研究背景
多孔聚合物基导电复合材料凭借其在电磁干扰（Electromagnetic interference, EMI）屏蔽领域的优越性近年来被广泛关注。随着EMI屏蔽材料应用环境的日益复杂化，特别在要求屏蔽效能（Shielding effectiveness, SE）需要调节的情况下，具有固定EMI屏蔽性能的传统多孔聚合物基屏蔽材料面临着难以满足使用需求的困境。为了解决这个问题，利用泡沫的可逆压缩性调控屏蔽材料的压缩应变以及赋予泡沫基屏蔽材料形状记忆效应被相继提出用于实现可调EMI屏蔽。然而，前者需对泡沫材料提供连续外力以保持所需的SE，而在泡沫上涂覆或填充聚合物充当形状记忆骨架不可避免地导致屏蔽材料制备工艺复杂化和屏蔽性能的削弱。因此，制备能够实现自固定SE调节的高性能EMI屏蔽材料仍然具有挑战性。
文章要点
针对多孔聚合物基EMI屏蔽材料高性能和自固定SE调节能力难以同时兼顾的问题，西南交通大学化学学院王勇教授课题组提出模板法引导填料组装策略制备了一种由导电填料修饰的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）基形状记忆复合泡沫（图1）。该工作以聚吡咯（PPy）和银纳米颗粒（AgNPs）作为导电层直接修饰EVA形状记忆泡沫骨架，制备集可调EMI屏蔽和传感功能于一体的多功能形状记忆泡沫复合材料。在该体系中，EVA泡沫通过牺牲模板法和化学交联法制备，并作为形状记忆骨架；PPy和AgNPs分别通过气相聚合和化学镀相继涂覆于EVA泡沫表面。得益于三维导电网络的有效构建，该复合材料在1 V电压下的加热温度为81.1 °C，在X波段内的EMI SE高达107.45 dB。依赖于形状记忆效应，通过控制和固定压缩应变，可以轻易地调节复合材料的EMI屏蔽性能。此外，该材料还可作为传感器用于监测不同的动作。
图1. EVA泡沫（a）和EPA泡沫（b）的制备示意图
研究发现，导电填料修饰形状记忆泡沫骨架可以实现优异的EMI屏蔽性能（图2），并且PPy层的存在改善了AgNPs与EVA泡沫之间的相互作用，赋予了复合材料良好的耐久性。同时，EVA泡沫的骨架结构可充当模板用于构筑三维连续的导电网络，因此本工作制备的泡沫EMI屏蔽性能超越了最近发表的大多数类似工作。依托于EVA泡沫本身的形状记忆效应，复合材料的屏蔽性能可以在有效屏蔽和无效屏蔽之间调节。此外，基于导电通路在压缩回复过程中的削弱与增强行为，该复合泡沫的传感功能得以实现（图3）。
图2. （a）EPA和EVA@Ag泡沫的电导率，（b）不同样品的EMI SET-频率曲线，（c）不同样品的平均SER、SEA和SET，（d）E12P1A10和E12A20样品压缩/回复循环前后的SET，（e）本工作与过去报道的形状记忆泡沫基EMI屏蔽材料之间的屏蔽性能比较，（f）E12P1A10样品在不同压缩应变下的平均SET，（g）可调EMI屏蔽机理示意图。
图3. （a-c） E12P1A20样品在2.5%（a）、5%（b）和10%（c）预设应变下的相对电阻变化，（d-f） 按压（d）、弯曲（e）和扭转（f）动作对应的电信号，(g) 应变传感机理示意图。
综上，本研究以EVA泡沫为形状记忆骨架，分别通过气相聚合和化学镀在EVA泡沫表面涂覆PPy和AgNPs，在保证泡沫自身具有优异EMI屏蔽性能的同时，通过控制形状记忆效应实现了自固定SE调节。本工作为制备高性能智能EMI屏蔽材料的结构设计提供了新的思路。相关成果以“Multifunctional shape memory foam composites integrated with tunable electromagnetic interference shielding and sensing”为题发表在Chemical Engineering Journal (DOI: 10.1016/j.cej.2023.143373）。论文的第一作者为2021级博士研究生陈杰，通讯作者为西南交通大学化学学院王勇教授。
论文链接
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143373
