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  可穿戴電子設備的快速發展在改善人們生活水平的同時，也產生了電磁輻射。電磁污染不僅會影響設備的正常運行，甚至會威脅到人類的健康。碳納米管巴基紙（Buckypaper, BP）由于優異的導電性被廣泛于電磁屏蔽領域。之前該課題組探討了碳納米管在不同溶劑中的分散性及真空過濾成膜性，并詳細研究了BP的結構及其性能（Compos. Sci. Technol. 2019,181,107699. Mater. Design. 2019,184,108175.）。雖然BP具有優異電磁屏蔽性能（EMI SE），在35 μm厚時EMI SE為31.2 dB，但其斷裂伸長率僅為2%，這限制了其進一步的應用。研究人員通過真空過濾、超聲波浸漬、交聯等方式將高分子材料引入BP來改善其柔韌性。但BP斷裂伸長率增加并不明顯，同時操作過程太復雜，涉及特殊條件，程序和設備。因此簡單高效制備兼具高柔韌性和高電導率的BP仍存在困難。此外除了優異的電磁屏蔽性能，還應考慮在實際應用中對多功能的要求，如兼具導熱、焦耳加熱、摩擦發電、傳感、阻燃等。

  鑒于此，大連理工大學賓月珍教授團隊選擇環保的天然橡膠（NR）作為BP的“增韌劑”，通過簡單的真空過濾方法，制備了NR增韌BP（簡稱NR-BP），制備的NR-BP兼具柔韌性和高電導率，拓展了其在電磁屏蔽，導熱，焦耳加熱和摩擦納米發電機（TENGs）等領域的應用，為制備多功能可穿戴電子設備提供了一種新策略 (圖1)。

圖1. NR-BP的制備及其多功能性（電磁屏蔽，導熱，焦耳加熱和TENGs）

 

  由圖2可知，真空輔助過濾可以很容易地放大得到A4或更大尺寸的NR-BP。制備的NR-BP可以進一步折疊成紙鶴和紙船，放置在花上，顯示出良好的柔韌性和輕質的特點。同時NR-BP在高斷裂伸長率下仍然表現出優異的導電性，其中CNR4（20wt% NR）的斷裂伸長率和電導率分別為 27.80%和32.26 S/cm，CNR1（50wt% NR）的斷裂伸長率和電導率分別為191.23%和21.74 S/cm。

 

圖2. NR-BP的基本特征

  由圖3可知，NR-BP具有優異的電磁屏蔽性能，其中CNR4的EMI SE和SSE/t分別為 31.9 dB（50μm）和8504 dB·cm²/g，CNR1的EMI SE和SSE/t分別為28.3 dB 和6232 dB·cm²/g。

 圖3. NR-BP的電磁屏蔽性能

  由圖4可知，NR-BP具有優異的導熱性能，BP垂直和水平方向的熱導率分別為0.358和9.046 W/mK，CNR4 分別為0.346 and 6.977 W/mK, 而 CNR1 為0.343 and 4.457 W/mK。2D WAXD結果顯示NR-BP水平方向取向程度明顯高于垂直方向，NR含量對取向程度影響較小，材料的導熱性能主要與導電性有關。

 圖4. NR-BP的導熱性能

  由圖5可知，CNR4具有優異的焦耳加熱性能，在2、4和6V的加載電壓下，其平衡溫度分別可達到為45.6、104.9和 155.5 °C。

圖5. CNR4的焦耳加熱性能

  由圖6可知，CNR4可以作為TENGs的柔性電極，制備的CNR4-TENG可以在單電極模式和垂直接觸分離模式下工作。最優的開路電壓（V_OC）、短路電流（I_SC）和短路電荷（Q_SC）分別為 27 V、1.8 μA和15 nC 。

圖6. CNR4-TENG性能

 

  該成果以“Natural Rubber Toughened Carbon Nanotube Buckypaper and Its Multifunctionality in Electromagnetic Interference Shielding, Thermal conductivity, Joule Heating and Triboelectric nanogenerators”為題，發表在《Chemical Engineering Journal》上（DOI: 10.1016/j.cej.2021.133499）。文章的第一作者是大連理工大學博士生樊明帥，通訊作者為賓月珍教授。

 

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133499