具有令人興奮特性的結構-功能一體化的聚合物纖維在下一代技術中的重要性日益增加。在此，報告了具有高導電性、高強度和輕質特點的結構功能集成石墨烯-Skinned芳綸纖維（GRAF），該纖維編織后可有效屏蔽電磁干擾（EMI）。以芳綸聚陰離子（APA）為粘合劑和蝕刻劑，通過浸涂策略將石墨烯自組裝到芳綸纖維表面。分子動力學（MD）模擬結果表明，APA 改性芳綸鏈與石墨烯的結合能（1.3 J/m
2）高于芳綸鏈與石墨烯的結合能（0.2 J/m
2）。APA具有更高的表面能（55.2 mJ/m
2），可以蝕刻纖維表面，形成凹槽，從而使石墨烯能夠有效吸附并自組裝到纖維表面。GRAF 的導電率高達 1062.04 ± 116.78 S/m，同時具有出色的強度（4.66 ± 0.16 GPa）和模量（106.33 ± 8.21 GPa），優于大多數已報道的導電復合纖維（如天然纖維、聚合物基纖維、無機纖維等）。使用結構功能集成GRAF編織的功能織物在 X 波段的電磁干擾屏蔽效率（SE）高達67.86 dB，在12 V電壓下可在 40 秒內迅速加熱至 200 °C。此外，GRAF 織物在長期洗滌后仍能保持導電性，顯示出卓越的耐洗滌性。這項研究展示了一種制造結構功能集成材料的有效方法，并顯示了碳烯纖維用于 EMI 屏蔽的前景。
Fig 1. GRAF 的制備過程及其在電磁防護中的應用示意圖。 AF 是芳綸纖維；APA 是芳綸聚陰離子；APAF 是 APA 改性芳綸纖維；GRAF 是石墨烯護膚芳綸纖維。
Fig 2. GRAF 的特征。（a） AF、（b） APAF 和 （c） GRAF 的 SEM 圖像。（c） 中的左側插圖是 AF 和 GRAF 的照片。（d） GRAF軸向截面的SEM照片。（e， f）GRAF 軸向橫截面的 TEM 圖像。（g） 石墨烯粉末和 GRAF 的拉曼光譜。（h） AF、APA、APAF 和 GRAF 的 FTIR 光譜。（i） 涂布后 APAF 和 GRAF 的增重比。
Fig 3. APA 粘合劑層的工作機制。（a） AF、GAF 和 GRAF 的 OM 圖像。（b） AF、APAF 和 GRAF 的粗糙度。（c） AF、APAF、GRAF 和 APA 的表面自由能和水接觸角。（d） AF、APA 和 APAF 與石墨烯相繼吸附的分子動力學模擬。（e） AF 鏈和石墨烯（綠點）、APAF 鏈和石墨烯（粉點）、APA 鏈和石墨烯（藍點）的結合能。
Fig 4. 設計的 GRAF 的機械和電氣性能。（a） 不同纖維的應力-應變曲線。（b） 不同纖維的拉伸強度和 Young 模量的比較。（c） 不同纖維的斷裂伸長率和韌性比較。（d） 不同纖維的電導率曲線。（e） 不同洗滌時間纖維的電導率比較。（f） 不同導電復合纖維和我們制備的纖維的導電性和拉伸強度的比較。
Fig 5. GRAF 織物及其電磁干擾屏蔽性能。（a） 數碼照片，（b） SEM 圖像，以及 （c） GRAF 織物的薄層電阻映射。（d） 8.2–12.4 GHz 頻率范圍內各層 GRAF 織物的 EMI 屏蔽性能。（e） GRAF 織物的功率系數
A、
R 和
T。（f） 不同層的 GRAF 織物的 SE
T、SE
R 和 SE
A 值。（g） GRAF 織物的 EMI SE/含量與已報道的不同厚度的 EMI 屏蔽材料的比較。（h） GRAF 織物的 EMI 屏蔽機制。
相關研究工作由北京大學Jin Zhang/ Xin Gao/Kun Jiao等人于2024年在線發表在《ACS NANO》期刊上，Structural–Functional Integrated Graphene-Skinned Aramid Fibers for Electromagnetic Interference Shielding，原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c11782
轉自《石墨烯研究》公眾號
