材料是一种二维纳米材料,通过从三元过渡金属碳化物中选择性刻蚀A元素得到,通常的化学式为Mn+1AXn,其中M是过渡金属,A代表一组XIII和XIV族元素,X是C和(或)N元素。由于比表面积大、导电率高,MXene材料具有质量轻、电磁屏蔽性能优异的优点。MXene材料具有比许多金属和碳基材料更好的电磁干扰屏蔽性能。然而,由于MXene材料的力学性能不尽如人意,限制其在可穿戴电子设备、武器装备、机器人关节等方面的应用,因为这些应用场合均要求材料具有较高强度,以免发生机械变形。纤维素是地球上资源最丰富的可再生天然高分子材料。基于纤维素制得的纤维素纳米纤维(Cellulose nanofibers,CNFs)是一种增强的复合材料,具有较高的机械强度和柔韧性。更重要的是,与其他聚合物相比,CNFs具有一维的纳米纤维结构,使得二维导电纳米片之间的绝缘接触减少。近年来,有报道指出CNFs可以与石墨烯、还原氧化石墨烯和碳纳米管集成,用于锂离子电池、钠离子电池和超级电容器等储能领域。然而,截至目前还没有关于d-Ti3C2Tx/CNF复合纸用于电磁屏蔽的相关报道。因此,制备具有增强力学性能和电磁屏蔽性能的d-Ti3C2Tx/CNF复合纸具有重要意义。本研究采用简单的真空辅助过滤自组装方法,成功地制备了由一维CNFs和二维分层Ti3C2Tx纳米片构成的超薄柔性d-Ti3C2Tx/CNF复合纸。其具有珍珠状的微观结构和优异的力学性能,极限抗拉强度和应变分别达到135.4 MPa和16.7%,耐折试验弯曲次数达到14 260次。此外,d-Ti3C2Tx/CNF复合纸还具有优异的导电性和电磁干扰屏蔽性能。由于d-Ti3C2Tx/CNF复合纸具有珍珠状的微观结构和优异的力学性能,使得其在可穿戴电子设备、武器装备、机器人关节等柔性电子领域具有广阔的应用前景。

• 单位
  北京林业大学; 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室; 中国科学院上海硅酸盐研究所