方便生产用于光热、电热、热电和电磁屏蔽应用的碳纳米管涂层纳米纤维

《Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers》：Facile production of carbon nanotube-coated nanofibers for photothermal, electrothermal, thermoelectric, and electromagnetic shielding applications

　　

摘要

背景

如今，全球对能源的需求不断增加，这已成为一个重要问题，主要是由于全球变暖、不可再生资源的枯竭以及污染物水平的上升。因此，需要采用替代方法来收集可再生能源并减少如二氧化碳（CO?）等气体的排放。

方法

在这项研究中，提出了一种简便、环保且成本效益高的策略来制备涂覆碳纳米管（CNTs）的聚丙烯腈（PAN）纳米纤维层。首先通过静电纺丝法制备PAN纳米纤维，然后利用丙醇辅助喷雾涂层技术沉积CNTs。所得的PAN:CNTs纳米纤维被评估为一个多功能平台，考察了其光热转换、电热性能、热电性能以及电磁干扰（EMI）屏蔽效果。

重要发现

在600 mW·cm?2的优化PAN:CNTs层中，温度升高了80.6°C，并且光热循环稳定。该层具有高效的焦耳加热效果（90秒时达到126°C），热电功率因子为652.73±0.02 nW·m?1·K?2。在124 ± 3 μm的涂层厚度下，它提供了28.61± 0.73 dB的有效X波段EMI屏蔽效果，其中吸收贡献占主导地位（23.99 ± 0.67 dB），相对屏蔽效率为231 dB·mm?1。经过反复弯曲后，屏蔽性能仍保持在10 dB以上，证实了其在机械变形下的功能稳定性。

引言

如今，多功能纳米纤维因其能够在一个单一结构中集成多种功能而受到越来越多的关注。这种能力主要得益于它们较高的比表面积和丰富的界面位点，这些位点可以促进传输和界面相互作用，从而相对于相同尺寸的块状材料和非纤维材料提高了功能性能[1]。在这方面，聚丙烯腈（PAN）因其出色的化学稳定性和优异的机械及热性能而被广泛用作功能性纳米纤维层的通用基聚合物。其可调的孔隙率和表面特性使PAN适用于灵活的多功能电子设备，包括热管理以及在弯曲条件下的温度和热流传感[2,3]。此外，由于其高碳产率以及PAN衍生碳纤维的优良性能，PAN仍然是商业碳纤维和碳纳米纤维的主要前体[[4], [5], [6]]。

电磁干扰（EMI）屏蔽涉及使用某些材料来保护电子系统免受可能影响其性能和可靠性的不需要的电磁辐射。随着电子和通信技术的快速发展，EMI已成为军事、通信、电子和医疗应用中的主要问题。屏蔽材料主要通过反射和吸收来减弱入射的电磁波，其有效性通常以分贝（dB）表示[7]。根据已建立的屏蔽概念，整体屏蔽效果通常由反射、吸收和内部多次反射的贡献共同决定[8]。由于材料选择和结构设计对屏蔽性能和机械耐久性都有显著影响，因此导电纳米材料如MXene[[9], [10], [11], [12], [13]]、还原氧化石墨烯（GO）[14]和碳纳米管（CNTs）[15]已被广泛掺入聚合物基质中以增强电导率和电磁波衰减。在这些材料中，基于CNT的复合材料即使在相对较低的填料含量下也表现出较高的屏蔽效果（SE）。例如，Jia等人[16]报道了一种CNT/PE复合材料，在仅含0.8 wt.% CNT的情况下，其EMI屏蔽效果达到46.4 dB。Al-Saleh等人[17]进一步表明，在ABS复合材料中，CNTs提供的屏蔽效果优于碳纳米纤维和炭黑，约含2 wt.% CNT时达到20 dB。

光热转换（也称为光能到热能的转换）是一种直接的能量转换过程，其中入射光被光热材料吸收并转化为热能以供后续使用[18]。光热材料（PTMs）被定义为能够捕捉光能并将其转化为热能的材料[19]。PTMs在多个领域受到了广泛关注，包括医学、能源和环境保护[19,20]。在生物医学应用中，它们可以实现局部加热用于抗菌治疗、肿瘤消融、组织修复和可穿戴技术，而有效的光热疗法需要强的近红外（NIR）吸收、高转换效率以及适当的生物相容性[19,21]。例如，Chen等人[18]开发了一种Ti?C@Au核壳系统，在1064 nm照射下实现了39.6%的光热转换效率，并有效抑制了4T1肿瘤细胞。同样，Kong等人[22]报道了一种rPMo复合材料，其转换效率高达48.4%，能够快速加热肿瘤并显著抑制肿瘤生长，同时副作用很小。

电热技术将电能转化为热能，通过焦耳加热和热耗散的平衡产生可控制的温度场[23]。电热执行器对于微机电系统（MEMS）特别有吸引力，因为它们在低电压下运行并在各种环境中产生较大的力和位移，尽管其响应速度受到热过程相对较慢的限制[24]。在系统层面，Tetteh等人[25]使用沙子实现了高达85%的电热能量存储效率，而Zhang等人[26]指出焦耳加热是导电复合材料中电能到热能转换的基本机制。基于CNT的系统表现出特别高的性能，Zou等人[27],[28],[29]报告的效率达到了74.7%，Li等人[30]在使用1.1 V电压时实现了94.5%的效率。

热电性是一种直接且可逆的热能到电能的转换：温度梯度通过塞贝克效应产生电势差，而施加的电压则通过珀尔帖效应产生加热或冷却。由于这些特性，热电装置是紧凑的固态系统，没有运动部件，因此它们在废热回收、发电和热管理方面具有很高的可靠性，尽管其相对较低的转换效率仍限制了其广泛应用[31,32]。Peng等人[33]认为热电性是将太阳能和废热转化为可用电能的有前景的方法，强调了基于聚合物的热电材料的低成本、轻便性和灵活性，适用于低温应用。作为纳米纤维层面的一个代表性例子，Ma等人[34]证明静电纺制的NaCo?O?纳米纤维在300 K时的塞贝克系数约为100 μV·K?1，电导率约为0.5 S·m?1，证实了其纤维形式下的热电响应。Wei等人[35]进一步强调了微型热电装置在与半导体系统集成用于微尺度发电、冷却和热管理方面的潜力。

尽管基于PAN的纳米纤维和含CNT的功能材料取得了显著进展，但简便地制备同时具备多种能量转换和屏蔽功能的CNT涂层纳米纤维层的策略尚未得到充分探索。在这里，开发了一种使用挥发性1-丙醇的简单且可能可扩展的喷雾涂层策略，将可控量的CNTs沉积在静电纺制的PAN纳米纤维上。1-丙醇的快速去除缩短了液体分散体在高度多孔纳米纤维结构中的停留时间，预计可以限制干燥过程中CNTs的重新分布。在最佳的CNTs负载下，该过程提供了相对均匀的涂层，并促进了PAN纳米纤维层中导电网络的形成；而过量沉积可能会影响涂层的稳定性。为了将CNTs物理沉积在纳米纤维表面和PAN层的互连孔隙中，过程中没有使用化学功能化剂、偶联剂或聚合物粘合剂，而不是与聚合物共价结合。因此，所得的CNTs网络不仅提供了电荷和热传输的路径，还增强了与入射光和电磁波的相互作用。相应地，所提出的PAN:CNTs纳米纤维结构针对四个集成功能进行了系统评估：光热转换、电热加热、热电响应以及通过光到热转换、焦耳加热行为、热电压生成和电磁波衰减的EMI屏蔽。还研究了反射和吸收的屏蔽贡献，以及重复弯曲下的屏蔽性能保持情况。

节摘

材料

聚丙烯腈（PAN）共聚物粉末由Polyacryl Co.（伊朗伊斯法罕）提供，其组成为93.9 wt.%丙烯腈、6.0 wt.%甲基丙烯酸酯和0.1 wt.%甲基丙烯磺酸钠。N,N-二甲基甲酰胺（DMF，实验室级）由Notron Co.（伊朗德黑兰）提供。多壁碳纳米管（MWCNTs，平均直径：8–20 nm，长度：1–2 μm，纯度≥95%）购自VCN Nanomaterials Co.（伊朗布什尔）。1-丙醇（超纯）来自Ameretat Shimi Pharmaceutical Co。

PAN:CNTs纳米纤维的表面形态

场发射扫描电子显微镜（FESEM）是一种先进且实用的技术，常用于研究薄膜和粉末的表面形态[40,41]。图2展示了静电纺制PAN纳米纤维的表面形态及其直径分布曲线。图2(a)、2(b)和2(c)分别显示了放大倍数为4000倍、16,000倍和60,000倍的PAN纳米纤维（PAN:CNTs-1:0）的FESEM图像。

结论

在这项工作中，通过结合静电纺丝和喷雾沉积的方法，建立了一种简单且环境友好的策略来制备涂覆CNT的PAN纳米纤维层，作为一个集成的多功能平台。通过改变CNT的负载量，PAN:CNTs-1:1.5的组合物展现了最佳的整体性能组合，包括光到热转换、稳定的焦耳加热、热电响应以及主要由吸收主导的有效X波段EMI屏蔽效果。重要的是，优化的...

资金

本研究未获得任何公共部门、商业部门或非营利部门的特定资助。

伦理声明

不适用。

出版同意

不适用。

CRediT作者贡献声明

Fatemeh Farzadmehr：撰写——原始草稿、可视化、验证、调查、数据分析、概念化。Komeil Nasouri：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理和方法论、调查、概念化。Mansoor Mandegari：撰写——审稿与编辑、调查、数据分析、概念化。

Fatemeh Farzadmehr|Komeil Nasouri|Mansoor Mandegari

伊斯法罕技术大学纺织工程系，伊斯法罕 84156-83111，伊朗