5G通讯技术的到来，推动了各式先进电子仪器设备和联网技术的快速发展，如柔性便携式智能电子、可穿戴电子、卫星通信、飞行器、军事及医疗设备等，电磁波作为信息传输的重要媒介，也在日益快速增长中不断跃升能级。然而，电磁波技术的飞速发展在为我们生活带来便利的同时，也不可避免地带来了电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）。能量和密度不断增加的EMI辐射不仅会影响高精密电子设备的正常运行，也会对人类健康造成威胁。因此，为了有效减弱电磁辐射（Electromagnetic radiation, EMR）污染，开发新一代高性能电磁干扰屏蔽材料至关重要。
近期，南方科技大学王湘麟讲席教授、陈柔羲副教授团队与天津工业大学范杰教授团队，以“Flexible and Robust Core-Shell PANI/PVDF@PANI Nanofiber Membrane for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding”为题在《Nano Letters》上发表研究文章。文章第一作者是天津工业大学博士研究生陈明伊，南方科技大学硕士研究生李懋春和高宇非。
图1 核壳聚苯胺纳米纤维膜的合成示意图。
团队采用种子聚合法制备了核壳双重聚苯胺(PANI)纳米纤维膜。在核层中加入的本征态PANI是经过溶液共混纺丝，使其均匀的分散在整根纤维中，当纤维膜浸泡在含有苯胺的酸性介质中发生化学氧化聚合后，核层的PANI起到“晶种”的作用，同时纤维带有电荷，吸附更多的苯胺单体粘附在模板纤维表面而进行原位聚合，最终形成均匀的核壳结构。
该结构是利用了静电吸附作用和聚苯胺氢键产生的丰富附着点，让更多的PANI生长并包覆在纤维表面，大大提高了苯胺单体的利用率与单根纤维负载聚苯胺的容量，同时也让壳层PANI更加牢固的“贴附”在核层表面，确保了核壳结构和电磁干扰屏蔽性能的稳定性。纳米纤维的多层结构有利于电磁波多次反射而被损耗。因此，采用该方法制备的复合膜，综合了基底材料与PANI的特性，具有柔韧性和轻薄性的同时，也具有优异的机械强度、透气性、透湿性以及电磁干扰屏蔽性能。
图2 聚苯胺复合纳米纤维膜的形貌分析。
如图2所示，加入引发剂APS，苯胺单体迅速在纤维表面上进行聚合生长，当纤维中聚苯胺含量增加，形成的氢键越多，纤维表面因氢键而吸引靠近的苯胺单体越多，反应生长的聚苯胺就越多，最终形成结合力强且均匀的核壳结构复合膜。
图3 聚苯胺复合纳米纤维膜的性能表征。
复合膜的残余量随着聚苯胺占比增加而增加，其中30PANI/PVDF@PANI纳米纤维膜残余量最高，表明负载的聚苯胺量越高。所制备的核壳聚苯胺纳米纤维膜可以自由折叠、弯曲与扭曲，还具有强的耐磨性，说明复合膜具有优异的使用性能。
图4 聚苯胺复合纳米纤维膜的电磁屏蔽性能。
图5 核壳聚苯胺纳米纤维膜的电磁屏蔽机理。
当入射电磁波到达核壳聚苯胺纳米纤维膜的表面时，由于其壳层具有优异的导电性，导电的可移动电子与电磁波相互作用，PANI壳层和PANI/PVDF核层界面的电特性差异引起了阻抗失配，导致大多数电磁波被反射回来，其余部分进入复合膜内部。传入的电磁波与核层PANI中的大量电子相互作用，PANI自由电子发生移动并形成电流来损耗其能量。此外，纤维的分层结构也会导致电磁波在复合膜内部多次反射，电磁波的传输路径得到了扩展，最终在复合膜内外部多次反射直到完全衰减。稳定的核-壳异质结构为反射和吸收微波提供了更多的界面。
30PANI/PVDF@PANI复合膜在厚度仅为1.2mm的情况下，实现了高性能EMI屏蔽性能（44.7dB）。此外，这种独特的结构赋予PANI/PVDF@PANI复合膜显著的SE/t值372.5 dB▪ cm-1。随着静电纺丝技术的工业化发展，PANI/PVDF@PANI复合膜可实现规模化生产，满足市场对轻薄柔软电磁干扰屏蔽材料的需求。
原文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c05021
人物简介
范杰教授：天津工业大学教授，博士生导师。主要研究方向包括纤维与纤维集合体多孔介质热湿传导及分形仿生织物热湿舒适性，天然角蛋白纤维再生生物材料的制备及应用研究，在相关领域发表学术论文40余篇，已获授权发明专利13项。
陈柔羲副教授：南方科技大学材料科学与工程系与创新创业学院副教授/副研究员，硕士生导师，主要从事功能性纳米纤维的制备机理与应用研究，近年来致力于基于材料基因思想，发展功能性纳米纤维的高通量制备平台，并开展在核电军工、环境过滤、特种防护、医用敷料和能源电池方面的应用，相关研究成果已发表学术论文40余篇，申请专利50余项。
王湘麟讲席教授：南方科技大学材料科学与工程系终身教授，深圳市重点实验室副主任，广东省重点实验室学习委员会主任，材料基因大装置制备平台主任；主要研究有机聚合物材料的制备和有机无机复合材料在锂离子电池、钙钛矿太阳能电池、生物成像和生物传感器上的应用。以作者及共同作者在Science, Nature Nanotechnology, PNAS, Journal of the American Chemical Society, Chemical Society Review, and Advanced Materials等国际权威学术期刊上发表论文190多篇，被引次数超过14700次，H-Index为58。
