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  MXene具有優異的電子、光學、機械和電化學性能，在儲能、催化、醫藥、電磁屏蔽等領域展現了巨大的應用潛力，已成為新一代二維材料研究熱點。MXene具有類似金屬的導電性能、獨特的多層結構和豐富的末端基團，使其在制備高效的電磁屏蔽復合材料方面受到了廣泛的關注。不難設想，得益于MXene與電磁波良好的相互作用，MXene也能像碳納米管（CNTs）、石墨烯等碳材料一樣將電磁能高效轉化為熱能，在微波場作用下激發快速的升溫現象。然而，人們更多的關注了MXene的電磁屏蔽性能，對其微波加熱效應少有研究，微波加熱機理尚待進一步驗證。

  基于以上想法，該工作首次系統研究了由強電磁波吸收導致的Ti₃C₂T_x微波加熱行為，并有效利用Ti₃C₂T_x快速的微波加熱效應在聚丙烯（PP）基體中構筑了完整的隔離導電網絡，賦予了PP/Ti₃C₂T_x復合材料優異的電磁屏蔽和抗熔滴性能。首先，采用部分交聯的多巴胺/聚乙烯亞胺對PP進行表面包覆改性，通過絮凝-自組裝的方法將單層/少層的Ti₃C₂T_x富集在改性PP顆粒表面；在最佳的微波工藝下，Ti₃C₂T_x作為 “界面焊接層”引發了獨特的選擇性加熱現象，極短時間內（10~20 s）在PP基體中構建了Ti₃C₂T_x隔離導電網絡。

圖1. 基于自組裝和微波選擇性燒結快速制備具有隔離結構的PP/Ti₃C₂T_x復合材料流程圖。

  將PP/Ti₃C₂T_x顆粒類比為具有核殼結構的微球，通過COMSOL多物理場的有限元模擬研究了電磁波分布和熱傳現象。結果表明：微波對包覆顆粒表現為快速、選擇性的加熱行為，9s即可使界面達到170℃左右，實現界面熔接成型。微波燒結PP/Ti₃C₂T_x的TEM、OM、SEM圖像展現了完美的隔離界面和三維網絡。

圖2. 利用COMSOL有限元模擬研究PP/Ti₃C₂T_x微波加熱行為（1500W，20s）：（a）單個顆粒截面溫度分布；9個堆疊顆粒（b）表面和（c）截面溫度分布；（d）顆粒填充至模具的紅外熱成像圖；（e，f）微波燒結PP/Ti₃C₂T_x的界面TEM圖；PP/Ti₃C₂T_x的（g）OM、（h）SEM和（i）Ti元素分布。

  微波燒結賦予了PP/Ti₃C₂T_x完整的隔離結構，使其具有超低導電逾滲閾值（0.02091 vol%），在極低的Ti₃C₂T_x含量下（1.138 vol%），微波燒結成型PP/Ti₃C₂T_x的電導率和電磁屏蔽效能分別為500.0 S m^-1和75.12~78.85 dB（X波段）。微波燒結PP/Ti₃C₂T_x的電磁屏蔽機理體現在宏觀和微觀兩方面：電磁波進入隔離結構，在Ti₃C₂T_x構筑的三維網絡中發生多次反射；電磁波在界面富集的Ti₃C₂T_x多層之間發生多次反射，從而大幅削弱入射電磁波強度達到高效屏蔽效果。

圖3. （a）微波燒結PP/Ti₃C₂T_x的導電逾滲行為；（b）不同含量PP/Ti₃C₂T_x在X-波段上的電磁屏蔽效能；12GHz下不同含量PP/Ti₃C₂T_x的（c）SET，SEA和SER值以及（d）趨膚深度；（e）微波燒結PP/Ti₃C₂T_x與現有文獻樣品在X-波段上的電磁屏蔽效能對比；（f）電磁波與PP/Ti₃C₂T_x相互作用機理。

  與此同時，Ti₃C₂T_x在燃燒過程中能迅速形成高質量的阻隔層，有效阻斷了PP熔體的聚集，在僅0.5wt%的添加量下，PP/Ti₃C₂T_x表現了優異的抗熔滴效果，即使在火焰燃燒后也保持了完整的外觀和整體結構。

圖4. 燃燒測試的視頻截圖：（a）PP，（b）PDA-PEI@PP，（c）1wt% Ti₃C₂T_x@PP和（d）4wt% Ti₃C₂T_x@PP；燃燒測試后殘余物的宏觀和微觀形貌：（e, f）1wt% Ti₃C₂T_x@PP和（g, h）4wt% Ti₃C₂T_x@PP；燃燒前后的Ti₃AlC₂、Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x@PP的XPS（i）總元素譜圖和Ti元素分譜。

  上述研究成果在《Chemical Engineering Journal》在線發表，題為Microwave-Induced Segregated Composite Network with MXene as Interfacial Solder for Ultra-Efficient Electromagnetic Interference Shielding and Anti-dripping。四川大學高分子研究所碩士生馬文杰為論文的第一作者，四川大學劉鵬舉助理研究員為論文通訊作者。該研究得到了鄭州大學王建峰副教授、深圳大學劉卓鑫助理教授的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131699

  下載：Microwave-Induced Segregated Composite Network with MXene as Interfacial Solder for Ultra-Efficient Electromagnetic Interference Shielding and Anti-dripping