具有令人兴奋特性的结构-功能一体化的聚合物纤维在下一代技术中的重要性日益增加。在此，报告了具有高导电性、高强度和轻质特点的结构功能集成石墨烯-Skinned芳纶纤维（GRAF），该纤维编织后可有效屏蔽电磁干扰（EMI）。以芳纶聚阴离子（APA）为粘合剂和蚀刻剂，通过浸涂策略将石墨烯自组装到芳纶纤维表面。分子动力学（MD）模拟结果表明，APA 改性芳纶链与石墨烯的结合能（1.3 J/m²）高于芳纶链与石墨烯的结合能（0.2 J/m²）。APA具有更高的表面能（55.2 mJ/m²），可以蚀刻纤维表面，形成凹槽，从而使石墨烯能够有效吸附并自组装到纤维表面。GRAF 的导电率高达 1062.04 ± 116.78 S/m，同时具有出色的强度（4.66 ± 0.16 GPa）和模量（106.33 ± 8.21 GPa），优于大多数已报道的导电复合纤维（如天然纤维、聚合物基纤维、无机纤维等）。使用结构功能集成GRAF编织的功能织物在 X 波段的电磁干扰屏蔽效率（SE）高达67.86 dB，在12 V电压下可在 40 秒内迅速加热至 200 °C。此外，GRAF 织物在长期洗涤后仍能保持导电性，显示出卓越的耐洗涤性。这项研究展示了一种制造结构功能集成材料的有效方法，并显示了碳烯纤维用于 EMI 屏蔽的前景。
  
 
Fig 1. GRAF 的制备过程及其在电磁防护中的应用示意图。 AF 是芳纶纤维；APA 是芳纶聚阴离子；APAF 是 APA 改性芳纶纤维；GRAF 是石墨烯护肤芳纶纤维。
 
 
Fig 2. GRAF 的特征。（a） AF、（b） APAF 和 （c） GRAF 的 SEM 图像。（c） 中的左侧插图是 AF 和 GRAF 的照片。（d） GRAF轴向截面的SEM照片。（e， f）GRAF 轴向横截面的 TEM 图像。（g） 石墨烯粉末和 GRAF 的拉曼光谱。（h） AF、APA、APAF 和 GRAF 的 FTIR 光谱。（i） 涂布后 APAF 和 GRAF 的增重比。
 

Fig 3. APA 粘合剂层的工作机制。（a） AF、GAF 和 GRAF 的 OM 图像。（b） AF、APAF 和 GRAF 的粗糙度。（c） AF、APAF、GRAF 和 APA 的表面自由能和水接触角。（d） AF、APA 和 APAF 与石墨烯相继吸附的分子动力学模拟。（e） AF 链和石墨烯（绿点）、APAF 链和石墨烯（粉点）、APA 链和石墨烯（蓝点）的结合能。
 

Fig 4. 设计的 GRAF 的机械和电气性能。（a） 不同纤维的应力-应变曲线。（b） 不同纤维的拉伸强度和 Young 模量的比较。（c） 不同纤维的断裂伸长率和韧性比较。（d） 不同纤维的电导率曲线。（e） 不同洗涤时间纤维的电导率比较。（f） 不同导电复合纤维和我们制备的纤维的导电性和拉伸强度的比较。
 

Fig 5. GRAF 织物及其电磁干扰屏蔽性能。（a） 数码照片，（b） SEM 图像，以及 （c） GRAF 织物的薄层电阻映射。（d） 8.2–12.4 GHz 频率范围内各层 GRAF 织物的 EMI 屏蔽性能。（e） GRAF 织物的功率系数 A、R 和 T。（f） 不同层的 GRAF 织物的 SE_T、SE_R 和 SE_A 值。（g） GRAF 织物的 EMI SE/含量与已报道的不同厚度的 EMI 屏蔽材料的比较。（h） GRAF 织物的 EMI 屏蔽机制。
 
       相关研究工作由北京大学Jin Zhang/ Xin Gao/Kun Jiao等人于2024年在线发表在《ACS NANO》期刊上，Structural–Functional Integrated Graphene-Skinned Aramid Fibers for Electromagnetic Interference Shielding，原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c11782

转自《石墨烯研究》公众号