蛋白超细纤维导电复合材料的构筑及电磁屏蔽性能的评估

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现代电子工业的快速发展和电子设备的大规模应用,导致电子污染的产生,称为电子噪声、射频干扰(RFI)或电磁干扰(EMI)。EMI不仅会阻碍精密电子设备的正常运行,还会影响人类健康。随着人们对于EMI屏蔽意识的不断增强,EMI屏蔽材料的需求也随之增加,性能要求也逐步提高。目前对EMI屏蔽材料的要求除了强吸收、轻量化和柔韧性以外,为减少对环境的破坏,可降解EMI屏蔽材料也成为重要的发展方向。本课题从微结构诱导电磁波吸收的角度出发,利用静电纺丝技术,制备玉米醇溶蛋白(Zein)超细纤维柔性基底,引入导电聚合物聚吡咯(PPy)和金属相导电材料银(Ag)构筑多孔超细纤维复合材料体系,具有简单,结构可调,高效EMI屏蔽性能的优点,最后评估了复合材料生物降解性能,具体研究内容如下:(1)PPy复合Zein/环氧(Epoxy)(ZE)超细纤维的构筑及其电磁屏蔽性能评估本课题基于蛋白的活泼氢结构对环氧交联反应的激励作用以及静电纺丝技术,制备具有水相结构稳定的多孔ZE基超细纤维柔性基底,而后基于原位聚合法,于超细纤维表面引入导电聚合物PPy,构建电导率失配诱导极化界面,得到EMI屏蔽超细纤维复合材料。材料的EMI屏蔽性能与PPy的聚合反应时间,单体浓度和基底厚度相关,综合评估时间及经济成本,在基底厚度为0.3 mm、吡咯单体浓度为0.1 M、反应时长为8 h时制备的复合材料,具有较好的综合性能,其电导率达386.27±7.09 S/m,在X波段EMI屏蔽效能(SE)可达26.3 d B。当基底厚度增为1.2 mm时,EMI SE提高至42.4 d B。PPy的复合使材料干态断裂强度提高了324%,达到4.07 MPa,断裂伸长率降低了40.4%,达15.4%;当弯曲5000次后,材料的EMI SE仅下降了3.9 d B,保留率为86.5%。该复合材料的屏蔽机制是ZE基底的微米级多孔结构辅助电磁波在材料内界面发生多次反射,PPy的复合构建了高效的导电网络,最终实现电磁波的高效吸收。(2)Ag/PPy复合ZE超细纤维的构筑及其电磁屏蔽性能评估为进一步降低材料厚度并提高材料屏蔽性能,本课题通过Ag NO3浸渍法、Ag NO3/Py一步聚合法和双组分喷雾沉积法引入第二相导电材料Ag,提供额外的导电损耗,同时构建了多层结构,在Ag/PPy层与ZE柔性基底之间引入了界面极化,与多孔ZE基底协同合作为电磁波的入射提供了更多损耗途径,从而增加了吸收电磁波的机会。Ag/PPy复合ZE超细纤维,在0.3 mm厚度下,三种复合方法制备的复合材料分别达到14.6、12.1和33.4 d B的EMI SE,双组分喷雾沉积法效果最佳,随着喷镀次数(20~100)的增加,EMI SE显著增加。经60次喷镀的样品电导率达9696.78±663.25 S/m,EMI SE可提升至55.6 d B,经5000次弯曲后,EMI SE下降11.5 d B,保留率为79.3%。(3)复合材料的降解行为评估鉴于Ag覆层复合材料降解较慢,本课题基于土壤掩埋法考察了降解相对较快的PPy/ZE超细纤维复合材料的降解性能。复合材料在土壤中掩埋40天,力学性能无显著变化,掩埋100天后纤维开始断裂,160天后重量损失为41.3±1.7%,断裂强度从初始的4.07 MPa下降到0.47 MPa。综上所述,本课题所开发的PPy覆层和Ag/PPy覆层ZE超细纤维复合材料不仅具有高效EMI屏蔽性能,且可在废弃后实现自然降解。本课题不仅为植物蛋白打开了新的应用方向,也通过合理的复合结构设计,以低成本的天然生物质材料为基础形成可降解、高性能的屏蔽材料,用于可持续的绿色EMI屏蔽应用。
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