东华大学：CCM混合气凝胶，用于电磁干扰屏蔽

成果简介

超轻、机械坚固且具有高效电磁干扰（EMI）屏蔽性能的材料是满足便携式电子设备发展的当务之急。然而，如何在超轻、坚固的机械性能与出色的电磁干扰屏蔽性能之间取得平衡仍是一项挑战。本文，东华大学俞丹 副教授团队在《ACS Appl. Nano Mater》期刊发表名为“Cellulose Nanocrystals/Carboxylated Multiwall Carbon Nanotubes/Ti3C2Tx Hybrid Aerogels for Electromagnetic Interference Shielding”的论文，研究通过甲基三甲氧基硅烷处理和单向冷冻干燥，制备了各向异性纤维素纳米晶/羧基多壁碳纳米管/Ti3C2Tx MXene（CCM）复合气凝胶。

通过 Si-O-Si 纳米带成功组装多维纳米材料有助于实现轻质、疏水、隔热、机械性能以及高导电性。获得的混合气凝胶在 50 次压缩循环后，50% 应变时的残余高度为 76.38%，轴向水接触角为 120.7°。各向异性纤维素纳米晶/羧基多壁碳纳米管/Ti3C2Tx MXene复合气凝胶的平均电磁干扰屏蔽效能高达14030.22 dB-cm2-g-1，超过了已报道的主要材料。多功能和各向异性混合气凝胶在电磁防护工程领域大有可为。

图文导读

图1. (a) CCM 混合气凝胶的制备过程示意图。显示 CCM-4 复合气凝胶 (b) 超轻、(c) 疏水、(d) 导电和 (e) 加工性能的数字图像。

图2:（a） MXene、CNC、CNT、CC气凝胶和CCM气凝胶的XRD图谱。（b） MXene、CNC、CNT、CC气凝胶和CCM气凝胶的FTIR光谱。（c） CCM气凝胶的XPS图谱、（d）C1s光谱、（e）Si2p光谱和（f）Ti2p XPS光谱。（g，h）CCM气凝胶的TEM图像和（i）EDS-TEM光谱。CCM-4杂化气凝胶的（j）顶部和（k）横截面的SEM图像。（l） 具有不同MXene含量的CCM气凝胶的孔隙率。（m） CCM气凝胶表面液滴的动态测试。（n） CCM气凝胶在轴向（i）和径向（ii）方向上的WCA。

图3、（a） CCM在轴向和径向上的薄层电阻和电导率。（b） CCM-4在轴向和径向的EMI SE。（c） SET，（d）SEA和SER，以及（e）具有不同MXene含量的CCM的SEA/SET值；（f） 具有不同密度的CCM-4的SET；（g） 密度分别为8.62、14.01和19.55 mg·cm–3的CCM-4的SSE/t；（h） CCM-4与最近报道的复合材料EMI屏蔽性能的比较：SSE/t与复合材料的密度；和（i）T在径向上具有不同MXene含量的CCM的反射功率系数（R）、吸收功率系数（A）和透射率（T）。

图4。CCM混合气凝胶在径向方向上屏蔽EMI的潜在机制。

图5. (a) CCM 混合气凝胶在轴向的最大压缩应力和残余高度。(b) CCM-4的高弹性特征。(c) 50次循环后 CCM-4 混合气凝胶轴向的应力-应变曲线。(d,e) 1次循环和 (f,g) 50次循环后 CCM-4 混合气凝胶的扫描电镜图像。

图6：(a) 100 °C～加热板上 CCM-4 的红外图像。(b) 不同密度 CCM-4 的热导率。(c) CNT、CC 和 CCM 气凝胶的热重分析曲线。(d) 将一块棉花放在石棉网上和混合气凝胶上用火加热不同时间段的数字图像。

小结

通过硅烷改性和单向冷冻干燥方法，成功制备了由 CNC、CNT 和 MXene 组成的各向异性三维多孔复合气凝胶，实现了疏水性、隔热性和机械坚固性。在冰晶的作用下，经 MTMS 处理的 CNC、CNT 和 MXene 纳米片组装成具有各向异性结构的混合细胞壁。CNC 上丰富的羟基通过 Si-O-Si 纳米带有效地连接了导电纳米材料（CNT 和 MXene）。由于多维单元之间的共价键和氢键作用，超轻的 CCM-4 混合气凝胶得以形成，并在 50％ 的应变下经过 50 次压缩后显示出 76.38％ 的残余高度。硅烷覆盖的细胞壁赋予了 CCM 混合气凝胶疏水性。

更重要的是，生成的混合气凝胶在厚度为 2 毫米时的平均 EMI SE 为 45.11 dB，表现出色；密度为 8.62 mg-cm-3 的 CCM-4 混合气凝胶的平均 SSE/t 可高达 14030.22 dB-cm2-g-1。具有优异导电网络和定向细胞壁的三维多孔结构对优异的电磁干扰屏蔽性能起着至关重要的作用。我们设想，这项工作可以拓宽设计具有高效、超轻、疏水、隔热和优异机械性能的 EMI 屏蔽材料的视野。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsanm.3c03644