用于可控电磁干扰屏蔽的柔性PAN@PDA@Ag纳米纤维膜

《Synthetic Metals》：Flexible PAN@PDA@Ag nanofiber membranes for controllable electromagnetic interference shielding

电磁屏蔽纳米纤维膜制备及其性能研究。采用电纺、自聚和化学还原方法设计双核壳结构PAN@PDA@Ag纳米纤维膜，优化PDA含量（1.5倍）和银沉积时间（90分钟），获得厚度仅0.06mm、电导率3601.76 S/m、电磁屏蔽效能85.6 dB的高性能材料，其三维多孔结构及连续导电Ag层协同实现电磁波反射衰减与介电损耗，适用于可穿戴设备与下一代无线通信。

　　在当今科技迅速发展的背景下，电磁污染问题日益受到关注。随着新一代无线通信技术的不断推进，如5G和物联网，电磁波的广泛应用导致了电磁干扰的加剧。这种干扰不仅对人类健康构成潜在威胁，还可能影响电子设备之间的正常运作。因此，开发具有优异电磁屏蔽性能的轻质、柔性复合材料成为当前研究的重点。在这一背景下，研究者们致力于寻找既能有效屏蔽电磁波，又具备良好柔韧性和轻量特性的新型材料。

本研究提出了一种创新的方法，通过设计双层核心-壳结构，成功制备了基于聚合物的PAN@PDA@Ag纳米纤维膜。这种材料结合了聚丙烯腈（PAN）、聚多巴胺（PDA）和银纳米颗粒（AgNPs）三者的优点，使其在电磁屏蔽方面表现出卓越的性能。实验结果显示，PAN@1.5PDA@Ag-90纤维膜具有厚度仅为0.06毫米的特性，其导电性高达3601.76 S/m，屏蔽效果达到85.6 dB。这一成果表明，材料中各组分的协同效应显著提升了其电磁屏蔽能力，为下一代无线通信技术提供了具有广阔前景的应用可能。

为了实现这一目标，研究团队采用了电纺丝技术来制备PAN纳米纤维。电纺丝技术具有制备均匀、无缺陷的柔性纳米纤维的优势，使得纤维膜具备高孔隙率和良好的润湿性。这些特性为电磁波的多次反射和吸收提供了足够的空间。随后，通过自聚合的方式在PAN纳米纤维表面沉积一层PDA，该层不仅增强了纤维的吸附能力，还为后续银纳米颗粒的沉积提供了锚定位点。最终，利用化学还原技术将银纳米颗粒均匀地沉积在PAN@PDA纤维的外层，形成了一种密集的导电网络层。

研究团队通过扫描电子显微镜（SEM）对材料的微观结构进行了详细分析。SEM图像显示，纳米纤维呈现出明显的双层结构，其中PDA层均匀地覆盖在PAN纤维表面，而银纳米颗粒则在PDA层上形成连续的导电网络。通过调节PDA的含量和银纳米颗粒的沉积时间，研究者能够有效控制材料的导电性和电磁屏蔽性能。实验发现，PDA的适当含量和银沉积时间的延长显著增强了银层的连续性和导电性，从而提高了材料的整体屏蔽效果。

此外，研究还通过X射线衍射（XRD）和热重分析（TGA）等手段对材料的结构和组成进行了进一步的验证。XRD结果表明，银纳米颗粒形成了高度结晶的结构，而TGA结果显示，随着银含量的增加，材料的热稳定性也得到了提升。这表明，银的添加不仅增强了材料的导电性能，还改善了其热性能，使其在实际应用中更具优势。

在电磁性能测试方面，研究团队利用向量网络分析仪（VNA）对材料的屏蔽效果进行了系统评估。测试结果显示，所有复合材料的电磁屏蔽效果均超过50 dB，表明其对电磁波的衰减能力非常强。特别是PAN@1.5PDA@Ag-90纤维膜，在8.2–18 GHz的频率范围内表现出卓越的屏蔽性能，其屏蔽效果达到85.6 dB，远超商业应用的标准。这一性能的提升主要归因于材料中各组分的协同作用，尤其是PDA在促进银纳米颗粒沉积和形成导电网络方面的重要作用。

在对材料的屏蔽机制进行深入分析时，研究团队还探讨了反射、吸收和总屏蔽效果之间的关系。通过计算各组分对电磁波的反射、吸收和传输的贡献，研究发现，材料的电磁屏蔽性能主要依赖于其吸收能力，而非单纯的反射。这一发现为未来材料的设计和优化提供了新的思路，即在保证导电性的同时，应进一步增强材料的吸收性能，以实现更高效的电磁屏蔽。

本研究的成果不仅在理论上为电磁屏蔽材料的设计提供了新的方向，也在实际应用中展现了巨大的潜力。由于其轻质、柔性和优异的电磁屏蔽性能，这种材料非常适合用于可穿戴电子设备和柔性电子产品的制造。此外，其在无线通信设备中的应用前景也十分广阔，有望为未来的智能设备和通信技术提供更加安全和高效的电磁防护解决方案。

在研究过程中，团队还对不同PDA含量和银沉积时间对材料性能的影响进行了系统研究。结果表明，PDA含量的优化对于形成连续的银层至关重要。当PDA含量为1.5倍时，材料能够提供最大的表面面积和最佳的银纳米颗粒吸附位点，从而实现最高的电磁屏蔽效果。而银沉积时间的延长则有助于形成更加密集和均匀的导电网络，进一步提升材料的导电性和屏蔽性能。

综上所述，本研究通过创新的双层核心-壳结构设计，成功制备了一种具有优异电磁屏蔽性能的轻质柔性复合材料。这种材料不仅在实验室条件下表现出色，还具有实际应用的潜力。未来的研究可以进一步探索其在不同环境下的稳定性和长期使用性能，以确保其在实际应用中的可靠性。同时，也可以尝试将其与其他功能性材料结合，以拓展其在更广泛领域的应用价值。