基于聚苯胺纳米网络的可控电磁梯度的多层导电织物，用于电磁屏蔽和热绝缘

《Progress in Organic Coatings》：Multilayer conductive fabrics with controllable electric-magnetic gradient based on polyaniline nano-network for electromagnetic shielding and thermal insulating

电磁波屏蔽多功能织物通过梯度结构设计实现，采用铁氧体@碳纳米管/聚苯胺纳米纤维多层复合，利用导电聚合物与磁性纳米材料协同作用，在保持高电磁屏蔽效能（>60dB）的同时降低反射率至7.9%，并具备防水和热绝缘功能。

　　

何梦娟|崔琳琳|王曦|戴申华|林建云

江西现代服装工程技术中心，江西服装职业技术学院，南昌，330000，中国

摘要

随着电磁（EM）屏蔽织物的应用环境变得越来越复杂，多功能性已成为EM屏蔽织物的未来发展方向。然而，将多种功能集成到单一材料中仍然是一个巨大的挑战。本文提出了一种在各种织物基底上生长聚苯胺纳米纤维（PANI NFs）的通用方法。基于PANI NFs纳米网络，制备了一种具有优异吸收性能和多功能性的多层屏蔽织物。顶层和中间层中Fe₃O₄@CNTs的合理排列控制了电磁梯度，而底层高导电性的PANI则提供了对电磁波的高反射效果。因此，入射波会经历“吸收-反射-再吸收”的过程。该多层织物的屏蔽效率（SE）超过60 dB，最小反射损耗（RL）达到-64.90 dB，显示出优异的电磁波屏蔽和吸收性能。特别是通过调节电磁梯度，反射部分的屏蔽效率降低了7.9%。得益于Fe₃O₄@CNTs/PANI NFs纳米导电网络，该织物还表现出疏水性（接触角WCA为125.2°）。此外，PANI NFs在层与层之间形成了热空气屏障，提供了隔热性能；当使用空气喷射织物作为基底时，织物的隔热性能进一步提升。总体而言，这种多功能织物在电磁波屏蔽、雷达隐身和隔热方面具有潜在应用价值。

引言

随着电子和信息技术的快速发展，用于电磁干扰（EMI）屏蔽的高性能材料已成为一个重要的研究前沿[1]、[2]、[3]、[4]。特别是在军事领域，雷达探测技术的智能化和多样化发展威胁到了军事目标的安全，这促进了以吸收为主导的屏蔽材料的发展[5]、[6]、[7]、[8]。同时，其他复杂的应用环境也要求军事EMI屏蔽材料具备多功能性[9]。在车辆防水布和士兵制服中，柔性EMI屏蔽织物非常受欢迎[10]、[11]。然而，目前的研究很少报道在复杂环境中具有高稳定EMI性能的多功能EMI屏蔽织物。研究多功能EMI屏蔽织物的主要障碍包括将多种功能集成到一种织物中的难度以及复杂的制备过程，而技术突破依赖于组成材料、三维结构或表面状态的创造性设计[12]、[13]、[14]。

由于低维EMI屏蔽纳米材料具有可调的电子结构、较大的表面积和独特的纳米效应，因此受到了广泛关注[15]、[16]、[17]。导电聚苯胺（PANI）因其易于合成、柔韧性和可调节的导电性而被广泛用于EMI屏蔽织物[18]、[19]、[20]、[21]，而PANI纳米纤维（NFs）因其导电聚合物与一维纳米材料的协同效应而备受关注[22]、[23]。在我们之前的研究中，已经证明在纺织基底上原位构建PANI-NFs是一种制备高效电磁波吸收织物的方法[24]。然而，仅使用PANI-NFs层的织物导电性有限，磁损耗可以忽略不计，无法满足高效EMI屏蔽的要求[5]。此外，仅涂覆PANI-NFs层的织物也无法满足多功能集成的应用需求。

在各种EMI屏蔽纳米材料中，碳纳米管（CNTs）因其出色的机械和电子性能而成为有前景的候选材料[25]、[26]、[27]、[28]。磁铁矿（Fe₃O₄）纳米颗粒由于其软磁性和高分散性，在EMI屏蔽领域受到了广泛关注[29]、[30]、[31]。人们普遍认为，介电常数和磁导率之间的平衡对于衰减电磁波至关重要，许多电磁复合材料都使用了PANI、CNTs和Fe₃O₄进行EMI屏蔽，例如Fe₃O₄/MWCNTs[32]、Fe₃O₄@rGO/MWCNT[33]、Au-MWCNT/PANI[34]等。尽管这些复合屏蔽材料在一定程度上改善了电磁波的损耗，但这类均匀材料同时实现高EMI屏蔽和低反射（以吸收为主）仍然是一个挑战。

为了避免高EMI屏蔽与低反射之间的固有冲突，我们制备了一种具有可控电磁梯度的多层EMI屏蔽织物，从而实现了以吸收为主的屏蔽机制。选择聚酰亚胺（PI）作为织物基底，因为PI织物因其优异的热性能和机械性能而成为先进防护应用的主流选择[35]。该多层织物由两层Fe₃O₄@CNTs/PANI NFs/PI吸收层和一层PANI/PI反射层组成。通过合理共组装Fe₃O₄和CNTs，在上层和中间层精确构建出正导电性和负磁极性梯度（或正磁性和负导电性梯度）的有序界面结构，下层的PANI/PI织物通过高导电性将电磁波反射到上层。这种精心设计的梯度结构使得电磁波在穿透时经历特殊的“吸收-反射-再吸收”过程，从而主要依靠吸收而不是反射来实现衰减。通过控制电磁梯度，该多层织物的屏蔽效率超过60 dB，反射部分的屏蔽效率（SE_R）降低到了7.9%。多层织物的梯度结构对其优异的EMI屏蔽性能起着决定性作用。此外，三维网络在层与层之间形成了热空气屏障，赋予了多层织物隔热性能。

材料

苯胺（AN）、Fe₃O₄纳米颗粒和浓硝酸（HNO?）由中国上海Aladdin Reagent Co., Ltd.提供。氢氧化钠颗粒（NaOH）由中国天津Kermel Chemical Reagent Co., Ltd.提供。γ-氨基丙基三乙氧基硅烷（KH-550）由中国江苏Chenqi Functional Material Co., Ltd.提供。碳纳米管（CNTs）、过硫酸铵（APS）和十二烷基苯磺酸钠（SDBS）由中国北京InnoChem Science & Technology Co., Ltd.提供。

结果与讨论

根据我们之前的研究[35]，在PI织物上原位形成PANI-NFs包括三个步骤：首先，通过NaOH处理在PI表面产生活性位点（图2a）；然后，在聚合初期，PANI首先附着在这些活性位点上形成PANI成核中心（图2b）；最后，溶液中的AN在成核中心上进行线性组装，生长成PANI NFs（图2c）。基于此，PANI在

结论

在这项工作中，成功制备了一种具有可控电磁梯度的多层Fe₃O₄@CNTs/PANI/PI织物。研究了在不同织物基底上生长PANI NFs的表面改性和种子方法，并进行了总结。通过控制正电极性和负磁极性梯度，可以调节较低的电磁波反射率和较高的吸收率。多层织物的最小反射效率（SE_R）百分比达到了7.9%，其总屏蔽效率（SE_T）超过60 dB。

CRediT作者贡献声明

何梦娟：撰写——初稿，概念构思。崔琳琳：数据收集与整理。王曦：资源获取与方法论设计。戴申华：撰写——审稿与编辑，验证。林建云：撰写——审稿与编辑，资金争取。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：何梦娟报告称获得了江西纺织服装产业联合创新实体（项目编号：JFZX-202507）和中国教育部产学研合作教育计划（项目编号：251106747143309）的财政支持。

致谢

本工作得到了江西纺织服装产业联合创新实体（项目编号：JFZX-202507）和中国教育部产学研合作教育计划（项目编号：251106747143309）的支持。