《Materials Science and Engineering: B》：Lightweight, flexible nanocomposite films: PVA/PANI/HNT@GNP for EMI shielding application
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M. Supreetha | Anitha S. Prasad | U. Meghana | M.G. Veena | Pawandeep Kaur | S. Bindya | H.C. Shubhada | A.P. Gnana Prakash
印度迈索尔大学Hemagango
M. Supreetha | Anitha S. Prasad | U. Meghana | M.G. Veena | Pawandeep Kaur | S. Bindya | H.C. Shubhada | A.P. Gnana Prakash
印度迈索尔大学Hemagangotri研究生院电子研究系，Hassan 573220
摘要
为了应对电磁干扰问题，我们制备了基于PVA/PANI的柔性纳米复合材料薄膜，并其中加入了石墨烯纳米片（GNP）和哈洛石纳米管（HNT）。这些薄膜采用溶液浇铸技术制备而成。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射光谱（XRD）证实了混合基体的分子相互作用和晶体特性，而扫描电子显微镜（SEM）图像则显示了HNT的棒状分布及GNP的片状结构。在X-band（8.2–12.4 GHz）范围内的电学分析表明，随着填料含量的增加，材料的交流导电性和介电性能得到提升，其中GNP含量最高的样品表现出最佳的导电性。所制备的PVA/PANI/4wt%HNT@12wt%GNP聚合物纳米复合材料的总屏蔽效果约为35–38 dB，其趋肤深度约为2.3 × 10?? m。研究结果表明，导电性和介电性纳米填料的协同结合使得这种材料具备轻质、热稳定性和高性能的特点，非常适合用于可穿戴和便携式电磁干扰（EMI）防护应用。
引言
近年来，诸如航空航天系统、软体机器人、可穿戴设备、医疗诊断和物联网等新兴应用领域对材料提出了灵活、轻便和多功能性的要求。然而，高频电路和传感器中的紧密封装会增加电磁干扰的风险，从而导致信号丢失、设备故障或系统失效。传统的金属屏蔽材料（如铜或铝）虽然导电性能优异，但密度大、刚性高且易腐蚀，这限制了其在柔性电子产品中的应用[1][2][3][4][5][6][7]。
基于聚合物的纳米复合材料因其可调节性、可加工性以及能够同时掺入导电和介电填料而成为有前景的替代品。导电填料通过散射和反射作用形成屏蔽网络，而介电填料则通过界面极化增强屏蔽效果。本研究采用声辅助方法合成了含有石墨烯和镓纳米粒子的PEDOT:PSS，用于制备柔性电磁屏蔽涂层。该涂层在织物基底上表现出优异的导电性和均匀性，这得益于导电损耗与界面极化机制的协同作用[8]。仿生结构的电磁屏蔽复合材料（如外壳质和蜂窝结构）通过促进多次内部反射和界面极化来增强屏蔽性能[9]。结合碳纳米结构（如石墨烯）和介电填料的聚合物纳米复合材料由于渗透诱导的导电网络和强界面极化作用，展现出更强的电磁屏蔽效果[10]。聚乙烯醇（PVA）因其成膜能力、生物相容性和稳定性而被选为这类材料的理想基体。PANI是一种具有优异光学、电学和热学性质的导电聚合物，是聚合物纳米复合材料中的重要填料。PVA形成的导电网络显著提升了材料的导电性。这类导电复合材料广泛应用于电磁屏蔽、电子设备和显示电极等领域[11][12]。
通过添加合适的纳米填料，可以进一步改善材料的电学和电磁屏蔽性能。基于碳的异质结构在先进电磁器件中表现出优异的宽频段微波吸收特性[13][14][15][16]。石墨烯纳米片（GNP）具有高导电性和较大比表面积，有助于在聚合物基体内形成高效的导电通道；相比之下，哈洛石纳米管（HNT）具有介电性、热稳定性和生物相容性，并能增强材料的机械强度和界面极化效应[7][13][18][19]。所制备的PVA/PANI/HNT@GNP纳米复合材料由于结合了轻质纳米填料（如GNP和HNT），实现了性能优化。这些纳米填料在材料内部形成了分层网络：GNP提供大面积的反射表面，HNT的管状结构则起到间隔作用，防止GNP聚集并促进其均匀分散，从而与PVA共同形成高效的导电网络。此外，使用可溶液处理的PVA基体和纳米填料使得浇铸和涂覆等低成本、可扩展的制备方法成为可能。因此，本研究中采用了GNP/HNT作为混合纳米填料，与PVA/PANI共混制备了聚合物纳米复合材料，并对其结构、形态、电学性能和电磁屏蔽效果进行了研究。
部分摘要
材料
聚乙烯醇（PVA，分析级）、苯胺单体、过硫酸钠（SPS）、盐酸（HCl，37%）、石墨烯纳米片（GNP）、哈洛石纳米管（HNT）和二甲基甲酰胺（DMF）均购自Sigma-Aldrich Chemical Pvt. Ltd。所有溶液的制备均使用蒸馏水作为溶剂。
PANI的合成
通过氧化聚合法制备了PANI导电纳米粉末[28]。首先制备过硫酸钠（Na?S?O?）溶液：
结果与讨论
对制备的纳米复合材料进行了电学、形态学、结构及屏蔽效果的检测。详细讨论见下文。
结论
采用溶液浇铸技术成功制备了柔性PVA/PANI/HNT@GNP聚合物纳米复合材料，并研究了其在X-band（8.2–12.4 GHz）区域的电磁干扰（EMI）屏蔽性能。XRD、FTIR和SEM分析证实了石墨烯纳米片和哈洛石纳米管在PVA/PANI基体中的均匀分散和有效结合。电学测试结果显示材料的交流导电性得到显著提升。
作者贡献声明
M. Supreetha: 负责原始稿件的撰写、软件开发和方法论设计。Anitha S. Prasad: 负责稿件的审阅与编辑以及监督工作。U. Meghana: 参与方法论设计和概念构思。M.G. Veena: 参与数据验证、项目监督和软件开发。Pawandeep Kaur: 负责稿件的审阅与编辑。S. Bindya: 负责稿件的审阅与编辑。H.C. Shubhada: 负责稿件的审阅与编辑。A.P. Gnana Prakash: 负责稿件的审阅与编辑、数据验证及项目监督。
资助情况
作者本项研究工作未获得任何公共或私人基金机构的资助。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
