Cellulose aerogels decorated with multi-walled carbon nanotubes: preparation, characterization, and application for electromagnetic interference shielding

Abstract

Electromagnetic wave pollution has attracted extensive attention because of its ability to affect the operation of electronic machinery and endanger human health. In this work, the environmentally-friendly hybrid aerogels consisting of cellulose and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were fabricated. The aerogels have a low bulk density of 58.17 mg·cm⁻³. The incorporation of MWCNTs leads to an improvement in the thermal stability. In addition, the aerogels show a high electromagnetic interference (EMI) SE_total value of 19.4 dB. Meanwhile, the absorption-dominant shielding mechanism helps a lot to reduce secondary radiation, which is beneficial to develop novel eco-friendly EMI shielding materials.

Keywords

cellulose aerogels / carbon nanotubes / electromagnetic interference shielding / composites

References

[1] Liebner F, Potthast A, Rosenau T, Haimer E, Wendland M. Cellulose aerogels: highly porous, ultra-lightweight materials. Holzforschung, 2008, 62(2): 129–135

[2] Sescousse R, Gavillon R, Budtova T. Aerocellulose from cellulose–ionic liquid solutions: preparation, properties and comparison with cellulose–NaOH and cellulose–NMMO routes. Carbohydrate Polymers, 2011, 83(4): 1766–1774

[3] Pääkkö M, Vapaavuori J, Silvennoinen R, Kosonen H, Ankerfors M, Lindström T, Berglund L A, Ikkala O. Long and entangled native cellulose I nanofibers allow flexible aerogels and hierarchically porous templates for functionalities. Soft Matter, 2008, 4(12): 2492–2499

[4] Wan C, Li J. Facile synthesis of well-dispersed superparamagnetic g-Fe₂O₃ nanoparticles encapsulated in three-dimensional architectures of cellulose aerogels and their applications for Cr (VI) removal from contaminated water. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2015, 3(9): 2142–2152

[5] Wan C, Li J. Synthesis of well-dispersed magnetic CoFe₂O₄ nanoparticles in cellulose aerogels via a facile oxidative co-precipitation method. Carbohydrate Polymers, 2015, 134: 144–150

[6] Wan C, Lu Y, Jin C, Sun Q, Li J. A facile low-temperature hydrothermal method to prepare anatase titania/cellulose aerogels with strong photocatalytic activities for rhodamine B and methyl orange degradations. Journal of Nanomaterials, 2015, 2015: 717016

[7] Wan C, Li J. Embedding ZnO nanorods into porous cellulose aerogels via a facile one-step low-temperature hydrothermal method. Materials & Design, 2015, 83: 620–625

[8] Baughman R H, Zakhidov A A, de Heer W A. Carbon nanotubes-the route toward applications. Science, 2002, 297(5582): 787–792

[9] Berber S, Kwon Y K, Tománek D. Unusually high thermal conductivity of carbon nanotubes. Physical Review Letters, 2000, 84(20): 4613–4616

[10] Li Q, Li Y, Zhang X, Chikkannanavar S B, Zhao Y, Dangelewicz A M, Zheng L, Doorn S K, Jia Q, Peterson D E, Arendt P N, Zhu Y. Structure-dependent electrical properties of carbon nanotube fibers. Advanced Materials, 2007, 19(20): 3358–3363

[11] Zhang H, Wang Z, Zhang Z, Wu J, Zhang J, He J. Regenerated-cellulose/multiwalled-carbon nanotube composite fibers with enhanced mechanical properties prepared with the ionic liquid 1–allyl–3–methylimidazolium chloride. Advanced Materials, 2007, 19(5): 698–704

[12] Hsieh T, Kinloch A, Taylor A, Kinloch I. The effect of carbon nanotubes on the fracture toughness and fatigue performance of a thermosetting epoxy polymer. Journal of Materials Science, 2011, 46(23): 7525–7535

[13] Haggenmueller R, Fischer J E, Winey K I. Single wall carbon nanotube/polyethylene nanocomposites: nucleating and templating polyethylene crystallites. Macromolecules, 2006, 39(8): 2964–2971

[14] Muñoz E, Suh D S, Collins S, Selvidge M, Dalton A B, Kim B G, Razal J M, Ussery G, Rinzler A G, Martínez M T, Baughman R H. Highly conducting carbon nanotube/polyethyleneimine composite fibers. Advanced Materials, 2005, 17(8): 1064–1067

[15] Chatterjee T, Yurekli K, Hadjiev V G, Krishnamoorti R. Single-walled carbon nanotube dispersions in poly(ethylene oxide). Advanced Functional Materials, 2005, 15(11): 1832–1838

[16] Jin Z, Pramoda K, Xu G, Goh S H. Dynamic mechanical behavior of melt-processed multi-walled carbon nanotube/poly(methyl methacrylate) composites. Chemical Physics Letters, 2001, 337(1): 43–47

[17] Chang T, Jensen L R, Kisliuk A, Pipes R, Pyrz R, Sokolov A. Microscopic mechanism of reinforcement in single-wall carbon nanotube/polypropylene nanocomposite. Polymer, 2005, 46(2): 439–444

[18] Shaffer M S, Windle A H. Fabrication and characterization of carbon nanotube/poly(vinyl alcohol) composites. Advanced Materials, 1999, 11(11): 937–941

[19] Li J, Wan C, Lu Y, Sun Q. Fabrication of cellulose aerogel from wheat straw with strong absorptive capacity. Frontiers of Agricultural Science and Engineering, 2014, 1(1): 46–52

[20] Wan C, Lu Y, Jiao Y, Jin C, Sun Q, Li J. Fabrication of hydrophobic, electrically conductive and flame-resistant carbon aerogels by pyrolysis of regenerated cellulose aerogels. Carbohydrate Polymers, 2015, 118: 115–118

[21] Nishiyama Y, Langan P, Chanzy H. Crystal structure and hydrogen-bonding system in cellulose Ib from synchrotron X-ray and neutron fiber diffraction. Journal of the American Chemical Society, 2002, 124(31): 9074–9082

[22] Bele M, Kodre A, Arčon I, Grdadolnik J, Pejovnik S, Besenhard J O. Adsorption of cetyltrimethylammonium bromide on carbon black from aqueous solution. Carbon, 1998, 36(7): 1207–1212

[23] Chetty R, Kundu S, Xia W, Bron M, Schuhmann W, Chirila V, Brandld W, Reineckec T, Muhlera M. PtRu nanoparticles supported on nitrogen-doped multiwalled carbon nanotubes as catalyst for methanol electrooxidation. Electrochimica Acta, 2009, 54(17): 4208–4215

[24] Wan J, Yan X, Ding J, Ren R. A simple method for preparing biocompatible composite of cellulose and carbon nanotubes for the cell sensor. Sensors and Actuators. B, Chemical, 2010, 146(1): 221–225

[25] Geetha S, Satheesh Kumar K, Rao C R, Vijayan M, Trivedi D. EMI shielding: Methods and materials–A review. Journal of Applied Polymer Science, 2009, 112(4): 2073–2086

[26] Al-Saleh M H, Saadeh W H, Sundararaj U. EMI shielding effectiveness of carbon based nanostructured polymeric materials: a comparative study. Carbon, 2013, 60: 146–156

[27] Liu X, Yin X, Kong L, Li Q, Liu Y, Duan W, Zhang L, Cheng L. Fabrication and electromagnetic interference shielding effectiveness of carbon nanotube reinforced carbon fiber/pyrolytic carbon composites. Carbon, 2014, 68: 501–510

[28] Hao X, Yin X, Zhang L, Cheng L. Dielectric, electromagnetic interference shielding and absorption properties of Si₃N₄–PyC composite ceramics. Journal of Materials Science and Technology, 2013, 29(3): 249–254

[29] Alimohammadi F, Gashti M P, Shamei A. Functional cellulose fibers via polycarboxylic acid/carbon nanotube composite coating. Journal of Coatings Technology and Research, 2013, 10(1): 123–132 

[30] Song W L, Fan L Z, Cao M S, Lu M M, Wang C Y, Wang J, Chen T T, Li Y, Hou Z L, Liu J, Sun Y P. Facile fabrication of ultrathin graphene papers for effective electromagnetic shielding. Journal of Materials Chemistry. C, Materials for Optical and Electronic Devices, 2014, 2(25): 5057–5064

[31] Chung D. Materials for electromagnetic interference shielding. Journal of Materials Engineering and Performance, 2000, 9(3): 350–354

[32] Zhang H B, Zheng W G, Yan Q, Jiang Z G, Yu Z Z. The effect of surface chemistry of graphene on rheological and electrical properties of polymethylmethacrylate composites. Carbon, 2012, 50(14): 5117–5125

Acknowledgements

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31270590, 31470584).

Jian Li and Caichao Wan declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

This article does not contain any studies with human or animal subjects performed by any of the authors.

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg