高导电石墨烯涂层PA纱线，用于EMI屏蔽、个人热调节和除冰等

1成果简介

虽然将导电石墨烯涂覆到商用纱线上有望实现规模化生产，但基于石墨烯的导电纱线很容易发生涂层脱落，导致导电性降低和稳定性变差本文，本文，北京化工大学 张好斌 教授、于中振 教授团队等在《Carbon》期刊发表名为“Interfacial Enhancement Enables Highly Conductive Reduced Graphene Oxide-Based Yarns for Efficient Electromagnetic Interference Shielding and Thermal Regulation”的论文，研究提出了一种可扩展且具有成本效益的界面增强策略，通过用聚乙烯亚胺改性聚酰胺纱线以增强其与氧化石墨烯（GO）片的相互作用，然后用氢碘酸还原 GO 成分，从而制造出具有令人满意的机械性能的高导电性纱线。

由于增强了聚乙烯亚胺改性聚酰胺纱线与 GO 片的界面相互作用，提高了 GO 的负载量和涂层稳定性，因此PA-PEI-rGO纱线可以承受弯曲、刺绣、缝纫和编织，在20周弯曲后仍能保持5.0×103Sm-1的超高导电率。用这种纱线织成的导电电子纺织品在厚度为 0.615毫米时具有66.7分贝的出色电磁干扰屏蔽效果，同时还具有优异的疏水性、令人满意的透气性以及较高的电热和太阳热能转换性能。PA-PEI-rGO纺织品的电磁干扰屏蔽效果在经过 5000 次弯曲后仍能保持良好，这表明它具有令人满意的稳定性。这项工作展示了大规模制造多功能纱线的界面增强策略，这种纱线在电磁干扰屏蔽、个人热调节和除冰应用方面前景广阔。

2图文导读

图1.示意图说明了 （a， b） 制备 PA-PEI-rGO 纱线的浸涂程序，（b） PA、PA-PEI、PA-PEI-GO 和 PA-PEI-RGO 纱线的结构，以及 （c） 由 PA-PEI-rGO 纱线制成的纺织品在 EMI 屏蔽、电热和太阳能-热能转换性能中的应用。

图2.PA-PEI-rGO 纱线的 （a） 横截面和 （b） 表面的SEM图像。（c） PEI 和 GO 之间界面相互作用的示意图。（d） PA、PA-PEI、PA-PEI-GO和PA-PEI-RGO 纱线的XRD图谱。GO、PA、PA-PEI-GO 和 PA-PEI-rGO纱线的 （e） FT-IR 和 （f） 拉曼光谱。（g） PA、（h） PA-PEI和 （i） PA-PEI-GO 纱线的C1s XPS光谱。

图3. 不同浸涂周期下 (a) PA-PEI-GO 和 (b) PA-PEI-rGO 纱线的拉伸应力-应变曲线。(c) PA-PEI-GO-10、PA-PEI-rGO-10 和 PA-10 纱线的拉伸强度和拉伸韧性比较。(d) 不同浸涂周期下 PA-PEI-rGO 纱线的导电率。(e) PA-PEI-rGO-10 与其他导电纤维和纱线的强度和导电率比较。(f) PA-PEI-rGO 纱线作为弯曲电路导线在 3 V 电压下点亮 LED 灯，(g) PA-PEI-rGO 纱线的机缝、手织、手缝和机绣工艺的数码照片。(h) 尺寸为 23 × 8 平方厘米的 PA-PEI-rGO 织品。(i) PA-PEI-rGO 织物上的水滴、酸滴、碱滴、牛奶滴、咖啡滴和果汁滴。

图4. 不同（a）网格间距和（b）厚度的 PA-PEI-rGO 纺织品的电磁干扰屏蔽效果图。(c) PA-PEI-rGO 纺织品的 EMI 屏蔽机制图。(d) PA-PEI-rGO-10 纺织品与其他导电纤维和纱线的特定 EMI 屏蔽效果 (SE/d) 和厚度的比较。(e) PA-PEI-rGO 纱线在 10000 次弯曲过程中的电阻变化图。(f) PA-PEI-rGO 纺织品在 5000 次弯曲循环期间的 EMI 屏蔽效果和保持率曲线图。

图5. PA-PEI-rGO纱线 (a) 在不同电压下的温度-时间曲线，(b) 在施加电压从 2 到 5 V 逐步变化时的温度-时间曲线，以及 (c) 在 0 到 3 V 之间循环切换电压时的温度-时间曲线。(d) 在 3 V 电压下使用 PA-PEI-rGO 纺织品的除冰过程和 (e) 在 1.3 V 电压下弯曲人体手腕上的可穿戴 PA-PEI-rGO 纺织品的数码和红外热照片 (f) PA-PEI-rGO 纺织品的太阳热能转换性能示意图。(g) PA-PEI-rGO 织物在不同太阳能密度下的热响应曲线。(h) PA-PEI-rGO纺织品在太阳照射下处理后的数码热照片和红外热照片。

3小结

这项工作展示了一种高效的界面增强策略，通过用聚乙烯亚胺改性聚酰胺纱线以增强其与GO片的相互作用，然后用氢碘酸将GO化学还原为导电rGO，从而制造出用于 EMI 屏蔽、电热和太阳能热转换应用的高导电性 rGO/ 聚酰胺纱线。由于增强了聚乙烯亚胺改性纱线与rGO片材之间的界面相互作用，PA-PEI-rGO 纱线可以承受弯曲、刺绣、缝纫和编织，在弯曲20个周期后仍能保持 5.0×103 S m-1 的超高导电率。得益于柔性 PA-PEI-rGO纱线的可扩展制造，所制成的导电疏水电子纺织品在厚度为 0.615 毫米的X 波段具有 66.7 dB 的出色 EMI 屏蔽效果，比 EMI 屏蔽效果高达 285.5 dB mm-1。PA-PEI-rGO 纺织品的电磁干扰屏蔽效果在弯曲 5000 次后仍能保持良好。除了反射之外，入射电磁波还可以通过导电纺织品内部的多重散射和吸收而衰减。此外，PA-PEI-rGO 纱线还具有优异的电热和太阳热能转换性能。高导电性纱线具有高疏水性、令人满意的透气性和高机械性能，有望应用于电磁干扰防护、热管理和除冰领域。

文献：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119655

来源：材料分析与应用