随着电信技术的飞速发展以及电子设备的广泛使用，电磁辐射带来的危害已逐渐引起人们的重视。传统的电磁干扰（EMI）屏蔽材料，如金属和金属复合材料，存在密度高、耐腐蚀性较差、成本高等问题。近几年新兴的以各种碳材料作为导电纳米填料的聚合物，其作为EMI屏蔽材料通常需要毫米级的厚度才能发挥一定效果，阻碍了它们在高度集成的现代移动电子设备中的应用。尤其是对于高级EMI应用而言，如航空航天领域，要求EMI屏蔽材料的厚度能进一步减小。因此，制备具有出色导电性和机械强度的超薄EMI屏蔽膜一直是一项挑战。
华东交通大学罗红林副教授、杨志伟和天津大学许运华教授合作通过原位生物合成方法，制备了一种超薄、坚固、高柔韧性的Ti3C2Tx Mxene/细菌纤维素（BC）复合膜。Mxene纳米片能均匀分散在三维BC网络中，该机械缠绕结构使Mxene/BC复合膜具有优异的机械强度和柔韧性。厚度4 μm、Mxene含量76.9 wt%的复合膜展现出29141 dB cm2 g−1的电磁屏蔽效率，超过了以往报道的相近含量的Mxene基聚合物复合材料或碳基聚合物复合材料。这种简单、环保和可扩展的制备超薄、坚固和高度柔韧的EMI屏蔽材料的方法有望解决当今社会中的EMI问题。该研究以题为“Ultrathin, Strong, and Highly Flexible Ti3C2Tx MXene/Bacterial Cellulose Composite Films for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding”的论文发表在《ACS Nano》上。
【超薄复合膜的制备】
Ti 3C 2T x / BC复合膜的制造过程如图1a所示。Ti 3C 2T x纳米片是通过蚀刻Ti 3AlC 2粉末并超声剥离获得的。得到的Ti 3C 2T x纳米片分散在BC的培养基中形成稳定的悬浮液，然后将含Ti 3C 2T x的培养基喷洒到BC基底上，使BC能通过逐步的原位生物合成过程在基质/培养基界面上生长，并将 MXene纳米片在生长过程中编织到BC网络中。重复此过程，直到获得所需厚度为1-1.5 mm的Ti 3C 2T x / BC复合水凝胶。去除BC基底、清洗并风干后，作者获得超薄的Ti3C2Tx / BC复合膜（厚度约为4-11μm）。该复合膜具有出色的柔韧性，可以很容易地折叠成不同的形状而不会破裂（图1b-d）。
图1 Ti3C2Tx / BC复合膜的制备示意图
【超薄复合膜的机械性能和导电性】
作者研究了Ti 3C 2T x / BC复合膜的机械性能（图2）。与BC复合后，复合膜的力学性能明显提高。25.7 wt％Ti 3C 2T x的复合膜的抗拉强度达到297.5±37.3 MPa，几乎是纯Ti 3C 2T x的12倍，是原始BC的1.5倍以上（图2b）。此外，复合膜的杨氏模量也高于纯Ti 3C 2T x和BC的杨氏模量（图2c）。其机械性能优于之前报道的大多数Ti3C2Tx / BC和Ti3C2Tx /聚合物复合材料的机械性能（图2e），并能举起1 kg重量而不破裂（图2f）。作者还通过发光二极管（LED）的亮度变化以及导电膜的电流-电压（IV）研究了其电导率（图3a），发现电导率随Ti 3C 2T x含量的增加而迅速增加。当作者连接复合膜时，LED灯点亮，并且其亮度不会随着复合膜的反复弯曲而变化（图3c），展现了复合膜的电学和结构稳定性。
图2 Ti3C2Tx / BC复合膜的机械性能
图3 Ti3C2Tx / BC复合膜的导电性
【超薄复合膜的EMI屏蔽性能】
作者测量了具有不同Ti 3C 2T x含量的复合膜的EMI屏蔽效率（图4a）。随着Ti 3C 2T x含量的增加，其EMI屏蔽性能得到改善。当含量为44.9 wt％时，其平均EMI屏蔽效率就大于20 dB，足够满足一般工业需求。当含量为76.9 wt％时，其EMI屏蔽效率高达37.3 dB。同时，其厚度仅为4.0-6.7μm，这对于电信、军事和航空航天领域中的应用至关重要，而对于碳材料而言，其厚度往往需大于1 mm才能满足20 dB的应用需求。作者将复合膜的EMI屏蔽性能和厚度与文献中报道的其他材料进行了比较（图4b）。结果表明，该复合膜不仅性能优于大多数先前报道的Ti 3C 2T x ，或具有相近Ti 3C 2T x含量的聚合物复合材料，或碳基聚合物复合材料，而且其4μm的厚度低于大多数MXene和纳米碳基复合膜。
图4 Ti3C2Tx / BC复合膜的电磁屏蔽性能与机制
总结：作者通过一种简便且可扩展的生物合成工艺，制成了超薄、坚固、高度柔性的Ti 3C 2T x / BC复合膜。Ti3C2Tx含量为76.9 wt％的复合膜表现出极高的电磁屏蔽效率，优于文献中报道的大多数MXene和碳基聚合物，且膜厚更小。这项工作提出了一种环保且可扩展的制造方法，用于生产超薄、坚固且高度柔性的Ti 3C 2T x / BC复合膜，以实现有效的EMI屏蔽，这可能是解决现代社会中EMI问题的有前途的策略。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10666
来源：高分子科学前沿
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