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中國(guó)林科院林化所賈普友副研究員、周永紅研究員《Polym. Rev.》：纖維素基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及在EMI屏蔽應(yīng)用研究進(jìn)展
2024-04-08  來(lái)源：高分子科技
關(guān)鍵詞：纖維素 電磁屏蔽

  在所有生物基資源中，纖維素是最豐富的可再生材料之一，具有親水性、手性、生物降解性、廣泛的化學(xué)改性能力和低成本等優(yōu)點(diǎn)，并且構(gòu)成纖維素的葡萄糖基質(zhì)單元具有許多羥基和醚基，這些基團(tuán)提供了大量的氫鍵位點(diǎn)用于改性，使其成為制備EMI屏蔽材料的優(yōu)良基材，為纖維素基電磁屏蔽材料的進(jìn)一步發(fā)展提供了參考。



  近日，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所周永紅研究員、賈普友副研究員團(tuán)隊(duì)撰寫(xiě)了題為“Recent Advances of Application and Structural Design of Cellulose-based Composites for EMI Shielding”的綜述文章，已于近日在Polymer Reviews雜志在線發(fā)表。本文首先系統(tǒng)地綜述了電磁屏蔽的基本原理和測(cè)試方法，然后對(duì)纖維素基電磁屏蔽材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了評(píng)述。此外，還討論了纖維素基電磁屏蔽材料的性能及優(yōu)勢(shì)。文章還提及了纖維素基電磁屏蔽材料目前的挑戰(zhàn)以及未來(lái)光明的發(fā)展前景。


圖1 電磁屏蔽材料的應(yīng)用


  傳輸線理論表明通過(guò)屏蔽材料的電磁波將遭受三個(gè)過(guò)程，包括反射，吸收和多次反射。當(dāng)EMI波與屏蔽件相互作用時(shí)，由于空間波和電磁波之間的阻抗失配，一部分入射功率在前后表面上被反射，導(dǎo)致反射損耗。復(fù)合材料通過(guò)磁損耗和介電損耗的協(xié)同效應(yīng)在界面和內(nèi)部結(jié)合了上述三者的屏蔽機(jī)制。通過(guò)添加介電和磁性填料可以實(shí)現(xiàn)材料的微波傳導(dǎo)性、磁化性以及適度的極化和吸收性能。


圖2.（a）均勻結(jié)構(gòu);（b）層狀結(jié)構(gòu);（c）多孔結(jié)構(gòu)


  根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，纖維素基電磁屏蔽材料可分為三類(lèi)：均勻結(jié)構(gòu)，層狀結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)。


  目前，纖維素基電磁屏蔽材料主要包括纖維素紙、薄膜和多孔材料，其結(jié)構(gòu)多樣，影響電磁屏蔽性能。電磁屏蔽功能化纖維素紙的層狀結(jié)構(gòu)是一種常見(jiàn)的構(gòu)造策略，可以增強(qiáng)對(duì)電磁波的多次反射和吸收的衰減效果。與復(fù)合紙類(lèi)似，纖維素復(fù)合膜也具有多種結(jié)構(gòu)，目前，電磁屏蔽功能化纖維素復(fù)合膜的設(shè)計(jì)主要是以層狀結(jié)構(gòu)為主，其次是均相和多孔結(jié)構(gòu)，薄膜層的堆疊可以有效地增強(qiáng)阻抗匹配和多次反射機(jī)制。由纖維素制備的氣凝膠在密度、機(jī)械性能和熱性能方面表現(xiàn)出特異性。對(duì)于電磁屏蔽材料的應(yīng)用，氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)電磁波的吸收和多次反射效應(yīng)，向氣凝膠中添加導(dǎo)電填料是減少電磁波污染的策略之一。


圖3. 基于纖維素的不同結(jié)構(gòu)的EMI SE（a）和SE/t（b）作為厚度的函數(shù)，以及絕對(duì)屏蔽效能（SSE/t）作為厚度（c）和密度（d）的函數(shù)。


  當(dāng)EMI屏蔽材料用于小型化電子產(chǎn)品時(shí)，需要較薄厚度的材料。纖維素類(lèi)EMI屏蔽材料如紙類(lèi)和薄膜類(lèi)具有理想的超薄屏蔽材料，并可在納米級(jí)生產(chǎn)，滿足商業(yè)產(chǎn)品的要求。當(dāng)電磁屏蔽應(yīng)用于航空航天和軍事領(lǐng)域時(shí)，需要超輕質(zhì)電磁屏蔽材料。多孔泡沫和氣凝膠提供了強(qiáng)大的超輕的EMI屏蔽與優(yōu)秀的屏蔽效能（SSE）。


圖4 納米多孔Ag膜的制造示意圖（a）、照片和截面SEM圖像（b）、EMI屏蔽機(jī)制（d）和EMI SE特性（c，e）


圖5 PGM氣凝膠的制備過(guò)程示意圖、EDS元素圖譜圖像、EMI屏蔽機(jī)制和性能


  纖維素基電磁屏蔽材料的主要功能是電磁屏蔽，但在實(shí)際應(yīng)用中，還可以結(jié)合纖維素的優(yōu)良性能和其他改性措施，實(shí)現(xiàn)多功能化。首先，纖維素已被證明是一種理想的具有優(yōu)良導(dǎo)熱性的基質(zhì)，并且具有良好的熱管理性能；其次，疏水材料由于其防水、防污和自清潔特征而引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注，已有研究表明可以制備出具有良好疏水性的薄膜。因此，纖維素基電磁屏蔽材料的多功能化是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。


  南京林業(yè)大學(xué)馬玉峰副教授和中國(guó)林科院林化所胡云副研究員為論文共同第一作者，中國(guó)林科院林化所賈普友副研究員為唯一通訊作者。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1080/15583724.2024.2335504

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