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中國林科院林化所賈普友副研究員、周永紅研究員《Polym. Rev.》：纖維素基復合材料的結構設計及在EMI屏蔽應用研究進展

2024-04-08 來源：高分子科技

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、廣泛的化學改性能力和低成本等優(yōu)點，并且構成纖維素的葡萄糖基質(zhì)單元具有許多羥基和醚基，這些基團提供了大量的氫鍵位點用于改性，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一步發(fā)展提供了參考。

近日，中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所周永紅研究員、賈普友副研究員團隊撰寫了題為“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試方法，然后對纖維素基電磁屏蔽材料的結構和性能進行了評述。此外，還討論了纖維素基電磁屏蔽材料的性能及優(yōu)勢。文章還提及了纖維素基電磁屏蔽材料目前的挑戰(zhàn)以及未來光明的發(fā)展前景。

圖1 電磁屏蔽材料的應用

傳輸線理論表明通過屏蔽材料的電磁波將遭受三個過程，包括反射，吸收和多次反射。當EMI波與屏蔽件相互作用時，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，導致反射損耗。復合材料通過磁損耗和介電損耗的協(xié)同效應在界面和內(nèi)部結合了上述三者的屏蔽機制。通過添加介電和磁性填料可以實現(xiàn)材料的微波傳導性、磁化性以及適度的極化和吸收性能。

圖2.（a）均勻結構;（b）層狀結構;（c）多孔結構

根據(jù)結構的不同，纖維素基電磁屏蔽材料可分為三類：均勻結構，層狀結構和多孔結構。

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，其結構多樣，影響電磁屏蔽性能。電磁屏蔽功能化纖維素紙的層狀結構是一種常見的構造策略，可以增強對電磁波的多次反射和吸收的衰減效果。與復合紙類似，纖維素復合膜也具有多種結構，目前，電磁屏蔽功能化纖維素復合膜的設計主要是以層狀結構為主，其次是均相和多孔結構，薄膜層的堆疊可以有效地增強阻抗匹配和多次反射機制。由纖維素制備的氣凝膠在密度、機械性能和熱性能方面表現(xiàn)出特異性。對于電磁屏蔽材料的應用，氣凝膠的多孔結構可以促進電磁波的吸收和多次反射效應，向氣凝膠中添加導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構的EMI SE（a）和SE/t（b）作為厚度的函數(shù)，以及絕對屏蔽效能（SSE/t）作為厚度（c）和密度（d）的函數(shù)。

當EMI屏蔽材料用于小型化電子產(chǎn)品時，需要較薄厚度的材料。纖維素類EMI屏蔽材料如紙類和薄膜類具有理想的超薄屏蔽材料，并可在納米級生產(chǎn)，滿足商業(yè)產(chǎn)品的要求。當電磁屏蔽應用于航空航天和軍事領域時，需要超輕質(zhì)電磁屏蔽材料。多孔泡沫和氣凝膠提供了強大的超輕的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屏蔽機制（d）和EMI SE特性（c，e）

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

纖維素基電磁屏蔽材料的主要功能是電磁屏蔽，但在實際應用中，還可以結合纖維素的優(yōu)良性能和其他改性措施，實現(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術界和工業(yè)界的關注，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的發(fā)展趨勢之一。

南京林業(yè)大學馬玉峰副教授和中國林科院林化所胡云副研究員為論文共同第一作者，中國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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（責任編輯：xu）

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