中国林科院林化所贾普友副研究员、周永红研究员《Polym. Rev.》：纤维素基复合材料的结构设计及在EMI屏蔽应用研究进展

2024-04-08 来源：高分子科技

在所有生物基资源中，纤维素是最丰富的可再生材料之一，具有亲水性、手性、生物降解性、广泛的化学改性能力和低成本等优点，并且构成纤维素的葡萄糖基质单元具有许多羟基和醚基，这些基团提供了大量的氢键位点用于改性，使其成为制备EMI屏蔽材料的优良基材，为纤维素基电磁屏蔽材料的进一步发展提供了参考。

近日，中国林业科学研究院林产化学工业研究所周永红研究员、贾普友副研究员团队撰写了题为“Recent Advances of Application and Structural Design of Cellulose-based Composites for EMI Shielding”的综述文章，已于近日在Polymer Reviews杂志在线发表。本文首先系统地综述了电磁屏蔽的基本原理和测试方法，然后对纤维素基电磁屏蔽材料的结构和性能进行了评述。此外，还讨论了纤维素基电磁屏蔽材料的性能及优势。文章还提及了纤维素基电磁屏蔽材料目前的挑战以及未来光明的发展前景。

图1 电磁屏蔽材料的应用

传输线理论表明通过屏蔽材料的电磁波将遭受三个过程，包括反射，吸收和多次反射。当EMI波与屏蔽件相互作用时，由于空间波和电磁波之间的阻抗失配，一部分入射功率在前后表面上被反射，导致反射损耗。复合材料通过磁损耗和介电损耗的协同效应在界面和内部结合了上述三者的屏蔽机制。通过添加介电和磁性填料可以实现材料的微波传导性、磁化性以及适度的极化和吸收性能。

图2.（a）均匀结构;（b）层状结构;（c）多孔结构

根据结构的不同，纤维素基电磁屏蔽材料可分为三类：均匀结构，层状结构和多孔结构。

目前，纤维素基电磁屏蔽材料主要包括纤维素纸、薄膜和多孔材料，其结构多样，影响电磁屏蔽性能。电磁屏蔽功能化纤维素纸的层状结构是一种常见的构造策略，可以增强对电磁波的多次反射和吸收的衰减效果。与复合纸类似，纤维素复合膜也具有多种结构，目前，电磁屏蔽功能化纤维素复合膜的设计主要是以层状结构为主，其次是均相和多孔结构，薄膜层的堆叠可以有效地增强阻抗匹配和多次反射机制。由纤维素制备的气凝胶在密度、机械性能和热性能方面表现出特异性。对于电磁屏蔽材料的应用，气凝胶的多孔结构可以促进电磁波的吸收和多次反射效应，向气凝胶中添加导电填料是减少电磁波污染的策略之一。

图3. 基于纤维素的不同结构的EMI SE（a）和SE/t（b）作为厚度的函数，以及绝对屏蔽效能（SSE/t）作为厚度（c）和密度（d）的函数。

当EMI屏蔽材料用于小型化电子产品时，需要较薄厚度的材料。纤维素类EMI屏蔽材料如纸类和薄膜类具有理想的超薄屏蔽材料，并可在纳米级生产，满足商业产品的要求。当电磁屏蔽应用于航空航天和军事领域时，需要超轻质电磁屏蔽材料。多孔泡沫和气凝胶提供了强大的超轻的EMI屏蔽与优秀的屏蔽效能（SSE）。

图4 纳米多孔Ag膜的制造示意图（a）、照片和截面SEM图像（b）、EMI屏蔽机制（d）和EMI SE特性（c，e）

图5 PGM气凝胶的制备过程示意图、EDS元素图谱图像、EMI屏蔽机制和性能

纤维素基电磁屏蔽材料的主要功能是电磁屏蔽，但在实际应用中，还可以结合纤维素的优良性能和其他改性措施，实现多功能化。首先，纤维素已被证明是一种理想的具有优良导热性的基质，并且具有良好的热管理性能；其次，疏水材料由于其防水、防污和自清洁特征而引起学术界和工业界的关注，已有研究表明可以制备出具有良好疏水性的薄膜。因此，纤维素基电磁屏蔽材料的多功能化是未来的发展趋势之一。

南京林业大学马玉峰副教授和中国林科院林化所胡云副研究员为论文共同第一作者，中国林科院林化所贾普友副研究员为唯一通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1080/15583724.2024.2335504

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（责任编辑：xu）

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