蘇祺 高燕 高曉平 楊博琛

摘 要：為了探討過硫酸銨（APS）濃度對聚丙烯腈（PAN）/聚苯胺（PANI）納米纖維膜電磁屏蔽性能的影響，得到電磁屏蔽性能更加優(yōu)異的復合納米纖維膜，基于靜電紡絲技術(shù)，選用PAN納米纖維膜為原料并浸入苯胺（An）酸溶液中，加入不同濃度的氧化劑APS，采用原位聚合方法制備出PAN/PANI復合納米纖維膜。對PAN/PANI復合納米纖維膜的微觀結(jié)構(gòu)、增重率、電阻性能和電磁屏蔽性能進行測試，應用回歸分析方法，確定最佳的APS濃度。結(jié)果表明：氧化劑濃度為0.3 mol/L時，PAN纖維表面聚合的PANI緊密均勻，形成了良好的導電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，屏蔽效能最佳。采用原位聚合方法可以制備出具有優(yōu)異防電磁輻射性能的PAN/PANI復合納米纖維膜，為進一步開發(fā)具有電磁屏蔽性能的功能性納米纖維紡織品奠定基礎。

關(guān)鍵詞：防電磁輻射性能；導電性能；聚丙烯腈；聚苯胺；納米纖維

中圖分類號：TS174 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2024）05-0001-08

收稿日期：20231025 網(wǎng)絡出版日期：20231218

作者簡介：蘇祺（1997—），女，內(nèi)蒙古烏海人，碩士研究生，主要從事功能性紡織品方面的研究。

通信作者：高曉平，E-mail：gaoxp@imut.edu.cn

隨著科技的進步和人民生活水平的提高，人們對功能性紡織品的需求日益增長^[1]。在這些功能性紡織品中，具備防電磁屏蔽性能的紡織品一直受到人們的青睞。開發(fā)出高效的電磁屏蔽材料對減少電磁干擾和輻射危害具有重要意義^[2]。

電磁波的屏蔽就是限制其在空間中傳播的過程，其中屏蔽體起到關(guān)鍵的作用^[3]。聚苯胺（PANI）具有可逆氧化還原特性和傳感特性，合成工藝簡單^[4]，因此成為了最受歡迎的屏蔽體材料之一。然而，由于PANI導電聚合物的機械性能和熱穩(wěn)定性較差，且難以使用熔融擠出等技術(shù)制備，因此PANI纖維只能在紡絲過程中由紡絲溶液形成^[5]。為了提高PANI的導電性，需在酸性條件下制備紡絲溶液，但在提高導電性能的同時也削弱了纖維的機械性能^[6]。提高纖維導電性能且不會削弱纖維機械性能的解決方法之一是使用高分子量聚苯胺^[7]，因此最常見的解決方案是將聚苯胺與其他聚合物復合，以改善其機械性能。與純聚苯胺纖維相比，這些纖維具有更高的機械強度，但其導電率要低幾個數(shù)量級^[5]。要同時滿足機械強度和導電性能優(yōu)異的條件，在制備具有導電性能的納米纖維膜時，必須在原位聚合法中合成具有一定電活性的PANI，且須添加氧化劑和酸性介質(zhì)。

此外，PANI的聚合受到苯胺（An）濃度、氧化劑種類和用量的影響^[8-9]。采用過硫酸銨（APS）作為氧化劑來原位聚合PANI，其性質(zhì)決定了反應速率的相對大小。闞錦晴等^[10]發(fā)現(xiàn)，在適當?shù)乃嵝詶l件下，只有在APS與An的物質(zhì)的量比為（1～2）∶1時才能生成具有較高導電率的PANI，因為在靜電紡絲過程中，APS濃度會影響PANI大分子鏈中的苯式結(jié)構(gòu)N—B—N和應醌式結(jié)構(gòu)N===Q===N的比例，進而對PANI的導電性和電磁屏蔽性能產(chǎn)生影響。

Topta?等^[11]通過將PAN纖維浸入在含有An的溶液中，然后通過用二色劑鉀作為氧化劑的纖維吸附的An來制備導電PAN/PANI復合纖維膜；張?zhí)炱娴?sup>[12]利用原位聚合方法制備鍶鐵氧體/聚苯胺/滌綸復合電磁屏蔽織物，通過電損耗和磁損耗實現(xiàn)電磁屏蔽，在測試得到的最佳的工藝條件下，可以吸收90%以上的電磁波，吸收寬頻為0.58 GHz。Dhawan等^[13]利用原位聚合方法制備出PANI/滌綸導電織物，在101 GHz頻率下測得其電磁屏蔽效能為21 dB，因此，PANI對高頻范圍的電磁屏蔽效能好。但是，目前許多研究主要集中在探究在利用原位聚合方法制備PANI納米纖維膜時摻雜酸、苯胺和氧化劑用量對PANI納米纖維膜導電性能的影響，而關(guān)于氧化劑濃度對PAN/PANI復合納米纖維膜防電磁屏蔽性能影響的研究較少。

本文以PAN納米纖維膜為原料，通過調(diào)控APS的濃度優(yōu)化PAN/PANI復合納米纖維膜電磁屏蔽性能，從而進一步推動復合納米纖維膜在可穿戴防電磁屏蔽紡織品領域的應用。

1 實驗

1.1 試驗材料

溶質(zhì)：PAN（相對分子質(zhì)量1.5×10⁵）；溶劑：N， N-二甲基甲酰胺（DMF，分析純）；原料：苯胺單體；氧化劑：過硫酸銨；摻雜酸：硝酸。以上試驗所用材料均購于上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 靜電紡絲溶液的配制和原位聚合

將溶質(zhì)PAN與溶劑DMF以0.1 mol/L的濃度進行配制，放入設置為80 ℃的恒溫磁力攪拌機水浴鍋中，持續(xù)攪拌2 h，PAN粉末溶解在DMF中，靜置消泡后待用。

在20 mL的注射器中加入0.1 mol/L的PAN紡絲液，將其與注射泵連接，針頭選用22 G，采用NS-1專業(yè)型靜電紡絲機（聚納達（青島）科技有限公司）紡制克重為10 g/m²的 PAN納米纖維膜，隨后將紡好的納米纖維膜放入設置為35 ℃的電熱鼓風干燥箱（上海博訊實業(yè)有限公司）中，烘12 h，直至溶劑完全揮發(fā)。設備參數(shù)設置：紡絲電壓20 kV，供液速率0.05 mL/h，接收距離15 cm，滾筒轉(zhuǎn)速200 r/min。

將制得的PAN納米纖維膜浸入0.2 mol/L的An和0.5 mol/L的硝酸溶液中，浸漬30 min，使PAN纖維膜充分吸收An單體；隨后分別加入不同濃度的氧化劑APS，濃度分別設置為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol/L，均勻攪拌，在室溫下密封反應2 h，將浸漬充分的PAN納米纖維膜取出，重復水洗、無水乙醇洗，將其放入真空干燥箱中烘干。

1.2.2 納米纖維膜的性能表征和測試設備

利用FEI QUANTA 650 FEG型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（美國賽默飛世爾科技公司）觀察復合納米纖維膜的微觀結(jié)構(gòu)特征，使用軟件Image J任意挑取50 根纖維，對其進行直徑的測量并計算出纖維的直徑分布規(guī)律。采用TENSOR型傅里葉紅外光譜儀（布魯克光譜儀器公司）分析納米纖維膜的化學結(jié)構(gòu)；利用電子天平測得苯胺原位聚合前后的PAN納米纖維膜的質(zhì)量，并計算出PAN納米纖維膜的增重率；采用FT-334型四探針比電阻測試儀（寧波瑞柯偉業(yè)儀器有限公司），測試5 次納米纖維膜的電阻率，并取平均值，對復合納米纖維膜的導電性能進行表征；采用YG913型防輻射性能測試儀（泉州市美邦儀器有限公司）對復合納米纖維膜的防電磁輻射性能進行測試；應用IBM SPSS Statistics 25軟件，以氧化劑濃度為自變量，以PAN/PANI復合納米纖維膜電磁屏蔽效能為因變量，進行回歸分析，判斷自變量對因變量是否具有顯著性影響，并得到最優(yōu)氧化劑濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 PAN/PANI復合納米纖維形貌表征

加入不同氧化劑APS濃度的PAN/PANI納米纖維膜微觀形態(tài)（20000倍）如圖1所示，直徑分布直方圖如圖2所示。

從圖1（a）—（e）中可以看出，各復合納米纖維膜表面均呈現(xiàn)出大小不一的PANI顆粒，具備良好的連續(xù)性，纖維排列呈雜亂狀態(tài)，堆積形成致密的纖維網(wǎng)，纖維膜沒有出現(xiàn)明顯的串珠和黏連現(xiàn)象。當APS濃度為0.1 mol/L時，加入的APS濃度太低，無法有聚苯胺小顆粒全部包覆在PAN纖維上；隨著APS濃度的增加，聚苯胺小顆粒充分包覆在PAN纖維上，使PAN纖維表面上形成了致密、不連續(xù)的聚苯胺包覆層。纖維的粗細程度兩極分化嚴重，如圖2（a）—（b）所示；當APS濃度為0.3 mol/L時，PAN纖維表面被聚苯胺充分包覆，形成了連續(xù)的納米纖維，纖維排列緊密，呈現(xiàn)出完整并具有一定層狀結(jié)構(gòu)的纖維。纖維的粗細程度均勻分布，如圖2（c）所示；當APS濃度為0.4 mol/L時，纖維表面出現(xiàn)小部分的團聚現(xiàn)象。納米纖維的均勻程度有所降低，直徑分布的差距變大，如圖2（d）所示；當APS濃度為0.5 mol/L時，在PAN纖維膜表面出現(xiàn)團聚現(xiàn)象并趨嚴重，其影響原位聚合后PAN纖維膜的導電性能、電磁屏蔽性能等。

2.2 PAN/PANI復合納米纖維膜的化學結(jié)構(gòu)

利用紅外光譜分析儀測定了PAN和PAN/PANI的化學結(jié)構(gòu)，An原位聚合后PAN納米纖維膜的紅外光譜圖，如圖3所示。

在FTIR光譜上，納米纖維PAN和PAN/PANI的譜帶特征是清晰可見的。PAN納米纖維的特征峰為2244 cm^-1和1736 cm^-1，特征峰分別對應于聚合物結(jié)構(gòu)中的C≡N和C===O。當苯胺原位聚合后，PANI納米纖維的特征峰開始出現(xiàn)。PANI的溫和吸收帶特征在1415、1286、1145 cm^-1處可見^[14]，這是具有苯環(huán)和醌環(huán)之間的C—N拉伸振動、醌環(huán)中的C===C伸縮振動及醌環(huán)和苯環(huán)中的C—N鍵伸縮振動^[15]。1415 cm^-1和1286 cm^-1處的吸收振動強度接近1∶1，此時的PANI狀態(tài)為中間氧化態(tài)。

與未改性的PAN納米纖維光譜吸收帶相比，原位聚合后的PAN/PANI納米纖維光譜吸收帶的變化，是由于聚合物在PAN和PANI的腈基團之間產(chǎn)生靜電相互作用。PAN和PANI的腈基團之間相互作用是與C—N伸縮振動相關(guān)的2244 cm^-1附近的吸收帶強度的降低有關(guān)。PAN和PANI聚合物的特征峰均出現(xiàn)在PAN/PANI復合納米纖維膜中，無新特征峰出現(xiàn)，由此可知PAN和PANI不發(fā)生任何化學反應，PAN和PANI可成功制備出具有導電性能的復合納米纖維膜。

2.3 PAN/PANI復合納米纖維膜的增重率

利用式（1）計算PAN/PANI復合納米纖維膜的增重率W：

W/%=（g₂-g₁）/g₁×100（1）

式中：g₂為苯胺原位聚合后納米纖維膜的質(zhì)量，g；g₁為未處理原樣的質(zhì)量，g。

測量出苯胺原位聚合前后PAN納米纖維膜的質(zhì)量變化，PAN/PANI復合納米纖維膜在不同氧化劑APS濃度下的增重，如圖4所示。

結(jié)果表明：隨著APS 濃度的增加，PAN納米纖維膜的增重率先增后減。當APS濃度小于0.3 mol/L時，隨著APS濃度的增加，生成的PANI質(zhì)量也在增加，因此PAN納米纖維膜的增重率從38%增加到70%；當APS濃度為0.3 mol/L時，原位聚合反應進行充分，使得An在PAN納米纖維上被充分氧化^[16]，原位聚合效率較高，PAN納米纖維膜的增重率高達95%；當APS濃度大于0.3 mol/L時，APS濃度較大，使得An的狀態(tài)成為全氧狀態(tài)，不利于PANI的形成，繼而增重率下降到50%，導致PAN/PANI復合納米纖維膜的導電性能變差。

2.4 PAN/PANI復合納米纖維膜的導電性能

未經(jīng)任何物質(zhì)摻雜的PANI是絕緣體^[17]，但通過質(zhì)子酸摻雜或電氧化，可以使PANI的電阻率降低十幾個數(shù)量級^[18]，因此本文通過調(diào)控氧化劑APS的濃度優(yōu)化PAN/PANI復合納米纖維膜電阻率。不同濃度的氧化劑APS的加入對PAN/PANI復合納米纖維膜導電性能的影響，如圖5所示。

結(jié)果表明：隨著APS濃度的增加，PAN納米纖維膜的電阻率先減后增，其與增重率的變化規(guī)律是相反的。當APS濃度小于0.3 mol/L時，隨著APS濃度的增加，PANI質(zhì)量的增加，使PAN納米纖維上被聚苯胺完全包覆，會使其導電性能增加，因此PAN納米纖維膜的電阻率不斷減?。划擜PS濃度為0.3 mol/L時，PAN納米纖維膜的增重率達到最大值，電阻率達到最小值，這是由于聚苯胺在PAN纖維表面上形成均勻致密的包覆層，其導電性能最優(yōu)。在酸性條件下，當氧化劑的氧化能力不斷增強，產(chǎn)物中的醌式含量也會增加^[19]。當APS濃度大于0.3 mol/L時，過量的氧化劑會使具備導電性的氧化還原中間產(chǎn)物過度氧化^[20]，即濃度過大的APS會在PAN納米纖維膜上形成團聚現(xiàn)象，不能形成良好的導電結(jié)構(gòu)，因此其導電性能變差，電阻率增加。

2.5 PAN/PANI復合納米纖維膜的電磁屏蔽性能

測試在30～100 MHz下PAN/PANI復合納米纖維膜的電磁屏蔽性能，不同氧化劑APS濃度的加入對PAN/PANI復合納米纖維膜電磁屏蔽性能影響的曲線圖，如圖6所示。

由圖6可知，當APS濃度為0.3 mol/L時，PAN/PANI復合納米纖維膜的電磁屏蔽性能達到36.16 dB，其高于APS濃度為0.1、0.2、0.4 mol/L和0.5 mol/L的復合納米纖維膜的電磁屏蔽效能，電磁屏蔽效能達到最優(yōu)。當APS濃度為0.3 mol/L時，納米纖維膜表面被原位聚合的PANI緊密均勻包覆，形成了良好的導電網(wǎng)絡，因此其電磁屏蔽效能最優(yōu)，可以有效地吸收屏蔽電磁波。當APS濃度較小時，聚苯胺的形成無法達到結(jié)構(gòu)完整的要求，且其產(chǎn)率極低，導致PAN纖維膜上包覆著的PANI數(shù)量極少，PAN納米纖維膜上無法形成結(jié)構(gòu)完整的導電網(wǎng)絡，因此PAN/PANI復合納米纖維膜的電磁屏蔽性能和導電性能較差。當APS濃度不斷增加時，由于APS的濃度高，使得PANI被過度氧化，其導電性下降，影響了電磁屏蔽效能。

電磁屏蔽的作用機理主要是通過對電磁波的反射和吸收，達到消除或減弱電磁波的目的^[21]。PANI作為典型的介電損耗型吸波材料，具有特殊的摻雜能力和良好的導電性能。PANI通過吸收電磁波，經(jīng)過內(nèi)部的多重反射，具有良好的吸收電磁波能力，同時又可將電磁波轉(zhuǎn)化為其他形式的能量繼而耗散，因此制備得到的PAN/PANI復合納米纖維膜具有良好的電磁屏蔽效能。

2.6 回歸分析

為探討氧化劑APS濃度對PAN/PANI納米纖維膜電磁屏蔽的影響機理，用回歸法求出APS濃度與PAN/PANI復合納米纖維膜電磁屏蔽性能關(guān)系的一元一次線性方程。

不同氧化劑APS濃度與纖維膜電磁屏蔽效能關(guān)系見表1，其中電磁屏蔽效能數(shù)據(jù)圖6分析結(jié)果。由表1可知：當氧化劑APS濃度不斷增加時，PAN/PANI復合納米纖維膜電磁屏蔽效能不斷升高；當氧化劑APS濃度到達0.3 mol/L時，電磁屏蔽效能達到最大值；隨著氧化劑APS濃度超過0.3 mol/L時，電磁屏蔽效能開始下降。

2.6.1 回歸方程建立

設X為氧化劑APS濃度，Y為復合納米纖維膜電磁屏蔽效能，應用IBM SPSS Statistics 25軟件，得到氧化劑APS濃度與纖維膜電磁屏蔽效能關(guān)系的方差分析數(shù)據(jù)表2，求得回歸方程為：Y=9.66X+48.8，相關(guān)系數(shù)R=0.864；剩余標準偏差S=16.614。

2.6.2 回歸方程檢驗

由表2可知，由于顯著性概率小于5%，可以拒絕原假設，即可以認為回歸系數(shù)不為零，因此可以得出回歸方程是具有意義的。

2.6.3 回歸方程預測

在試驗過程中氧化劑APS濃度的控制值為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol/L，當氧化劑APS濃度為0.3 mol/L時，可以用回歸方程求出對應的復合納米纖維膜電磁屏蔽效能的預測范圍：Y₁=9.66X+48.80-S=35.084，Y₂=9.66X+48.80+S=51.698，X=0.3，S=16.614。由計算結(jié)果可知：當氧化劑APS濃度為0.3 mol/L時，利用回歸方程預測的電磁屏蔽效能的預測范圍為35.084～51.698 dB，由于電磁屏蔽效能的控制下限為36.16 dB，處于回歸方程的預測范圍之內(nèi)，這表明當氧化劑APS濃度為0.3 mol/L時，PAN/PANI復合納米纖維膜的電磁屏蔽效能達到最優(yōu)。

3 結(jié)論

本文以PAN為原料，采用靜電紡絲技術(shù)制備了PAN納米纖維膜，并利用原位聚合方法制備了高導電、高電磁屏蔽效能的PAN/PANI復合納米纖維膜。通過表征分析復合納米纖維膜的結(jié)構(gòu)，并且進行了電阻率和電磁屏蔽性能等測試，主要結(jié)論如下：

a）SEM圖像顯示各復合納米纖維膜表面均存在PANI小顆粒，具有良好的連續(xù)性，纖維膜中均未出現(xiàn)明顯串珠、黏連現(xiàn)象。隨著APS濃度的升高，PANI在PAN上的分布分別從斷連、均勻致密到團聚現(xiàn)象，證明在APS濃度為0.3 mol/L時，PANI充分均勻包裹PAN，復合納米纖維膜電磁屏蔽性能最優(yōu)。

b）利用原位聚合方法，在PAN上包覆著PANI的電阻率隨著氧化劑濃度的不斷升高而呈現(xiàn)出拋物線的圖像，在氧化劑濃度為0.3 mol/L時，電阻率達到最低。

c）以最優(yōu)電磁屏蔽效能為目標值，基于回歸分析方法，得到最優(yōu)APS濃度為0.3 mol/L。

d）利用原位聚合方法，加入最優(yōu)濃度的氧化劑制備得到的復合納米纖維膜，具有較好的電磁屏蔽效能和導電性能，可有效地屏蔽電磁輻射，為未來應用于可穿戴服裝提供了可能。

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Effect of ammonium persulfate concentration on electromagnetic shielding properties of PAN/PANI nanofiber membranes

SU? Qi¹，? GAO? Yan²，? GAO? Xiaoping¹，? YANG? Bochen¹

（1.College of Light Industry & Textiles， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010080， China; 2.Department of Mechanical and Electrical Engineering， Ordos Vocational College， Ordos 017004， China）

Abstract： ?Polyaniline （PANI）， as a suitable conductive polymer， has many inherent and unique properties， such as reversible redox properties， electrical conductivity， sensing properties and pH switching. However， due to its poor mechanical properties and thermal stability， it is difficult to be used in the field of electromagnetic shielding materials alone. Due to the limitation of melt extrusion technology， polyaniline fibers can only be formed from the spinning solution during the spinning process. However， the existing methods of preparing polyaniline nanofiber membranes from polyaniline inevitably weaken the mechanical properties of polyaniline.

Based on electrospinning technology， the polyacrylonitrile （PAN） nanofiber membrane was used as raw material and immersed in aniline （An） acid solution， the polyaniline coatings were prepared on the surface of PAN nanofibers by in-situ polymerization with the addition of APS （with a respective concentration of 0.1， 0.2， 0.3， 0.4 mol/L and 0.5 mol/L）， and the PAN/PANI composite nanofiber membrane was prepared. The microstructures， chemical structures， resistivity and electromagnetic shielding properties of the composite nanofiber membranes were investigated by means of scanning electron microscope， Fourier infrared spectroscopy， four-probe specific resistance tester and radiation protection tester. In addition， the effect of APS concentration on the electromagnetic shielding effectiveness of the composite nanofiber membrane was studied based on the regression analysis method. The results show that the nanofibers with random distribution on the surface of the composite nanofiber membrane have network structure and show dense structure. The nano-fibers on the surface of the PAN/PANI composite fiber membrane will break and become even and compact to agglomerate with the increase of oxidant concentration， which indicates that the oxidant concentration is too low. In other words， the low quality and low yield of PANI produced by An and APS make it impossible for PANI to effectively deposit on PAN， resulting in disconnection on the surface of nanofibers. The excessively high concentration of oxidant results in? agglomeration on the surface of nanofibers. Fourier infra-red spectra show that with the advent of in situ polymerization， the nitrile groups of PAN and PANI interact with each other to generate electrostatic interaction， while PAN and PANI do not react. With the increase of APS concentration， the resistivity of PAN nanofiber membrane decreases first and then increases， which indicates that when the concentration of APS is 0.3 mol/L， the quality of polyaniline is the best， and it can form a good conductive network on PAN， and can effectively absorb and shield electromagnetic waves. SEM photographs of the surface of the composite nanofiber membrane show that the size of APS is the smallest and the structure is the densest when the concentration of the oxidant is 0.3 mol/L， PAN is uniformly and compactly coated on PAN fibers， which improves the structural compactness of the fiber. The potential application of the PAN/PANI composite nanofiber membrane in functional wearable clothing is demonstrated by testing its anti-electromagnetic shielding performance.

This study provides scientific data for the preparation of PAN/PANI composite fiber membranes by in-situ polymerization， and provides a new idea for the development of PAN/PANI composite fiber membranes with high conductivity and anti-electromagnetic radiation.

Keywords： anti-electromagnetic radiation performance; electrical conductivity; polyacrylonitrile; polyaniline; nanofiber