一种双模式个人热管理可拉伸电磁屏蔽织物——郑州大学刘春太教授、冯跃战副教授团队AFM最新成果

  随着可变形、可穿戴电子设备的加快速度进行发展，由电磁波引起的电磁辐射和电磁干扰问题日渐严重，对人类健康构成了严重威胁。传统的电磁屏蔽材料在拉伸和弯曲变形下的机械稳定性较差，在大应变下电磁屏蔽性能急剧下降，因此有必要研制出具有可拉伸性的柔性可穿戴式电磁屏蔽材料。另一方面，可穿戴设备还应具有个人热管理能力，通过被动辐射制冷和加热，实现在炎热和寒冷的天气条件下都能够为穿戴者提供舒适的温度环境。因此，开发集柔性、透气性、可拉伸的电磁屏蔽和个人被动热管理能力于一体的可穿戴电子织物具有很大的应用前景，但怎么来实现拉伸过程中仍能保持稳定的电磁屏蔽性能以及成功集成个人热管理能力仍然具有挑战性。

  巧妙的运用双轴预拉伸的方法在静电纺丝TPU/PDMS织物的一侧成功构建块状堆叠褶皱结构的AgNW/MXene导电网络，得到了一种具有janus型双模被动个人热管理能力的可拉伸EMI屏蔽织物。采用静电纺丝法制备柔性多孔TPU/PDMS织物作为弹性基体，在双轴预拉伸的状态下通过喷涂将AgNW和MXene依次沉积在织物一侧，由于弹性TPU/PDMS基底与AgNW/MXene导电层之间的模量不匹配，在缓慢释放预应变后会形成块状堆叠的褶皱状导电网络。褶皱AgNW/MXene导电网络赋予织物应变不变的电磁干扰屏蔽能力，在单轴(10-50%拉伸应变)和双轴(21-125%拉伸应变)条件下都能确保稳定的40 dB屏蔽效果。更重要的是，janus型织物的白色TPU/PDMS织物侧作为冷却侧，具有高发射率(97.5%)和反射率(90%)，使可拉伸织物覆盖下的皮肤温度比皮肤低约4.9 oC。黑色AgNW/MXene导电侧作为加热侧，AgNW/MXene层表现出强烈的光吸收和局部表面等离子体共振(LSPR)效应，并且其褶皱纹理明显地增强了光吸收，当辐照强度为50 mW/cm2时，可实现比皮肤高5 oC的加热温度。出色的可拉伸EMI屏蔽和双模个人被动热管理能力的成功结合，使可拉伸janus型织物成为未来可穿戴产品的有希望的候选者。

  通过连续静电纺丝技术和双轴预拉伸喷涂工艺制备了单侧具有块状堆叠褶皱结构的可拉伸janus型电磁屏蔽织物。SEM图显示MXene包覆AgNW一起紧密粘附在纤维表面，形成了高效稳定的褶皱导电网络。

  图2. 可拉伸janus型电磁屏蔽织物的疏水性、透气性、拉伸性和稳定的导电性

  可拉伸janus型电磁屏蔽织物拥有非常良好的疏水性，可避免MXene层在潮湿环境下发生氧化。可拉伸织物的高孔隙率保证了它的透气性，并且褶皱导电涂层对织物孔隙率的影响较小。可拉伸织物具备优秀能力的柔性和拉伸性，并且在拉伸状态下仍具有稳定的导电能力。

  可拉伸janus型电磁屏蔽织物表现出显著的电磁干扰屏蔽性能，褶皱结构不会影响织物的屏蔽性能。此外，尽管AgNW网络是电导率的主要贡献者，但涂覆导电粘合剂MXene能更加进一步将AgNW紧密连接在一起，降低纳米线之间的接触电阻，从而进一步提升电性能，特别是在AgNW负载较低的情况下。通过对可拉伸织物在不同拉伸条件下的电磁屏蔽性能做评估，织物的平均EMI SE在10-50%的单轴拉伸范围和21%-125%的双轴拉伸范围内从始至终保持在40 dB以上。MXene涂层增强了AgNW与基体之间的附着力，提高了可拉伸织物的耐用性，使织物在多个使用周期内保持其良好且耐用的应用不变EMI屏蔽性能。

  通过比较具有褶皱形貌的可拉伸织物和不进行预拉伸的平面织物在拉伸过程中的形貌演变，能够正常的看到可拉伸织物在拉伸过程中可以通过褶皱的展开保护导电网络不受破坏，而缺少保护性褶皱结构的平面织物在拉伸时导电涂层会发生明显的断裂甚至脱落。因此，具有块状堆叠褶皱结构的可拉伸织物在单轴或双轴拉伸过程中，可通过其褶皱的展开来承担大部分变形，从而避免导电层的滑移或断裂，保持导电网络的连续性，进而保持应变不变的电磁屏蔽性能。

  可拉伸janus型电磁屏蔽织物的白色TPU/PDMS面作为冷却侧，尽管其背面喷涂了具有较强表面等离子体共振效应的AgNW和MXene，但白色面的反射率仍然高达87%，其还具有97.5%的高发射率。这种双重特性使织物可以有明显效果地地反射阳光，同时将人体产生的热辐射发射到外层空间，可实现比皮肤低4.9 oC的冷却温度，并且具有应变不变被动辐射冷却性能能够完全满足可穿戴电子设备的需求。

  可拉伸janus型电磁屏蔽织物喷有AgNW/MXene涂层的黑色面作为加热面，金属AgNW和半金属MXene中表面电子的光诱导相干振荡使其表现出出色的光热转换能力。此外，与在空气-介质界面具有高中宽带光反射的平面二维纳米材料涂层相比，皱褶结构通过将入射光散射反射到皱褶结构中，可以有效抑制光反射，提高对光的吸收。可拉伸织物在100 mW/cm2辐照强度照射下可快速达到59 oC的稳态温度，比平面织物高近10 oC。同时，可拉伸织物还拥有非常良好的可拉伸性、可控性和长期稳定性。当将织物覆盖在人体皮肤上时，在辐照强度为50 mW/cm2时，其加热温度可比皮肤高5 oC。

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