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  近些年來，隨著柔性電子工業的迅速發展，多功能復合材料的制備與研究愈發引起了人們的關注。水性聚氨酯（WPU）因其優異的成膜性，形成的膜具有出色的力學性能而被廣泛應用。與此同時，在聚合物基體中引入金屬銀（Ag），其高導電導熱性賦予了復合薄膜多功能化的可能。但是Ag填料在聚合物基體中的分散性一直以來都是一個難題，金屬在常規溶劑中的不溶，及微觀尺度上的自發團聚，很大程度上限制了實際應用。因此，提高填料的分散性，是保證復合材料可靠性能的關鍵。

  基于此，鄭州大學申長雨院士和劉春太教授團隊的劉憲虎博士課題組通過引入Capstone FS-30含氟表面活性劑的方法，降低去離子水的表面張力，并提高微米級片狀Ag在溶劑中的潤濕性，改善了填料在聚合物基體中的分散性。通過簡單的溶液共混及噴涂技術，實現了超薄、超輕、力學性能優異的WPU/Ag復合薄膜的制備，該復合薄膜在電磁屏蔽，電熱性能和應變傳感器等方面都有著令人驚喜的表現。

圖1 (a)WPU/Ag復合薄膜的制備過程示意圖；所制備的薄膜具有(b-d)優異的柔性和(e)高導電性。

  加入Capstone FS-30后，片狀Ag能夠良好地分散在WPU基體中，并通過噴涂技術，制備了厚度為50μm的WPU/Ag復合薄膜。活性劑由親水的環氧乙烷鏈和疏水的碳氟化合物鏈組成。C-F尾部的疏水性使其傾向于集中在液-氣界面上，因此Capstone FS-30可以為水性產品提供較低的表面張力（約21 mNm^-1），Ag片可以更好地分散在體系中，提升了復合材料的結構穩定性。

圖2 WPU/Ag復合薄膜的微觀形貌結構。

  通過觀察薄膜橫截面的微觀形貌，可以看到片狀Ag均勻地分散在基體中。隨著填料含量的上升，“磚-泥”結構更加明顯，Ag片像磚一樣被WPU所扮演的“泥”牢牢地包裹，在面內方向不斷重疊與擴散，并出現了分層現象。Ag搭接構成了相應的通路，理想網絡結構的建立，對復合材料的性能有著重要的影響。

圖3 WPU/Ag復合薄膜的電磁屏蔽性能。

  電磁性能測試中，Ag片含量為70wt%時，WPU/Ag復合薄膜的電導率可達1101.3S cm^-1，展現了優異的導電性能。在厚度僅為50μm的條件下，該復合膜具有超高的電磁屏蔽性能，達到68.9dB。在后續的耐環境測試中也有著良好的穩定性，經過500次的扭轉、彎曲、折疊試驗后，其屏蔽性能保留率仍保持在90%以上，這在不同的環境條件下具有廣闊的應用前景。

圖4 WPU/Ag復合薄膜的電熱性能。

  另外，Ag作為自然界導熱性最好的金屬之一，使得復合薄膜在電熱轉化測試中有著出色的表現。在僅施加2V低電壓的情況下，薄膜表面可升溫至125℃，且具有較好的穩定性，其電熱轉化能力遠超之前文獻中的其他導電填料（如MXene、碳納米管、石墨烯等）。通過控制電壓的開關，溫度的變化具有一致性，表現出了良好的循環性能，可實現迅速地升溫與降溫要求，可應用到諸如保溫、除冰等實際需求當中。

圖5 WPU/Ag復合薄膜的拉伸傳感性能。

  WPU/Ag復合薄膜經過10次的預拉伸后，在0-35%的應變范圍內，應變響應系數隨著應變的增加而迅速上升。不同的應變程度和速率下，例如，當應變速率從1增加到10mm/min時，薄膜的歸一化電阻保持穩定，同時也表現出了優良的拉伸性能與可恢復性。在施加小應變大應變速率的情況下，其響應時間達到了50ms的超低水平，并且經過1000個周期的循環測試，試樣仍表現出了優秀的抗疲勞特性和相對穩定性。以上結果都表明了WPU/Ag復合薄膜在柔性電子傳感器，例如檢測人體關節運動等方面有著巨大的應用潛力。

  以上相關成果以題為“Flexible and Thin Multifunctional Waterborne Polyurethane/Ag Film for High-Efficiency Electromagnetic Interference Shielding, Electro-Thermal and Strain Sensing Performances”于近日發表在《Composites Part B: Engineering》期刊上。論文第一學生作者為鄭州大學河南省資源與材料工業技術研究院2020級碩士研究生賈云鵬，通訊作者為鄭州大學橡塑模具國家工程研究中心劉憲虎副教授和材料科學與工程學院（河南省資源與材料工業技術研究院）潘亞敏博士。上述研究工作得到了國家自然科學基金(51803190)和資源材料協同創新中心開放基金(Zycl202004)的資金支持。

  原文鏈接： Y. Jia#, R. Sun#, Y. Pan*, X. Wang, Z. Zhai, Z. Min, G. Zheng, C. Liu, C. Shen, X. Liu*, Flexible and Thin Multifunctional Waterborne Polyurethane/Ag Film for High-Efficiency Electromagnetic Interference Shielding, Electro-Thermal and Strain Sensing Performances, Composites Part B: Engineering, 2021, 210, 108668. 

  https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108668