由于5G通讯技术的飞速发展和柔性电子设备的大量应用，电磁干扰已成为威胁电子设备正常运行和人类健康的重点问题。因此，电磁屏蔽材料的市场需求增长迅猛。目前，聚合物基导电复合材料是研究的热点材料，具有轻质和易成型加工等优势。高屏蔽性能要求材料具有高电导率，通常需要填充大量的导电填料来构建导电通路，这严重影响了复合材料的加工性。使用溶液加工可以解决高填充下加工难的难题，但使用的有机溶剂大多有毒，严重污染环境。另外，高填充造成复合材料的力学性能严重下降，柔性不足。这些不足严重限制了电磁屏蔽材料在贴肤化电子器件和柔性织物上的使用。
针对以上问题，马建中教授团队提出通过氢键界面设计制备一种环保、超薄、高强的水性聚丙烯酸酯基石墨烯电磁屏蔽涂层材料，拟用做电子设备外壳和柔性基材如皮革等的涂层。相关成果以《pH triggered hydrogen bonding for preparing mechanically strong, electromagnetic interference shielding and thermally conductive waterborne polymer/graphene@polydopamine composites》为题发表在碳材料领域顶级期刊《Carbon》（IF=9.594）上。
pH值诱导静电斥力转变为氢键作用的示意图
界面结合弱限制了应力传递，因此，增强界面作用是提高复合材料力学性能的关键。然而，增强水性乳胶与填料的界面作用往往牺牲了填料的分散性。本研究通过聚多巴胺原位改性石墨烯纳米片（GNS@PDA），利用聚多巴胺中酚羟基对pH值敏感的电离和质子化行为以及水性乳胶在酸性条件下自然干燥过程中pH值的自然下降特性，设计构筑了GNS@PDA和阴离子苯丙乳胶（P(St-BA)）之间的氢键界面作用。由于高pH值下酚羟基电离使GNS@PDA带负电，可与阴离子P(St-BA)在静电斥力作用下保持稳定分散。当pH值下降时，酚羟基重新质子化减弱了静电斥力，同时增强了酚羟基和P(St-BA)中酯羰基间的氢键吸引作用。当氢键作用强于静电斥力时，复合体系将发生团聚。因此，将体系发生团聚的pH值定为相互作用的转变pH值（pHt），将共混时的pH值调节为略高于pHt（小于7），此时复合乳胶在静电斥力的作用下保持稳定分散，而随着乳胶成膜干燥过程体系pH值自然下降至pHt，GNS@PDA与P(St-BA)间的氢键吸引作用增强了界面结合，同时不断上升的粘度阻碍了GNS@PDA和P(St-BA)的团聚。这样既保证了共混时GNS@PDA的稳定分散，又提高了成膜后GNS@PDA和P(St-BA)的界面作用，从而增强了复合材料的力学性能。
基于以上设计思路，本研究利用拉伸试验、FT-IR、DSC以及分子动力学模拟等手段考察了调节成膜pH值对复合体系界面作用的影响规律，发现复合体系的pHt值为6.1，将共混pH值调节为6.4时，复合材料获得了最优的力学性能。氢键作用显著提升了界面结合，填料质量分数为10%的复合材料的抗张强度最大（10.97 MPa），相比于纯苯丙乳胶成膜提高了137%。此外，填料分数为20%的复合材料具有442.5 S/m的最大电导率。此时，复合材料在100 μm厚度下拥有20 dB的屏蔽效能，满足了商业化使用要求（20 dB），当厚度增大至0.6 mm时，复合材料的屏蔽效能为58 dB，可屏蔽99.9998%的电磁波能量。将复合涂层材料用做皮革涂层后，所获得的柔性、导电、电磁屏蔽皮革可显著降低电子设备的电场值，展示了其用于柔性基材涂层材料的巨大潜力。
复合材料和复合涂层涂饰革样的实际应用照片
本研究的主要完成人和第一作者为博士生卫林峰，马建中教授、张文博博士和北京大学白树林教授为论文的通讯作者。
