通过水力碰撞法改善Ti3C2T/X/CNF复合纸的电磁干扰屏蔽性能和机械性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Enhanced Electromagnetic Interference Shielding and Mechanical Properties of Ti 3C 2T X/CNF Composite Paper through Aqueous Counter Collision Method

MXene/CNF复合材料通过水相对撞法（ACC）显著提升机械稳定性和电磁屏蔽性能，与传统均质化（HMG）法相比，ACC法制备的复合膜在90wt% Ti?C?T?时屏蔽效能达42.1dB（厚度31μm），75wt%时拉伸强度达121.6MPa。研究证实ACC法通过表面亲水/疏水双亲性调控增强纤维分散性，形成稳定氢键网络，从而改善复合材料的综合性能。

　　Ti?C?T?，一种具有高导电性的二维材料，因其在电磁干扰（EMI）屏蔽方面的潜力而备受关注。然而，在机械应力作用下，其结构稳定性往往面临挑战。为解决这一问题，研究者尝试将具有高机械强度的纤维素纳米纤维（CNF）与Ti?C?T?结合，通过形成强氢键网络来提升MXene的结构稳定性，从而改善其在极端条件下的整体性能。传统上，Ti?C?T?和CNF都具有亲水性表面，因为它们含有羟基基团，因此通常采用常规的均质化（HMG）方法进行混合。然而，这种方法在实现均匀、高度分散的复合材料方面存在局限，尤其是在不同Ti?C?T?合成方法带来的表面功能差异影响下。为此，我们首次采用水相碰撞（ACC）方法制备Ti?C?T?/CNF复合材料，这种方法能够合成具有两亲性表面特性的CNF。

通过ACC方法，我们成功制备了具有更佳分散性的复合材料，即使对于含有氟和其他表面基团的Ti?C?T?也表现出良好的分散性。增强的分散性通过悬浮液的稳定性以及对薄膜结构和化学成分的详细分析得到了验证。值得注意的是，由ACC方法制备的含有75% Ti?C?T?的复合材料，其拉伸强度是HMG方法制备样品的两倍以上。此外，该复合材料还展现出优异的EMI屏蔽性能，在90% Ti?C?T?含量下，其特定EMI效果指数达到10,029×103 dB·cm2·g?1。此外，该纳米复合材料在高湿度环境下表现出良好的稳定性，所有配方在浸泡96小时后电阻增加幅度均小于5%。综上所述，ACC辅助的Ti?C?T?/CNF复合材料为开发高性能EMI屏蔽材料提供了一种有前景且创新的策略，适用于多种应用场景。

随着电子和移动通信技术的快速发展，人们的生活质量得到了显著提高，但同时也带来了电磁干扰和辐射暴露的增加，导致数据失真和健康问题。传统的EMI屏蔽材料多为导电金属，这些材料虽然具有良好的屏蔽性能，但存在重量大、易腐蚀、加工困难等问题，限制了它们在现代可穿戴和智能设备中的应用。因此，迫切需要开发具有柔韧性、轻量化和耐用性，并具备广泛吸收能力的新型材料，以有效替代金属在EMI屏蔽中的使用。MXenes作为一种具有高导电性的二维材料，具有优异的机械柔韧性、可调节的表面化学特性、亲水性和易于加工的优势，使其成为下一代EMI屏蔽材料的有力候选者。相比传统金属和碳基材料，MXenes在EMI屏蔽方面展现出独特的性能，因此，研究者正在积极开发各种形式的MXene材料，如薄膜、纤维和其他织物，以实现其在EMI屏蔽中的应用。

特别是在电磁波屏蔽方面，金属MXenes主要通过反射机制实现屏蔽效果，因此，研究重点集中于通过添加磁性纳米颗粒或创建多孔结构等方法增强电磁波的吸收能力。尽管MXenes具有良好的机械强度，但其固有的处理限制使得在实际应用中，需要与多种类型的聚合物复合材料结合使用，以提升其性能和应用范围。其中，纤维素纳米纤维（CNF）被认为是一种有前景的填充材料，因为它们在多糖链中具有丰富的强分子间和分子内氢键，从而展现出高达100至200 GPa的弹性模量和约4.9至7.5 GPa的拉伸强度。此外，CNF还具有极低的密度、高热导率和良好的环境稳定性，使其在电子设备和航空航天等领域具有广泛应用的潜力。因此，MXene/CNF复合材料结合了MXene和CNF的固有特性，被视为一种具有高性能的电磁干扰屏蔽材料。

MXene/CNF复合材料的优异性能来源于MXene与CNF之间形成的强而稳定的氢键网络。MXene的表面功能基团，如氧、羟基和氟，能够与CNF的羟基基团形成牢固的键合，从而构建稳定的多相界面，并借助MXene的高电负性实现良好的分散性。为了提高分散性，通常在制备Ti?C?T?/CNF复合材料时使用均质器。然而，当CNF含量达到约25%时，材料的导电性会出现明显下降。为解决这一问题，研究者引入了先进的混合方法，如水相碰撞（ACC）工艺。ACC方法利用高压水流在碰撞区形成湍流条件，显著增强了MXene层的剥离效果。该工艺不仅有助于打破层状结构，还促进了材料的均匀混合。通过ACC方法合成的CNF具有两亲性表面特性，使其能够与不同表面功能基团的MXene良好分散，从而提高材料的导电性和均匀性，即使在增加CNF含量的情况下也能保持较高的性能。然而，尽管ACC方法具有诸多优势，目前尚未有相关研究报道使用该方法制备MXene/CNF复合材料，这使得ACC方法在高性能材料开发中具有潜在价值。

本研究采用ACC方法制备了Ti?C?T?/CNF复合纸，用于柔性EMI屏蔽，并将其与通过常规均质器（HMG）方法制备的样品进行了比较。首先，分别采用ACC和HMG方法制备了Ti?C?T?和CNF的分散液，并对其分散稳定性进行了评估。接着，通过真空过滤法从每种分散液中制备薄膜，并利用多种结构和化学表征技术对其微观结构和键合特性进行了分析。特别是，我们对基于Ti?C?T?表面功能基团的组成和混合方法的不同情况下的微观结构和键合特性进行了比较研究。随后，对每种复合薄膜的电导率、EMI屏蔽效果以及机械性能，包括杨氏模量、断裂强度和应变等进行了测量，以探讨微观结构变化如何影响各复合薄膜的性能。通过这些分析，我们旨在提出一种使用ACC方法制备MXene/CNF复合材料的新工艺，该工艺能够实现优异的机械和电磁屏蔽性能。