用于耐用电子应用的多功能表面改性镍/碳纳米管聚丙烯腈针织面料

《Surfaces and Interfaces》：Multifunctional polyacrylonitrile knitted fabric with surface modified nickel/ carbon nanotubes for durable electronic applications

　　

PAN针织面料经过碱处理、碳纳米管（CNTs）和镍电沉积改性。表面改性后的PAN面料显示出15.29 emu/g的饱和磁化强度和21.11±2.53 S/m的导电性。优化后的面料在10 V下展现出24.25±0.37 dB的EMI屏蔽效能和130°C的电热性能。引言电子系统主要利用电磁波（EMWs）作为信息转换和信号传输的重要媒介[1]。电磁波会对人体健康产生负面影响，导致肌肉痉挛、头痛、睡眠障碍甚至情绪不稳定等预警信号。开发用于微波频段（频率范围为300 MHz至300 GHz）电磁干扰（EMI）屏蔽的纺织材料已成为重要课题。柔性纺织结构的EMI屏蔽可增强环境安全性，延长电子系统的使用寿命，并提高频率资源的有效利用率[2]。传统上，银、铜、铁、镍和钴等金属用于EMI屏蔽。在各类金属中，镍颗粒因具有高导电性、磁性、热学性能、防腐蚀性和微波吸收特性而被认为特别有用[3]。此外，为了改善整体EMI屏蔽性能，各种高效屏蔽材料以及碳同素异形体、本征导电聚合物和MXene纳米片被引入纺织基体中[4]。其中，碳纳米管（CNTs）因其相对于大多数其他碳同素异形体具有合适的机械和电学性能，被认为是前景广阔的导电纳米材料[5]。除了高导电性外，CNTs还展现出高纵横比和低密度等独特特征，使其成为开发具有有效EMI屏蔽能力的材料的合适添加剂。值得注意的是，CNTs已被研究用于EMI屏蔽应用，与其他碳同素异形体相比，它们在具有优异机械、电学和热学特性的同时，所需的负载量相对较低[4]。近年来，研究人员使用化学镀和/或浸涂方法研究了镍和/或CNTs涂覆面料用于EMI屏蔽应用。Qi等人[6]研究了Ni/CNTs/棉织物复合材料，表明CNTs沉积在棉织物上形成了连续的导电通路，而化学镀镍-磷（Ni-P）处理进一步将导电性提高到1 S/m以上。在2–18 GHz范围内的总EMI屏蔽效能从CNTs/棉织物的4.7–8.6 dB增加到Ni-P/棉织物的22–37.1 dB和Ni-P/CNTs/棉织物的35.5–40.2 dB。这些发现表明，连续的导电网络和致密的镍涂层改善了复合材料的整体EMI屏蔽性能。Liu等人[7]研究了聚吡咯（PPy）和Ni/PPy涂覆的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）织物的EMI屏蔽。平均导电率从PPy-PET织物的8–15 S/cm提高到镍涂层后的90 S/cm以上。相应地，X波段的屏蔽效能从PPy-PET织物的4–8 dB提高到Ni/PPy-PET的62.6 dB。Park等人[8]证明，MXene涂覆的PET织物随着浸涂干燥周期的增加，EMI屏蔽性能得到改善，10个周期的屏蔽效能达到约30 dB。镍电沉积将单层织物的导电率和屏蔽效能分别提高到113.8 S/m和36 dB。镍层改善了长期稳定性，限制了MXene的氧化并维持了屏蔽效能。Xie等人[9]报道了MXene@CNTs/棉层用于EMI屏蔽应用。随着CNTs含量的增加和均匀层的形成，其屏蔽效能从37 dB增加到46 dB。MXene和CNTs提供了机械稳定性，使屏蔽性能在弯曲时得以保持。这些特性使MXene@CNT/棉复合材料适用于防护应用。根据这些研究，目前似乎尚无关于在聚丙烯腈（PAN）针织面料上使用镍电沉积和CNTs浸涂进行屏蔽应用的研究。近期的表面改性策略还表明，分级导电涂层可以改善界面稳定性和多功能性能。Wang等人[10]通过逐步浸渍制备了MXene/PEDOT:PSS涂覆的PET织物，其中PEDOT:PSS作为导电和粘合中间层。Yan等人[11]在棉织物上构建了分级MXene/银纳米线网络，用于EMI屏蔽和焦耳加热应用。这些研究强调了连续导电网络和受控界面的重要性。相比之下，本工作使用了碱改性PAN针织面料，随后进行CNTs浸涂和镍电沉积。各种PAN针织面料已被开发用于多种应用，包括超强吸水性、过滤介质、防静电、离子交换、传感器和抗菌纺织材料[12]。PAN纤维对广泛的化学品具有高抵抗力，并能有效耐受酸和弱碱[13]。PAN主链上氰基的存在为PAN纤维的多样化改性提供了机会，以满足特定应用需求。据报道，PAN的水解是制备超强吸水结构的替代方法。PAN纤维会发生化学和颜色变化；最初，碱改性纤维表面并渗透到其内部结构中。水解PAN的最终化学转变导致沿聚合物主链形成酰胺基团。这种聚丙烯酸盐盐赋予水解PAN超强吸水特性，使其可用于生产高吸水性纤维的多种应用[12]。在本工作中，部分水解形成的极性基团为后续CNTs的沉积提供了可能的相互作用位点[12,14]。PAN针织面料作为电绝缘材料，因其化学稳定性和对化学处理的强抵抗力而被用作基板。为赋予导电性，CNTs通过浸渍技术涂覆在表面改性后的PAN针织面料上。镍纳米颗粒通过电沉积技术沉积在面料表面。CNTs与镍纳米颗粒的结合形成了复合导电-磁性层，可衰减电磁波并产生电热加热。所开发的面料轻质，主要用于屏蔽电子设备和受控电热组件，而非直接接触皮肤的服装。其成本优势仅进行了定性讨论，因为不同报告系统的处理规模和原材料价格存在差异。本研究的创新之处在于：(i)使用表面改性PAN针织面料作为Ni/CNTs混合涂层的轻质基板；(ii)开发用于电子应用的多功能面料；(iii)将碱处理、浸涂和电沉积步骤应用于PAN面料；(iv)展示了弯曲耐久性和令人满意的耐洗性。与先前报道的镍和/或CNTs涂覆的棉和PET面料[[6], [7], [8], [9]]不同，本设计利用PAN部分水解形成的官能团促进CNTs的附着和后续镍的沉积。所开发的面料因此旨在用于柔性电子屏蔽和受控电热组件。材料本研究使用了面密度为275 g/m2、厚度为0.97±0.02 mm的双面经编PAN针织面料作为基板。非离子表面活性剂（zed oil s100）、氢氧化钠（NaOH，MW=39.99 g/mol，Merck）、盐酸（HCl 37%，MW=36.34 g/mol，Merck）、多壁碳纳米管（CNTs，纯度>95%，直径=20-30 nm，长度=5-10 μm，VCN material）、六水合硫酸镍（NiSO4·6H2O，MW=262.8 g/mol，工业级）、六水合氯化镍（NiCl2·6H2O，表面改性针织面料的表面形貌图2展示了原始PAN和碱处理PAN织物在不同放大倍数（×110、×1000和×4000）下的FESEM图像。这些放大倍数使得能够在不同尺度上评估织物结构，包括针织结构的宏观线圈配置、单根纤维的排列以及纤维表面的微观结构特征。未处理的PAN织物用非离子洗涤剂清洗，以去除源自的残余杂质结论PAN针织面料首先用碱处理以创造极性官能团，然后涂覆CNTs。通过电沉积沉积镍颗粒以增强EMI屏蔽和电热性能。研究了CNTs和镍涂覆PAN针织面料的表面形貌和微观结构。结果表明，镍对电导率、饱和磁化强度和整体EMI屏蔽效能做出了重要贡献。投稿清单在提交稿件PDF文件前请检查以下几点。不符合要求的稿件可能会被退回进行修正和重新提交。您应该能够对以下所有问题回答"是"。•稿件是否采用双倍行距，字体大小为12 pt（首选Times或Times New Roman）？是•是否提供了所有合作者的完整地址和所属单位？是•通讯作者是否用星号（*）标识，并提供了其联系方式（电话作者贡献G Ghaneian：验证、调查、数据整理、可视化、撰写初稿、方法论、正式分析、概念化。H Moradi：概念化、调查、正式分析、表征、撰写初稿。K Nasouri：监督、方法论、撰写审稿与编辑、项目管理、概念化、资源、调查。利益冲突作者声明无竞争利益。数据可用性声明作者确认，支持本研究结果的数据可在文章内获得。伦理声明不适用。出版同意书不适用。资金本研究未获得公共、商业或非营利机构基金会的任何特别资助。CRediT作者贡献声明Ghazal Ghaneian：撰写初稿、验证、调查、正式分析、数据整理、概念化、方法论、可视化。Hamidreza Moradi：撰写初稿、验证、调查、正式分析、概念化。Komeil Nasouri：撰写审稿与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、概念化、调查。利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能影响本文所报告的工作。Ghazal Ghaneian | Hamidreza Moradi | Komeil Nasouri