中科院宁波材料所《CEJ》：超柔软、高高电磁屏蔽的新型石墨烯发热软膜，用于可穿戴产品

成果简介

石墨烯（Gr）电热膜是一种复合聚合物导电膜，因其独特的物理特性而成为备受关注的新型材料。然而，目前报道的石墨烯电热膜柔韧性不足，制备成本相对较高。此外，热处理过程对这些薄膜的性能也有很大影响。本文，中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘丰华 副研究员团队在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Facile construction of graphene based ultra folding resistance and high-efficiency electric heating film by multi-molecules induced orientation and interface regulation”的论文，研究选择姜黄素（CU）和羧甲基纤维素（CMC）分别作为分散剂和粘合剂，它们与二氧化硅纳米粒子协同诱导石墨烯取向和界面调节，从而构建高柔性电热膜。

CU含有羟基，分子间具有很强的氢键相互作用，可增强石墨烯浆料的界面相容性，减少石墨烯团聚。SiO2纳米粒子可通过氢键相互作用牢固地固定在石墨烯薄片表面，有效防止石墨烯聚集。CMC与Gr具有多种键合模式，可促进薄膜扩散并显著提高柔韧性。在水解过程中，CMC 会释放出 Na，进一步稳定石墨烯的分散。同时，还采用了一种创新的铺膜工艺–悬浮涂布和浇铸法制备了大面积超柔性石墨烯电热膜（HF-Gr/CMC）。这种工艺简单易行，无需热处理，因此大大降低了生产成本，同时具有大规模生产的潜力。所获得的薄膜具有出色的耐久性，可在保持稳定性能的情况下进行180度折叠50,000次，大大超过了所报道的石墨烯基复合电热膜的耐折值。此外，薄膜的加热温度分布均匀，热辐射效率高达90.2%，热导率高达83.76Wm+-1 K-1。这些特性为石墨烯电热膜领域的持续改进和发展提供了可行的解决方案。

图文导读

图1、(a) Schematic of the preparation of HF-CMC/Gr films. (b) Preparation of HF-CMC/Gr film. (c) Schematic diagram of HF-CMC/Gr films.

图2、(a, b) HF-CMC/Gr films before and after folding. (c) SEM images of HF-CMC/Gr films surface. (d) WAXS spectra of HF-CMC/Gr films. (e) XRD patterns and (f) Raman spectra and (g, h) TGA tests.

图3. (a) Schematic diagram of the production of carboxymethyl cellulose from cellulose through alkali treatment. (b-e) TEM images of the HF-CMC/Gr films. (f) Modification of graphene by Na.+

图4、(a) Conductive mechanism of HF-CMC/Gr films. (b) Resistance of the HF-CMC/Gr films. (c) Electromagnetic shielding mechanism of the HF-CMC/Gr films. (d, e) Electromagnetic SE of the HF-CMC/Gr films.

图5. (a-d) Interactions of corresponding structural configurations in the Gr-CMC system. (e) A cartoon representation of the CMC-bridged HF-CMC/Gr films. (f) After the application of force, the interlayer slip distance increases due to the opening of CMC bond angles. (g) Tensile performance. (h) SAXS pictures of HF-CMC/Gr films. (i) The corresponding scattering intensity curves of HF-CMC/Gr films. (j) Folding endurance test of the HF-CMC/Gr-3 films. (k) SEM images of the HF-CMC/Gr-3 films before and after folding tests.

图6. (a-c) Schematic infrared image of the HF-CMC/Gr films after being heated by infrared radiation for a period of time. (d) Schematic diagram of the heating principle of the HF-CMC/Gr films. (e) Variation of heating temperature with voltage. (f) The comparison of the flexibility of HF-CMC/Gr-3 films with other recently reported carbon film materials (For details refer to Table S3). (g) The thermal conductivity of HF-CMC/Gr-3 films compared to other recently reported thin film materials. (For details refer to Table S4).

小结

本文成功地介绍了通过一种创新的薄膜浇注工艺（即悬浮涂布-流动浇注法）制备出超柔软、高红外辐射和高电磁屏蔽的多功能HF-CMC/Gr薄膜。作为一种先进的复合材料，这种方法不仅简化了制造过程，有利于大规模生产，而且在工业应用中具有显著优势，同时还解决了传统薄膜的尺寸限制问题。在进行电磁屏蔽性能评估的同时，我们还使用四探针测试对 HF-CMC/Gr-3 薄膜进行了表征。结果表明，它在室温下的电阻仅为42Ω，电磁屏蔽效果为 23.2 dB，红外辐射效率高达90.2%，大大超过了国家 A 级标准。利用 LFA 457 HyperFlash仪器对25℃的热扩散率进行了评估，结果显示热导率高达 83.76 Wm-1K-1。此外，之所以选择 CMC 作为粘合剂，是因为它与 Gr 有多种粘合模式，有利于自动成膜并提高耐折性。拉曼光谱和拉伸分析结果也证实了这一点。值得注意的是，HF-CMC/Gr-3 薄膜表现出卓越的耐折性，即使以 180° 的角度折叠 50,000 次后仍能保持其性能。

石墨烯复合薄膜在较低的电源电压下就能加快加热速度，同时在很大程度上保持了原始纺织品的透气性。这有效减轻了穿着者因内部空气流通不足而产生的闷热和不透气感，从而提高了整体穿着舒适度。此外，它还具有适合日常使用的出色柔韧性，为开发超柔韧可穿戴石墨烯发热服装提供了宝贵的技术支持。石墨烯发热薄膜片段可以丝网印刷到柔性基底上；这些薄膜发热均匀、稳定，使用寿命长，可通过控制器实现温度调节。多功能石墨烯发热膜的成功开发表明，“石墨烯+健康 ”技术在服装领域的整合潜力巨大。这种新型石墨烯发热软膜具有良好的柔韧性和防水性，是一种既能保证发热保暖，又不失柔软性、舒适性和安全性的电热膜，更适合可穿戴产品的应用。

文献：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160845