多巴胺辅助的芳纶纳米纤维/剥离石墨复合薄膜，具有高机械强度、热稳定性、焦耳热效应以及优异的电磁屏蔽性能

《Composites Communications》：Polydopamine-assisted aramid nanofiber/exfoliated graphite hybrid films with high mechanical strength, thermal stability, Joule heating, and EMI shielding performance

EMI屏蔽材料开发：聚多巴胺辅助芳纶纳米纤维/膨胀石墨复合薄膜的制备及其多功能性能研究

　　

Jin-Hyeok Park | Hyung-Ho Choi | Seung-Hun Chae | Yujin Noh | In-Hee Kim | Young Gyu Jeong

韩国忠南国立大学应用有机材料工程系，大田，34134

摘要

先进的电磁干扰（EMI）屏蔽材料具有卓越的多功能性能，如提高的热性能和机械性能，对于汽车、航空航天和电信等领域的现代电子系统的发展至关重要。在本研究中，我们通过简单的真空过滤和热压工艺制备了聚多巴胺（PDA）辅助的芳纶纳米纤维/剥离石墨（ANF/PDA/EG）复合薄膜。PDA的引入增强了ANF与EG之间的界面相互作用，改善了分散性、机械强度、电导率和阻燃性能。优化后的ANF/PDA/EG复合薄膜在8-12 GHz频率范围内的电导率约为12.2 S/cm，EMI屏蔽效果高达约304.0 dB/mm，优于未添加PDA改性的ANF/EG复合薄膜。此外，这种复合薄膜在低电压（1-3 V）下表现出优异的焦耳加热性能，可达到38-143°C的稳定温度，并且由于PDA的成炭能力而具有更好的阻燃性能。这些发现突显了ANF/PDA/EG复合薄膜作为高性能多功能EMI屏蔽材料的潜力，其在下一代电子和热管理应用中具有巨大潜力。

引言

随着科学技术的不断进步，电子设备和无线通信系统在日常生活中变得越来越重要。虽然这些创新带来了极大的便利，但同时也导致了不可避免的电磁（EM）污染和干扰。电磁辐射不仅会干扰电子设备的正常运行，还可能对人类健康构成潜在风险。因此，有效阻挡电磁波传输已成为一个关键问题。此外，对便携式和可穿戴智能电子产品的需求不断增加，这要求EMI屏蔽材料具备更高的屏蔽效率、热稳定性和机械强度[1,2]。 EMI屏蔽是通过反射、吸收和多次内部波反射来实现的。屏蔽材料的性能通常通过其屏蔽效率（SE）来量化，该指标衡量了电磁波传输的减少程度。为了提高EMI屏蔽效果，人们探索了多种策略，包括引入导电填料。纳米填料，特别是碳基纳米材料[[3], [4], [5], [6]]、金属纳米颗粒[[7], [8], [9], [10]]、MXenes[[11], [12], [13], [14]]等，因其优异的电导率和独特的结构特性而被广泛使用，从而显著提高了EMI屏蔽效率。 碳基纳米填料，包括还原氧化石墨烯（rGO）、剥离石墨（EG）、碳纳米管（CNTs）和碳纳米纤维（CNFs），因其优异的导电性、高表面积和可调性质而被认为是有效的EMI屏蔽材料[3,15,16]。特别是基于石墨烯的材料，由于其固有的导电性、机械强度和易于功能化的特点而具有显著优势。然而，挑战在于如何在填料和聚合物基体之间实现均匀分散和强界面结合，以确保高效的电导率和整体材料性能。 聚合物纳米复合材料因其柔韧性、易于加工以及能够针对特定应用定制性能而受到广泛关注[17]。环氧树脂、聚酰亚胺和热致性液晶聚合物等聚合物常与导电纳米填料结合使用，形成兼具高导电性和柔韧性的复合薄膜。将功能化填料（如聚多巴胺（PDA）或硅烷处理的碳基纳米材料）与聚合物基体集成，可以通过改善填料的分散性和促进更强的界面相互作用来进一步增强这些复合材料的性能。 使用芳纶纳米纤维（ANFs）作为增强剂，并结合基于石墨烯的纳米碳和功能化多巴胺制备复合薄膜，为提高复合薄膜的电导率、热稳定性、机械强度和EMI屏蔽性能提供了一种有前景的策略[18,19]。芳纶纤维以其高强度和热稳定性而闻名，但其在聚合物基体中的分散性较差，可能限制其潜力。然而，用PDA（一种能够形成强氢键的多酚化合物）对ANFs和基于石墨烯的纳米碳进行功能化处理，可以改善填料与聚合物基体之间的分散性和界面结合。 本研究首次探讨了通过原位合成的PDA与ANFs和EG分散液结合制备复合薄膜的方法。系统分析了这些薄膜的结构、机械、热性能、电性能、焦耳加热性能和EMI屏蔽性能，以评估不同EG含量和PDA处理对整体性能的影响。本研究的结果为聚合物纳米复合材料在EMI屏蔽领域的应用提供了新的知识，强调了复合材料在高性能、多功能应用中的潜力，特别是在汽车、航空、通信和可穿戴系统中的应用。本研究的新颖之处在于它探索了ANF、EG和PDA之间的协同效应，重点研究了PDA如何改善EG的分散性并增强复合薄膜的整体热性能、机械性能和电性能。这种方法不仅推动了有效EMI屏蔽材料的发展，还为设计具有多种功能的高性能聚合物纳米复合材料铺平了道路。

材料

芳纶纤维（AF）浆料由Hyosung Advanced Materials公司提供。平均直径约为500 μm的天然石墨（NG，等级3061）从Sigma-Aldrich公司购买。硝酸（75.0%）、硫酸（95.0%）、氯化钾（99.5%）、DMSO（99.8%）和氢氧化钾（85%）从Samcheon Chemical公司购买。盐酸多巴胺（DA）（≥98.0%）从Sigma-Aldrich公司购买。Tris缓冲液（pH 8.5）从Chuncheon Bioindustry Foundation购买。

ANF/PDA/EG复合薄膜的制备

一系列...

微观结构表征

图2A–H展示了NG、AG、EG、AF和ANF的SEM和TEM图像。与NG相比，AG的直径更小，表面由于酸处理而更具纹理。EG的直径约为4 μm，呈现出类似蠕虫或手风琴的结构（见图2C和G）。AF的表面光滑，纤维直径约为10 μm（见图2D）。脱质子化处理后...

结论

在本研究中，我们成功制备了具有增强机械强度、热稳定性、焦耳加热能力和EMI屏蔽效率的PDA辅助ANF/EG复合薄膜。使用PDA对ANF和EG进行非破坏性修饰显著提高了它们在复合薄膜中的界面相容性。PDA的儿茶酚和芳香族官能团通过氢键作用牢固地附着在ANF和EG的表面上，防止了团聚现象。

CRediT作者贡献声明

Jin-Hyeok Park：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法学设计、实验研究、数据分析。 Hyung-Ho Choi：方法学设计、实验研究、数据分析。 Seung-Hun Chae：方法学设计、实验研究、数据分析。 Yujin Noh：方法学设计、实验研究、数据分析。 In-Hee Kim：方法学设计、实验研究、数据分析。 Young Gyu Jeong：撰写 – 审稿与编辑、验证、项目管理、方法学设计、实验研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了韩国贸易、工业与能源部（MOTIE）资助的“产业战略技术发展计划”（项目编号：20026462、2024-00431451）的支持。