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北林李建章教授、西南林大徐開(kāi)蒙教授等 NML：基于生物質(zhì)細(xì)胞壁微納結(jié)構(gòu)界面控制的先進(jìn)功能電磁屏蔽材料研究進(jìn)展
2024-10-09  來(lái)源：高分子科技

  電磁干擾屏蔽材料的研究已開(kāi)始向綠色、可持續(xù)的生物質(zhì)材料方向發(fā)展。這些材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，如輕質(zhì)、多孔和分層等。由于其多孔性、界面相容性和導(dǎo)電性，生物質(zhì)材料作為電磁干擾屏蔽材料具有巨大的潛力。盡管在生物材料的電磁干擾屏蔽方面已經(jīng)有了一致的努力，但與傳統(tǒng)的電磁干擾屏蔽材料相比，這一研究領(lǐng)域仍然相對(duì)較新。特別是，對(duì)影響生物質(zhì)電磁干擾屏蔽材料的孔隙結(jié)構(gòu)調(diào)整、制備工藝和微觀(guān)控制等因素進(jìn)行更全面的研究和總結(jié)將具有重要意義。


1.本文亮點(diǎn)


  1.分析了生物質(zhì)材料屏蔽電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)了生物材料屏蔽電磁干擾的機(jī)理，系統(tǒng)分析了生物材料屏蔽電磁干擾的影響因素。


  2.對(duì)各種生物質(zhì)材料（木材、竹子、木質(zhì)素、纖維素等）進(jìn)行改性，以獲得獨(dú)特的結(jié)構(gòu)并提高EMI屏蔽性能。


  3.總結(jié)了生物質(zhì)材料在電磁干擾屏蔽應(yīng)用中遇到的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。


  北京林業(yè)大學(xué)李建章教授等人系統(tǒng)地總結(jié)了木材、竹子、纖維素和木質(zhì)素在電磁干擾屏蔽領(lǐng)域的制備方法和特點(diǎn)，并對(duì)同類(lèi)生物質(zhì)電磁干擾材料進(jìn)行了總結(jié)和分析。綜述了各種生物質(zhì)材料的復(fù)合方法和填料，重點(diǎn)介紹了電磁干擾屏蔽的機(jī)理，以及該領(lǐng)域的發(fā)展前景和挑戰(zhàn)。


  2024年9月20日，相關(guān)工作以“Advanced Functional Electromagnetic Shielding Materials: A Review Based on Micro?Nano Structure Interface Control of Biomass Cell Walls”為題發(fā)表在Nano-Micro Letters上。第一作者是南林博士生石洋、碩士生伍明軍，北林李建章教授、南林羅晶副教授、諾森比亞大學(xué)Zhanhu Guo教授、西南林大徐開(kāi)蒙教授、河南農(nóng)大陳香萌副教授為論文通訊作者。



  手機(jī)、電腦和其他電子設(shè)備的普遍使用給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)了前所未有的便利。然而，這種便利是有代價(jià)的，因?yàn)檫@些電子設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生電磁干擾（EMI）和污染。事實(shí)上，世界衛(wèi)生組織已將電磁輻射列為繼水污染、空氣污染和噪聲污染之后的第四大環(huán)境污染源。這一不斷升級(jí)的問(wèn)題引起了公眾的極大關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，電磁污染會(huì)阻礙電子設(shè)備的正常工作，從而導(dǎo)致故障和潛在的數(shù)據(jù)泄露。此外，它還會(huì)給個(gè)人帶來(lái)嚴(yán)重的健康風(fēng)險(xiǎn)，如頭痛、失眠和嗜睡。因此，至關(guān)重要的是優(yōu)先發(fā)展具有高效電磁屏蔽的材料，以減輕這些風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)保持其各自應(yīng)用的性能。近年來(lái)，對(duì)電磁干擾屏蔽材料的研究逐漸增多，但對(duì)生物質(zhì)電磁干擾屏蔽材料的研究還相對(duì)較少。隨著人們對(duì)電磁污染和環(huán)境問(wèn)題的重視，近兩年來(lái)對(duì)生物質(zhì)電磁干擾材料的研究相對(duì)較多（圖1）。這讓我們看到了生物質(zhì)電磁干擾屏蔽材料的前景，本文將介紹目前生物質(zhì)電磁干擾屏蔽材料的制備、特點(diǎn)，供研究人員參考。


圖1.（a）在生活中經(jīng)常引起電磁波的物體；（b）過(guò)去二十年發(fā)表的關(guān)于電磁屏蔽的文章；（c）過(guò)去二十年來(lái)發(fā)表的關(guān)于生物質(zhì)電磁屏蔽的文章。

  以往對(duì)電磁屏蔽材料的研究主要集中在金屬及其氧化物、碳基材料、磁性材料、高分子屏蔽材料等方面。其中，金屬(如鐵、銀、鎳、銅和鋁)及其化合物因其屏蔽電磁的有效性而被廣泛研究和靜電場(chǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)渡金屬硫化物具有較強(qiáng)的電化學(xué)活性、較高的比電容和增強(qiáng)的電導(dǎo)率。磁性材料在低頻電磁輻射下表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸收和衰減特性。近年來(lái)，高分子屏蔽材料的主要研究方向集中在聚噻吩、聚氨酯、聚吡啶等共軛π鍵聚合物上。這些材料由于其卓越的性能，包括高效率、輕質(zhì)、耐腐蝕和出色的加工能力而獲得了大量的關(guān)注。另一方面，碳基材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和高介電性損耗、比表面積、突出的化學(xué)穩(wěn)定性和大寬高比，表明它們?cè)陔姶牌帘螒?yīng)用中的潛在用途。


圖2. 傳統(tǒng)電磁干擾屏蔽材料、制備方法及性能 圖3. 電磁干擾屏蔽領(lǐng)域的各類(lèi)生物質(zhì)材料，以木材、纖維素、木質(zhì)素為例


  生物質(zhì)材料因其低成本、可持續(xù)性、輕質(zhì)性和多孔分層結(jié)構(gòu)而受到關(guān)注，使其成為傳統(tǒng)EMI屏蔽材料的有前途的替代品。生物質(zhì)基多功能電磁屏蔽材料不僅能有效屏蔽電磁波，還具有導(dǎo)電性、顯著阻燃性和抗菌活性等其他功能。生物質(zhì)材料可以通過(guò)不同的處理和加工方法來(lái)調(diào)整其結(jié)構(gòu)，例如，通過(guò)優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)、形狀、大小和分布來(lái)改善材料的吸收損耗和多重反射衰減，從而增強(qiáng)其屏蔽效果。一些用于電磁屏蔽的常見(jiàn)生物質(zhì)材料是木材、竹子、木質(zhì)素和纖維素（圖3）。


2. 電磁屏蔽的機(jī)制


  當(dāng)磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)發(fā)生變化。這些磁場(chǎng)沿同一方向垂直振蕩，并在變化的磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁波。電磁波產(chǎn)生的電磁輻射對(duì)周?chē)h(huán)境具有不可逆轉(zhuǎn)的影響。這種效應(yīng)被稱(chēng)為電磁干擾。EMI屏蔽涉及使用特定材料隔離EMW并有效控制它們?cè)谝欢▍^(qū)域的傳輸。屏蔽機(jī)制包括內(nèi)部多重反射、反射和吸收（圖4）。


圖4. 電磁屏蔽材料的電磁屏蔽機(jī)理圖


  圖5展示了生物質(zhì)材料的電磁屏蔽機(jī)制。在實(shí)驗(yàn)中，通常設(shè)計(jì)多層屏蔽結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。改進(jìn)的阻抗匹配可以減少材料表面的電磁波反射，使電磁波進(jìn)入材料并被吸收（圖6）。


圖5. 生物質(zhì)電磁屏蔽材料的屏蔽機(jī)理。（a）AgNw@MXene/木材的電磁屏蔽機(jī)制圖;（b）石墨烯/木質(zhì)素衍生碳的微波衰減機(jī)制。

圖6. 影響電磁干擾屏蔽中反射、吸收和多重反射的因素。


3.1木材及其衍生物


  木材是一種環(huán)保可降解的材料，具有較大的比表面積和豐富的分層多孔結(jié)構(gòu)。這些孔隙的存在提高了EMW的吸收效率，并促進(jìn)了多個(gè)EMW在孔隙中的反射。此外，木材表面是由豐富的活性羥基組成，為無(wú)機(jī)顆粒的結(jié)合提供了理想的環(huán)境。


3.1.1 MXene/木基復(fù)合材料


  圖7描述了MXene/wood復(fù)合材料的制造過(guò)程及其電磁屏蔽特性。MXene與木材的結(jié)合顯示出EMI屏蔽材料的巨大前景。這些復(fù)合材料具有有序的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，可通過(guò)電磁波反射、吸收和多次內(nèi)部反射來(lái)提高EMI SE。定制MXene/wood復(fù)合材料可以靈活地滿(mǎn)足特定的性能要求，并擴(kuò)大其在各個(gè)行業(yè)的潛在應(yīng)用。


圖7. MXene/木基電磁屏蔽復(fù)合材料的制備。（a）高度各向異性MXene@Wood復(fù)合材料的制備和橫截面的EMI屏蔽性能;（b）WA-M/木材的制備過(guò)程圖示;（c）柔性MXene/木材復(fù)合材料的制備示意圖和復(fù)合材料的EMI屏蔽性能;（d）d-Ti3C2Tx/DW的制備和表征以及d-Ti3C2Tx/DW的EMI屏蔽性能。

3.1.2 金屬/木基復(fù)合材料


  圖8 a-d顯示了木材/金屬?gòu)?fù)合材料制備及其電磁屏蔽機(jī)理；瘜W(xué)鍍是將金屬顆粒與木材結(jié)合的主要方法，利用木材豐富的孔隙注入金屬顆粒并在表面形成均勻的金屬層。將金屬顆粒整合到生物質(zhì)材料中可顯著提高磁損耗和電磁波吸收能力，同時(shí)還能改善復(fù)合材料內(nèi)的導(dǎo)電性、阻抗匹配和界面極化。


圖8. Cu-Ni/木基電磁屏蔽材料的制備及其電磁波吸收示意圖。（a）三明治結(jié)構(gòu)的Cu-Ni木基復(fù)合材料Cu-Ni木基復(fù)合材料的制備;（b）每個(gè)樣品的電磁參數(shù)、磁損耗角正切和介電損耗角正切;（c）夾層結(jié)構(gòu)Cu-Ni木基復(fù)合材料的EMI屏蔽性能;（d）Cu-Ni木基復(fù)合材料的吸收機(jī)制示意圖。

3.1.3 聚合物/木基復(fù)合材料


  圖9顯示了聚合物/木材復(fù)合材料的制備工藝及其各自的EMI SE。目前，制造木塑電磁屏蔽復(fù)合材料的主要方法是原位聚合。通過(guò)調(diào)整聚合物的介電特性來(lái)確保與空氣的阻抗匹配實(shí)現(xiàn)電磁波的吸收。此外，導(dǎo)電填料的加入有助于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成，從而提高材料的EMI屏蔽性能。


圖9. 高分子聚合物/木基電磁屏蔽復(fù)合材料的制備。（a）PEDOT/木材的制備方案和復(fù)合材料EMI屏蔽性能;（b）PANI-WA氣凝膠和木材的制備工藝以及復(fù)合材料的EMI屏蔽性能。

3.1.4 改性膠黏劑


  圖10 a顯示了膠合板可用于電磁屏蔽的原理。將抗菌劑季銨鹽化超支化聚酰胺（QHBPA）與石墨烯納米片（GNS）相結(jié)合，得到G-co-Q雜化物。通過(guò)與大豆分離蛋白（SPI）和植酸（PA）的靜電相互作用和氫鍵合制備有機(jī)和無(wú)機(jī)雜化膠合板膠粘劑。它不僅表現(xiàn)出43dB的電磁屏蔽性能，而且具有良好的阻燃性和抗霉性。


圖10. 改性膠粘劑在電磁屏蔽領(lǐng)域的運(yùn)用。（a）用于電磁屏蔽的膠合板原理;（b）蛋白質(zhì)膠粘劑中有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化結(jié)構(gòu)的制備和EMI屏蔽性能;（c）強(qiáng)導(dǎo)電大豆蛋白膠粘劑的制備示意圖。

3.2 纖維素及其衍生物


  圖10顯示了纖維素復(fù)合材料的制備過(guò)程以及不同濃度對(duì)EMI SE的影響。用于電磁屏蔽的纖維素基材料主要使用冷凍干燥和浸漬方法制備而來(lái)。纖維素基材料中固有的界面極化增加了EMW損耗，而導(dǎo)電填料的添加有助于電荷分布并增強(qiáng)介電損耗。此外，纖維素中羥基的天然孔隙率和豐度使其具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性，促進(jìn)了電磁波的多次內(nèi)部反射并提高了EMI屏蔽性能。


圖11.（a）復(fù)合泡沫的制造過(guò)程、泡沫結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料的EMI屏蔽性能的示意圖;（b）銀納米線(xiàn)/纖維素支架復(fù)合材料的制備和EMI屏蔽性能;（c）MXene/納米纖維素復(fù)合薄膜的合成。

3.3 木質(zhì)素及其衍生物


  木質(zhì)素具有多孔結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的碳骨架結(jié)構(gòu)，其中有許多苯環(huán)，有助于其EMI屏蔽性能。此外，其多孔表面富含活性位點(diǎn)和官能團(tuán)，如游離羥基和羧基，可與其他材料發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)。圖12展示了木質(zhì)素復(fù)合材料的制備過(guò)程以及不同濃度對(duì)EMI SE的影響。目前，木質(zhì)素的加工方法比較簡(jiǎn)單，通常涉及冷凍干燥或原位聚合。通常使用Fe3O4、Fe和CNT作為填料。通過(guò)利用木質(zhì)素的多孔結(jié)構(gòu)和苯骨架，Fe3O4可以調(diào)節(jié)電子運(yùn)動(dòng)，而CNT則形成有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。這些成分的綜合效應(yīng)顯著增強(qiáng)了復(fù)合材料的EMI SE。


圖12. （a）FCLBEA屏蔽材料的制備工藝和復(fù)合材料的EMI屏蔽性能;（b）RGO/LDC氣凝膠的制備過(guò)程和RGO/LDC氣凝膠的EMI屏蔽性能;（c）多功能木質(zhì)素納米顆粒的制備及其復(fù)合結(jié)構(gòu)和電磁屏蔽性能。

3.4 竹及其衍生物


  圖13顯示了竹復(fù)合材料的制備過(guò)程以及不同比例濃度對(duì)EMI SE的影響。Zhang等人在竹纖維上進(jìn)行了化學(xué)鍍Ni-Fe-P作為增強(qiáng)階段。然后，將金屬化竹纖維摻入聚乳酸（PLA）中進(jìn)行熱壓處理，制備得到EMI SE為45 dB的竹基復(fù)合材料（圖13a）。此外，將UV樹(shù)脂浸漬到纖維骨架上來(lái)改性竹子。可使其建筑材料具有60%的透光率、出色的機(jī)械性能和46.3 dB的EMI SE（圖13c）。


圖13.（a）MBF/PLA復(fù)合材料的制備工藝和EMI屏蔽性能;（b）竹外皮、竹內(nèi)皮和竹漿的鎳活化過(guò)程和表面電阻率;（c）透明建筑竹的制備及其機(jī)械性能和EMI屏蔽性能。

3.5 其他生物質(zhì)復(fù)合材料


  圖14顯示了復(fù)合材料及其各自的EMI SE的制備過(guò)程。紡織品和織物已被用于制備EMI屏蔽材料和其他電子產(chǎn)品。例如，Peng等人使用Ni作為催化劑，在900 °C下使棉花碳化，生產(chǎn)出EMI SE為107dB的紡織品。鎳處理紡織品的高度石墨化產(chǎn)生了具有高結(jié)晶度和完美的六元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的碳，促進(jìn)了電子轉(zhuǎn)移（圖14b）。


圖14.（a）ASC/RGO復(fù)合材料的制備工藝;（b）鎳裝飾紡織品制造工藝和鎳裝飾紡織品的EMI屏蔽性能;（c）秸稈衍生碳的EMI屏蔽機(jī)制和改性后的EMI屏蔽性能。

4. 生物質(zhì)復(fù)合材料的電磁屏蔽性能及應(yīng)用


  生物質(zhì)電磁屏蔽復(fù)合材料表現(xiàn)出令人印象深刻的機(jī)械性能、出色的阻燃性和強(qiáng)大的電磁屏蔽能力。此外，涂層處理可以增強(qiáng)其耐水性和耐腐蝕性，使其適用于各種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境。這些多功能復(fù)合材料可用于通信、電子和住宅（圖15a-d）。


  此外，未來(lái)生物質(zhì)復(fù)合材料的研究應(yīng)放在開(kāi)發(fā)可在實(shí)際應(yīng)用中有效利用的多功能生物質(zhì)EMI屏蔽復(fù)合材料上。不僅要表現(xiàn)出出色的電磁屏蔽性能，而且還要表現(xiàn)出卓越的環(huán)境適應(yīng)性，包括耐候性、阻燃性、耐腐蝕性和防水性能（圖16）。



圖15. 生物質(zhì)EMI屏蔽材料在建筑、家具和服裝中的應(yīng)用 圖16. 生物質(zhì)EMI屏蔽材料的復(fù)合方向、性能、特點(diǎn)及未來(lái)應(yīng)用


5.總結(jié)與展望


  本文總結(jié)了生物質(zhì)EMI屏蔽復(fù)合材料的最新進(jìn)展，包括EMI屏蔽的底層機(jī)理、各類(lèi)生物質(zhì) EMI 屏蔽材料的應(yīng)用，以及生物質(zhì)EMI屏蔽復(fù)合材料的涂層、浸漬、原位聚合、原位插入和化學(xué)電鍍等制備方法。此外，對(duì)生物質(zhì)材料的改性也賦予了理想的性能，如透明度、防水性和防霉性，從而擴(kuò)大了生物質(zhì)材料在電磁屏蔽領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。


  （1）材料多樣性：生物質(zhì)材料用于EMI屏蔽受到限制，例如，某些木材性能，如耐腐蝕性、耐熱性和疏水性，并不符合要求。增加生物質(zhì)材料的多樣性至關(guān)重要，可通過(guò)改性或復(fù)合生產(chǎn)制造出具有特殊性能的電磁屏蔽材料。


  （2）凈零排放：在生物質(zhì)材料的生產(chǎn)過(guò)程中，必須考慮不同填料的改性，因?yàn)樗鼤?huì)釋放有害氣體？梢越⑷娴纳芷诜椒ㄒ詫(shí)現(xiàn)零碳排放。


  （3）機(jī)器學(xué)習(xí)：通過(guò)對(duì)生物質(zhì)材料的分析和研究，可以通過(guò)人工智能技術(shù)分析各種填料，以提高生物質(zhì)材料的性能并改善一種或多種機(jī)械或化學(xué)性能。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，可以選擇更合適的制備工藝或設(shè)備，以滿(mǎn)足生產(chǎn)的高效、安全、可靠。


  （4）循環(huán)經(jīng)濟(jì)：生物質(zhì)材料很容易從天然來(lái)源獲得，也可以從廢紙或其他產(chǎn)品中提取，從而提供可持續(xù)的二次用途。處理后的廢物也可以多次回收用于紙漿模塑或填充物。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-024-01494-2

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