电磁干扰屏蔽材料的研究已开始向绿色、可持续的生物质材料方向发展。这些材料具有许多优点，如轻质、多孔和分层等。由于其多孔性、界面相容性和导电性，生物质材料作为电磁干扰屏蔽材料具有巨大的潜力。尽管在生物材料的电磁干扰屏蔽方面已经有了一致的努力，但与传统的电磁干扰屏蔽材料相比，这一研究领域仍然相对较新。特别是，对影响生物质电磁干扰屏蔽材料的孔隙结构调整、制备工艺和微观控制等因素进行更全面的研究和总结将具有重要意义。
1.本文亮点
1.分析了生物质材料屏蔽电磁干扰的优点，总结了生物材料屏蔽电磁干扰的机理，系统分析了生物材料屏蔽电磁干扰的影响因素。
2.对各种生物质材料（木材、竹子、木质素、纤维素等）进行改性，以获得独特的结构并提高EMI屏蔽性能。
3.总结了生物质材料在电磁干扰屏蔽应用中遇到的问题，并对未来的发展和应用前景进行了展望。
北京林业大学李建章教授等人系统地总结了木材、竹子、纤维素和木质素在电磁干扰屏蔽领域的制备方法和特点，并对同类生物质电磁干扰材料进行了总结和分析。综述了各种生物质材料的复合方法和填料，重点介绍了电磁干扰屏蔽的机理，以及该领域的发展前景和挑战。
2024年9月20日，相关工作以“Advanced Functional Electromagnetic Shielding Materials: A Review Based on Micro?Nano Structure Interface Control of Biomass Cell Walls”为题发表在Nano-Micro Letters上。第一作者是南林博士生石洋、硕士生伍明军，北林李建章教授、南林罗晶副教授、诺森比亚大学Zhanhu Guo教授、西南林大徐开蒙教授、河南农大陈香萌副教授为论文通讯作者。
手机、电脑和其他电子设备的普遍使用给人类社会带来了前所未有的便利。然而，这种便利是有代价的，因为这些电子设备也会产生电磁干扰（EMI）和污染。事实上，世界卫生组织已将电磁辐射列为继水污染、空气污染和噪声污染之后的第四大环境污染源。这一不断升级的问题引起了公众的极大关注。研究发现，电磁污染会阻碍电子设备的正常工作，从而导致故障和潜在的数据泄露。此外，它还会给个人带来严重的健康风险，如头痛、失眠和嗜睡。因此，至关重要的是优先发展具有高效电磁屏蔽的材料，以减轻这些风险，同时保持其各自应用的性能。近年来，对电磁干扰屏蔽材料的研究逐渐增多，但对生物质电磁干扰屏蔽材料的研究还相对较少。随着人们对电磁污染和环境问题的重视，近两年来对生物质电磁干扰材料的研究相对较多（图1）。这让我们看到了生物质电磁干扰屏蔽材料的前景，本文将介绍目前生物质电磁干扰屏蔽材料的制备、特点，供研究人员参考。
图1.（a）在生活中经常引起电磁波的物体；（b）过去二十年发表的关于电磁屏蔽的文章；（c）过去二十年来发表的关于生物质电磁屏蔽的文章。
以往对电磁屏蔽材料的研究主要集中在金属及其氧化物、碳基材料、磁性材料、高分子屏蔽材料等方面。其中，金属(如铁、银、镍、铜和铝)及其化合物因其屏蔽电磁的有效性而被广泛研究和静电场。研究发现，过渡金属硫化物具有较强的电化学活性、较高的比电容和增强的电导率。磁性材料在低频电磁辐射下表现出很强的吸收和衰减特性。近年来，高分子屏蔽材料的主要研究方向集中在聚噻吩、聚氨酯、聚吡啶等共轭π键聚合物上。这些材料由于其卓越的性能，包括高效率、轻质、耐腐蚀和出色的加工能力而获得了大量的关注。另一方面，碳基材料具有优异的导电性和高介电性损耗、比表面积、突出的化学稳定性和大宽高比，表明它们在电磁屏蔽应用中的潜在用途。
图2. 传统电磁干扰屏蔽材料、制备方法及性能 图3. 电磁干扰屏蔽领域的各类生物质材料，以木材、纤维素、木质素为例
生物质材料因其低成本、可持续性、轻质性和多孔分层结构而受到关注，使其成为传统EMI屏蔽材料的有前途的替代品。生物质基多功能电磁屏蔽材料不仅能有效屏蔽电磁波，还具有导电性、显著阻燃性和抗菌活性等其他功能。生物质材料可以通过不同的处理和加工方法来调整其结构，例如，通过优化孔隙结构、形状、大小和分布来改善材料的吸收损耗和多重反射衰减，从而增强其屏蔽效果。一些用于电磁屏蔽的常见生物质材料是木材、竹子、木质素和纤维素（图3）。
2. 电磁屏蔽的机制
当磁场发生变化时，它会导致电场发生变化。这些磁场沿同一方向垂直振荡，并在变化的磁场中产生电磁波。电磁波产生的电磁辐射对周围环境具有不可逆转的影响。这种效应被称为电磁干扰。EMI屏蔽涉及使用特定材料隔离EMW并有效控制它们在一定区域的传输。屏蔽机制包括内部多重反射、反射和吸收（图4）。
图4. 电磁屏蔽材料的电磁屏蔽机理图
图5展示了生物质材料的电磁屏蔽机制。在实验中，通常设计多层屏蔽结构来实现阻抗匹配。改进的阻抗匹配可以减少材料表面的电磁波反射，使电磁波进入材料并被吸收（图6）。
图5. 生物质电磁屏蔽材料的屏蔽机理。（a）AgNw@MXene/木材的电磁屏蔽机制图;（b）石墨烯/木质素衍生碳的微波衰减机制。
图6. 影响电磁干扰屏蔽中反射、吸收和多重反射的因素。
3.1木材及其衍生物
木材是一种环保可降解的材料，具有较大的比表面积和丰富的分层多孔结构。这些孔隙的存在提高了EMW的吸收效率，并促进了多个EMW在孔隙中的反射。此外，木材表面是由丰富的活性羟基组成，为无机颗粒的结合提供了理想的环境。
3.1.1 MXene/木基复合材料
图7描述了MXene/wood复合材料的制造过程及其电磁屏蔽特性。MXene与木材的结合显示出EMI屏蔽材料的巨大前景。这些复合材料具有有序的微观结构，可通过电磁波反射、吸收和多次内部反射来提高EMI SE。定制MXene/wood复合材料可以灵活地满足特定的性能要求，并扩大其在各个行业的潜在应用。
图7. MXene/木基电磁屏蔽复合材料的制备。（a）高度各向异性MXene@Wood复合材料的制备和横截面的EMI屏蔽性能;（b）WA-M/木材的制备过程图示;（c）柔性MXene/木材复合材料的制备示意图和复合材料的EMI屏蔽性能;（d）d-Ti3C2Tx/DW的制备和表征以及d-Ti3C2Tx/DW的EMI屏蔽性能。
3.1.2 金属/木基复合材料
图8 a-d显示了木材/金属复合材料制备及其电磁屏蔽机理。化学镀是将金属颗粒与木材结合的主要方法，利用木材丰富的孔隙注入金属颗粒并在表面形成均匀的金属层。将金属颗粒整合到生物质材料中可显著提高磁损耗和电磁波吸收能力，同时还能改善复合材料内的导电性、阻抗匹配和界面极化。
图8. Cu-Ni/木基电磁屏蔽材料的制备及其电磁波吸收示意图。（a）三明治结构的Cu-Ni木基复合材料Cu-Ni木基复合材料的制备;（b）每个样品的电磁参数、磁损耗角正切和介电损耗角正切;（c）夹层结构Cu-Ni木基复合材料的EMI屏蔽性能;（d）Cu-Ni木基复合材料的吸收机制示意图。
3.1.3 聚合物/木基复合材料
图9显示了聚合物/木材复合材料的制备工艺及其各自的EMI SE。目前，制造木塑电磁屏蔽复合材料的主要方法是原位聚合。通过调整聚合物的介电特性来确保与空气的阻抗匹配实现电磁波的吸收。此外，导电填料的加入有助于导电网络的形成，从而提高材料的EMI屏蔽性能。
图9. 高分子聚合物/木基电磁屏蔽复合材料的制备。（a）PEDOT/木材的制备方案和复合材料EMI屏蔽性能;（b）PANI-WA气凝胶和木材的制备工艺以及复合材料的EMI屏蔽性能。
3.1.4 改性胶黏剂
图10 a显示了胶合板可用于电磁屏蔽的原理。将抗菌剂季铵盐化超支化聚酰胺（QHBPA）与石墨烯纳米片（GNS）相结合，得到G-co-Q杂化物。通过与大豆分离蛋白（SPI）和植酸（PA）的静电相互作用和氢键合制备有机和无机杂化胶合板胶粘剂。它不仅表现出43dB的电磁屏蔽性能，而且具有良好的阻燃性和抗霉性。
图10. 改性胶粘剂在电磁屏蔽领域的运用。（a）用于电磁屏蔽的胶合板原理;（b）蛋白质胶粘剂中有机-无机杂化结构的制备和EMI屏蔽性能;（c）强导电大豆蛋白胶粘剂的制备示意图。
3.2 纤维素及其衍生物
图10显示了纤维素复合材料的制备过程以及不同浓度对EMI SE的影响。用于电磁屏蔽的纤维素基材料主要使用冷冻干燥和浸渍方法制备而来。纤维素基材料中固有的界面极化增加了EMW损耗，而导电填料的添加有助于电荷分布并增强介电损耗。此外，纤维素中羟基的天然孔隙率和丰度使其具有很强的导电性，促进了电磁波的多次内部反射并提高了EMI屏蔽性能。
图11.（a）复合泡沫的制造过程、泡沫结构和复合材料的EMI屏蔽性能的示意图;（b）银纳米线/纤维素支架复合材料的制备和EMI屏蔽性能;（c）MXene/纳米纤维素复合薄膜的合成。
3.3 木质素及其衍生物
木质素具有多孔结构和复杂的碳骨架结构，其中有许多苯环，有助于其EMI屏蔽性能。此外，其多孔表面富含活性位点和官能团，如游离羟基和羧基，可与其他材料发生各种化学反应。图12展示了木质素复合材料的制备过程以及不同浓度对EMI SE的影响。目前，木质素的加工方法比较简单，通常涉及冷冻干燥或原位聚合。通常使用Fe3O4、Fe和CNT作为填料。通过利用木质素的多孔结构和苯骨架，Fe3O4可以调节电子运动，而CNT则形成有效的导电网络。这些成分的综合效应显著增强了复合材料的EMI SE。
图12. （a）FCLBEA屏蔽材料的制备工艺和复合材料的EMI屏蔽性能;（b）RGO/LDC气凝胶的制备过程和RGO/LDC气凝胶的EMI屏蔽性能;（c）多功能木质素纳米颗粒的制备及其复合结构和电磁屏蔽性能。
3.4 竹及其衍生物
图13显示了竹复合材料的制备过程以及不同比例浓度对EMI SE的影响。Zhang等人在竹纤维上进行了化学镀Ni-Fe-P作为增强阶段。然后，将金属化竹纤维掺入聚乳酸（PLA）中进行热压处理，制备得到EMI SE为45 dB的竹基复合材料（图13a）。此外，将UV树脂浸渍到纤维骨架上来改性竹子。可使其建筑材料具有60%的透光率、出色的机械性能和46.3 dB的EMI SE（图13c）。
图13.（a）MBF/PLA复合材料的制备工艺和EMI屏蔽性能;（b）竹外皮、竹内皮和竹浆的镍活化过程和表面电阻率;（c）透明建筑竹的制备及其机械性能和EMI屏蔽性能。
3.5 其他生物质复合材料
图14显示了复合材料及其各自的EMI SE的制备过程。纺织品和织物已被用于制备EMI屏蔽材料和其他电子产品。例如，Peng等人使用Ni作为催化剂，在900 °C下使棉花碳化，生产出EMI SE为107dB的纺织品。镍处理纺织品的高度石墨化产生了具有高结晶度和完美的六元网格结构的碳，促进了电子转移（图14b）。
图14.（a）ASC/RGO复合材料的制备工艺;（b）镍装饰纺织品制造工艺和镍装饰纺织品的EMI屏蔽性能;（c）秸秆衍生碳的EMI屏蔽机制和改性后的EMI屏蔽性能。
4. 生物质复合材料的电磁屏蔽性能及应用
生物质电磁屏蔽复合材料表现出令人印象深刻的机械性能、出色的阻燃性和强大的电磁屏蔽能力。此外，涂层处理可以增强其耐水性和耐腐蚀性，使其适用于各种具有挑战性的环境。这些多功能复合材料可用于通信、电子和住宅（图15a-d）。
此外，未来生物质复合材料的研究应放在开发可在实际应用中有效利用的多功能生物质EMI屏蔽复合材料上。不仅要表现出出色的电磁屏蔽性能，而且还要表现出卓越的环境适应性，包括耐候性、阻燃性、耐腐蚀性和防水性能（图16）。
图15. 生物质EMI屏蔽材料在建筑、家具和服装中的应用 图16. 生物质EMI屏蔽材料的复合方向、性能、特点及未来应用
5.总结与展望
本文总结了生物质EMI屏蔽复合材料的最新进展，包括EMI屏蔽的底层机理、各类生物质 EMI 屏蔽材料的应用，以及生物质EMI屏蔽复合材料的涂层、浸渍、原位聚合、原位插入和化学电镀等制备方法。此外，对生物质材料的改性也赋予了理想的性能，如透明度、防水性和防霉性，从而扩大了生物质材料在电磁屏蔽领域的潜在应用。
（1）材料多样性：生物质材料用于EMI屏蔽受到限制，例如，某些木材性能，如耐腐蚀性、耐热性和疏水性，并不符合要求。增加生物质材料的多样性至关重要，可通过改性或复合生产制造出具有特殊性能的电磁屏蔽材料。
（2）净零排放：在生物质材料的生产过程中，必须考虑不同填料的改性，因为它会释放有害气体。可以建立全面的生命周期方法以实现零碳排放。
（3）机器学习：通过对生物质材料的分析和研究，可以通过人工智能技术分析各种填料，以提高生物质材料的性能并改善一种或多种机械或化学性能。通过机器学习，可以选择更合适的制备工艺或设备，以满足生产的高效、安全、可靠。
（4）循环经济：生物质材料很容易从天然来源获得，也可以从废纸或其他产品中提取，从而提供可持续的二次用途。处理后的废物也可以多次回收用于纸浆模塑或填充物。
论文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-024-01494-2
