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  可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展在改善人們生活水平的同時(shí)，也產(chǎn)生了電磁輻射。電磁污染不僅會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至?xí){到人類的健康。碳納米管巴基紙（Buckypaper, BP）由于優(yōu)異的導(dǎo)電性被廣泛于電磁屏蔽領(lǐng)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(guò)濾成膜性，并詳細(xì)研究了BP的結(jié)構(gòu)及其性能（Compos. Sci. Technol. 2019,181,107699. Mater. Design. 2019,184,108175.）。雖然BP具有優(yōu)異電磁屏蔽性能（EMI SE），在35 μm厚時(shí)EMI SE為31.2 dB，但其斷裂伸長(zhǎng)率僅為2%，這限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。研究人員通過(guò)真空過(guò)濾、超聲波浸漬、交聯(lián)等方式將高分子材料引入BP來(lái)改善其柔韌性。但BP斷裂伸長(zhǎng)率增加并不明顯，同時(shí)操作過(guò)程太復(fù)雜，涉及特殊條件，程序和設(shè)備。因此簡(jiǎn)單高效制備兼具高柔韌性和高電導(dǎo)率的BP仍存在困難。此外除了優(yōu)異的電磁屏蔽性能，還應(yīng)考慮在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)多功能的要求，如兼具導(dǎo)熱、焦耳加熱、摩擦發(fā)電、傳感、阻燃等。

  鑒于此，大連理工大學(xué)賓月珍教授團(tuán)隊(duì)選擇環(huán)保的天然橡膠（NR）作為BP的“增韌劑”，通過(guò)簡(jiǎn)單的真空過(guò)濾方法，制備了NR增韌BP（簡(jiǎn)稱NR-BP），制備的NR-BP兼具柔韌性和高電導(dǎo)率，拓展了其在電磁屏蔽，導(dǎo)熱，焦耳加熱和摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENGs）等領(lǐng)域的應(yīng)用，為制備多功能可穿戴電子設(shè)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(dǎo)熱，焦耳加熱和TENGs）

 

  由圖2可知，真空輔助過(guò)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(jìn)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(zhì)的特點(diǎn)。同時(shí)NR-BP在高斷裂伸長(zhǎng)率下仍然表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性，其中CNR4（20wt% NR）的斷裂伸長(zhǎng)率和電導(dǎo)率分別為 27.80%和32.26 S/cm，CNR1（50wt% NR）的斷裂伸長(zhǎng)率和電導(dǎo)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(yōu)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(yōu)異的導(dǎo)熱性能，BP垂直和水平方向的熱導(dǎo)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(jié)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(duì)取向程度影響較小，材料的導(dǎo)熱性能主要與導(dǎo)電性有關(guān)。

 圖4. NR-BP的導(dǎo)熱性能

  由圖5可知，CNR4具有優(yōu)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(dá)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(yōu)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(fā)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(xué)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