耐用的 Fe3O4/PPY 颗粒流纺纺织品用于电磁干扰屏蔽和焦耳加热

2025-03-09 Sun
学术背景随着电子设备的普及，电磁污染（Electromagnetic Interference, EMI）对人类健康和设备寿命的负面影响日益显著。传统金属基电磁屏蔽材料虽然具有较高的导电性，但其刚性和加工性能差，难以满足可穿戴设备的需求。因此，开发柔性、耐用且可定制的电磁屏蔽材料成为研究热点。导电聚合物如聚吡咯（Polypyrrole, PPy）因其良好的导电性、热稳定性和低毒性，被认为是理想的电磁屏蔽材料。然而，现有的电磁屏蔽材料在耐用性和大规模生产方面存在瓶颈，阻碍了其工业化应用。本文旨在通过一种新型的粒子流纺丝技术，制备一种可大规模生产的Fe3O4/PPy复合纺织材料，兼具电磁屏蔽和焦耳加热功能，以解决上述问题。
论文来源该论文由Jiaxin Liu、Shuo Qi、Hongshan Wang等合作撰写，作者来自武汉纺织大学、华中科技大学等机构。论文于2024年10月30日发表在《Advanced Fiber Materials》期刊上，DOI为10.1007/s42765-024-00498-2。
研究流程1. 材料制备研究首先制备了Fe3O4/PPy复合棉条作为电磁屏蔽功能层。具体步骤如下：
- 棉条预处理：将棉条浸入多巴胺溶液中进行表面处理，形成聚多巴胺（PDA）涂层，以增强后续PPy的附着力。
- PPy涂层：通过原位聚合反应，将吡咯单体在FeCl3氧化剂的作用下聚合在棉条表面，形成PPy涂层。
- Fe3O4涂层：将Fe3O4颗粒与聚乙烯醇缩丁醛（PVB）溶液混合，通过喷涂法将Fe3O4均匀覆盖在PPy涂层上，以增强电磁波吸收能力。
2. 保护层制备为了提高材料的耐用性，研究团队设计了PVB/PP复合条作为保护层。通过静电纺丝技术，将PVB纳米纤维膜沉积在PP条上，形成保护层。实验对比了不同PVB浓度和电压对纤维形貌的影响，最终确定了最佳工艺参数。
3. 粒子流纺丝技术制备纱线研究采用粒子流纺丝技术，将Fe3O4/PPy复合棉条与PVB/PP保护层结合，形成三层结构的纱线。具体步骤包括：
- 纱线结构设计：将Fe3O4/PPy棉条夹在两层PVB/PP条之间，形成“三明治”结构。
- 纺丝工艺：通过纺丝机将三层结构捻合成纱线，确保功能层被保护层紧密包裹，形成芯-鞘结构，以提高耐用性。
4. 织物织造将制备的纱线通过工业织机织造成织物，织物的经纬密度为110根/10 cm和40根/10 cm。织物的电磁屏蔽性能和焦耳加热性能通过一系列实验进行测试。
主要结果1. 材料表征通过扫描电子显微镜（SEM）观察，Fe3O4/PPy涂层均匀地覆盖在棉纤维表面，显著提高了棉条的导电性和磁性。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析证实了PPy和Fe3O4的存在。
2. 电磁屏蔽性能织物在X波段（8.2-12.4 GHz）的电磁屏蔽效能（SE）达到47 dB。通过有限元分析（FEA）模拟，验证了多层结构对电磁波的反射和吸收协同作用，显著提高了屏蔽性能。
3. 耐用性测试经过50次洗涤和465次磨损测试，织物的电磁屏蔽效能仅下降不到10%，显示出优异的耐用性。保护层的加入有效防止了功能材料的脱落。
4. 焦耳加热性能织物在3 V电压下，10秒内可迅速升温至105°C，表现出高效的焦耳加热性能。实验表明，织物的温度与电压平方呈线性关系，符合欧姆定律。
结论与意义该研究通过粒子流纺丝技术，成功制备了一种兼具电磁屏蔽和焦耳加热功能的多层复合纺织材料。其创新之处在于：
- 大规模生产：粒子流纺丝技术可实现功能纱线的大规模生产，具有工业化应用前景。
- 多功能性：材料不仅具有优异的电磁屏蔽性能，还可用于温度调控，适用于日常、军事和航空航天领域。
- 耐用性：通过芯-鞘结构设计，材料在多次洗涤和磨损后仍保持稳定的性能。
该研究为开发多功能、耐用的电磁屏蔽纺织品提供了一种经济高效的技术路径，具有重要的科学和应用价值。
研究亮点技术创新：粒子流纺丝技术首次应用于电磁屏蔽纺织材料的制备，解决了传统方法难以大规模生产的问题。
多功能集成：材料同时具备电磁屏蔽和焦耳加热功能，满足了可穿戴设备的多功能需求。
优异性能：织物在电磁屏蔽效能和耐用性方面表现优异，突破了现有材料的性能瓶颈。
其他有价值的信息研究团队还通过模拟实验展示了材料在实际应用中的电磁屏蔽效果，例如在LED灯泡和手机信号屏蔽中的应用，进一步验证了其实际应用潜力。