贵州民族大学《New J Chem》：高韧性PAM-Gel/CNTs-RGO水凝胶的制备及其电磁屏蔽性能

成果简介

随着电磁（EMI）产业的快速发展，EMI 污染已成为一个严重的问题。本文，贵州民族大学 张道海研究员团队在《New J Chem》期刊发表名为“Preparation of high-toughness PAM-Gel/CNTs-RGO hydrogel and its electromagnetic shielding properties”的论文，研究通过热诱导聚合丙烯酰胺（AM）和明胶（Gel）形成双网状水凝胶（PAM-Gel），然后加入不同含量的碳纳米管（CNTs）和还原氧化石墨烯（RGO），研究了填充物含量对电磁屏蔽性能的影响。最后，通过混合 CNTs 和 RGO 制备了一维/二维（1D/2D）PAM-Gel/CNTs-RGO 异质结构范德华水凝胶。实验结果表明，与 PAM-Gel/CNTs 水凝胶或 PAM-Gel/RGO 水凝胶相比，PAM-Gel/CNTs-RGO 混合水凝胶的电磁干扰屏蔽性能最好。一般来说，厚度为 4毫米的PAM-Gel/CNTs-RGO-1:1在X波段的电磁干扰屏蔽效果高达 45.14dB，压缩应力-应变分别为18.45MPa 和95.90%，含水量为 75.74%，电导率为1.12sm-1。

图文导读

方案1、 (a) PAM-Gel 水凝胶的制备过程。(b) PAM-Gel/CNTs-RGO 水凝胶的制备过程。

图1.(a)-(d) 不同水凝胶的扫描电镜图像（a. PAM 凝胶水凝胶，b: CNT 水凝胶，c: CNT 水凝胶）：PAM-凝胶水凝胶，b: CNT 水凝胶，c：基于 RGO 的水凝胶，d：CNT-RGO 混合异构水凝胶）。(e）水凝胶的傅立叶变换红外光谱。(f）水凝胶的 XRD 图谱。(g）水凝胶的结晶曲线。(h) 水凝胶的熔融曲线。

图2/(a) 水凝胶的 XPS 光谱。(b)-(e) 样品 C 1s 的 XPS 光谱（b：PAM-凝胶水凝胶，c：基于 CNT 的水凝胶，d：基于 RGO 的水凝胶，e：基于 CNTs-RGO 的水凝胶）。(f)-(i) 样品中 O 1s 的 XPS 光谱（f. PAM-Gel 水凝胶，d. RGO 水凝胶，e. CNTs-RGO 水凝胶）：PAM-凝胶水凝胶，g: CNT 基水凝胶，h：基于 RGO 的水凝胶，i：基于 CNTs-RGO 的水凝胶）。

图3、(a)-(e)韧性表征照片（a：原始照片，b：拉伸照片，c：多级扭转照片，d：弯曲照片，e：恢复照片）。(f) 和 (g) 水凝胶应力-应变曲线（压缩）（f：基于 CNT 的水凝胶，g：基于 RGO 的水凝胶，h：基于 CNTs-RGO 的水凝胶）。(i)-(k) 水凝胶强度和极限应变（压缩）（i：基于 CNTs-RGO 的水凝胶，j：基于 RGO 的水凝胶，k：基于 CNTs-RGO 的水凝胶）。

图4 、(a)-(c) 水凝胶的导电率。(d)-(f) 水凝胶的膨胀率和含水量。(g)-(i) 水凝胶的膨胀曲线。(j)-(l) 水凝胶的导电率和电阻率。

图5、 (a)–(c) EMI SET, SEA and SER curves of hydrogels. (d)–(f) A, R and T coefficients of hydrogels. (g)–(i) Average EMI SET, SEA and SER of hydrogels.

图6、(a)-(c) 水凝胶的真实部分。(d)-(f) 水凝胶的虚拟部分。(g) 四种水凝胶中电磁屏蔽性能最好的平均 SE 值。(h) PAM-Gel/CNTs-RGO1 : 1 水凝胶的电磁干扰 SE 曲线。(i) PAM-Gel/CNTs-RGO1 : 1 水凝胶的 A、R 和 T 系数。(j) PAM-Gel/CNTs-RGO1 : 1 水凝胶的介电常数：实部和虚部。(k) 电磁屏蔽机理图。

小结

本文采用原位聚合法制备聚丙烯酰胺（PAM），然后引入明胶（Gel），形成 PAM-Gel 水凝胶的三维网络。然后，分别引入不同含量的 CNTs 和 RGO，探讨填料含量对 PAM-Gel 水凝胶 EMI 屏蔽性能的影响。最后，通过混合 RGO 和 CNTs 制备了异构 PAM-Gel/CNTs-RGO 复合水凝胶，并研究了不同质量比的 RGO 和 CNTs 对 PAM-Gel 基水凝胶电磁干扰屏蔽性能的影响。实验结果表明，引入 CNTs 和 RGO 均能显著改善水凝胶的电磁干扰屏蔽性能、力学性能和导电性能。值得一提的是，CNT 与 RGO 混合制备的异质结构具有最佳的 EMI 屏蔽性能。一般来说，PAM-Gel/CNTs-RGO-1 : 1 在 X 波段，当厚度为 4 mm、压缩应力应变为 18.45 MPa 和 95.90%、含水量为 75.74%、电导率为 1.12 s m-1 时，水凝胶的 EMI 屏蔽效果高达 45.14 dB。总之，由 CNTs和RGO混合制备的复合水凝胶具有显著的可压缩性、柔韧性和良好的导电性，具有很大的电磁屏蔽潜力。

文献：https://doi.org/10.1039/D4NJ03558E