一种具有优异电磁干扰屏蔽性能和阻燃特性的异质多孔竹纤维/碳纳米管/Fe?O?@MTMS复合材料

《Journal of Alloys and Compounds》：A Heterogeneous Porous Bamboo Fiber/CNTs/Fe?O?@MTMS Composite with Excellent Electromagnetic Interference Shielding and Flame Retardancy

竹纤维/碳纳米管/铁氧体@甲基三甲氧基硅烷复合材料通过机械混合、热压成型及可控铁氧体负载和疏水改性制备，在10%铁氧体负载下形成层状多孔结构，电导率11.5 S/m，X波段总电磁屏蔽效能47 dB，兼具优异疏水性（接触角145°）、阻燃性（LOI 47.7%）和热稳定性。该材料为多功能生物质基电磁屏蔽复合材料设计提供了新策略。

　　

梅婷|何玉斌|关长进|苏志平|宁丽萍|徐海燕

四川农业大学林业学院，中国成都611130

摘要

传统的基于生物质的电磁干扰（EMI）屏蔽材料通常功能有限，且主要依赖反射机制进行屏蔽，这可能导致二次电磁污染。为了开发一种高性能、多功能的生物质复合材料，同时具备高效的EMI屏蔽效果以及疏水性、阻燃性和隔热性等特性，本文采用机械混合、热压、控制Fe?O?掺入量和MTMS疏水改性的顺序工艺，制备了竹纤维/碳纳米管/氧化铁@methyltrimethoxysilane（BF/CNTs/Fe?O?@MTMS）复合材料。系统研究了Fe?O?含量对复合材料微观结构和性能的影响。当Fe?O?的最佳掺量为10 wt%时，复合材料形成了明显的层状和多孔结构。BF/CNTs/Fe?O?@MTMS材料表现出11.5 S/m的高电导率，在X波段具有47 dB的优异总电磁干扰屏蔽效果（SE?）。这种优异性能源于其强大的电磁反射和吸收能力，以及材料内部的多次反射效应。此外，该材料还表现出10.7 emu/g的饱和磁化强度、良好的疏水性（水接触角为145°）、有效的自清洁性能以及由于Fe?O?和碳纳米管的协同作用而带来的优异阻燃性（极限氧指数为47.7%）和隔热性能。本研究为设计兼具高性能EMI屏蔽效果、自清洁性和热稳定性的先进生物质复合材料提供了可行策略。这种复合材料在需要全面电磁保护的户外和包装材料领域具有广泛应用潜力。

引言

随着物联网（IoT）时代的到来，电子设备极大地便利了人类的生产和日常生活，同时也产生了大量的电磁辐射，从而导致了广泛的电磁干扰（EMI）污染[1]。这种EMI污染不仅影响电子设备的运行稳定性和使用寿命，还可能对人类身心健康构成潜在风险，并危及国家防御信息安全[2]。因此，设计和开发兼具环境兼容性和实用适应性的高性能EMI屏蔽材料已成为解决当前电磁污染问题的迫切需求[3][4]。

常见的EMI屏蔽材料主要包括金属基、导电聚合物基和碳基类型[5]。由于金属材料具有优异的电导率[6][7]，它们被最广泛使用。然而，其屏蔽机制主要依赖于反射，这是由于高电导率导致的界面阻抗不匹配，从而阻碍了电磁波的穿透和吸收[3]。这不仅限制了屏蔽带宽，还容易引起二次EMI污染；同时，较差的耐腐蚀性和有限的柔韧性也限制了其在柔性电子等轻量化应用中的使用[8]。导电聚合物基材料分为本征型和填料增强型，本征导电聚合物的合成需要严格的反应条件控制，而填料增强型材料则存在填料与基体相容性差的问题，导致制备过程复杂且成本高昂[9]。碳基材料（如碳纳米管（CNTs）、还原氧化石墨烯（rGO）和碳纤维（CFs）因其环保性和可加工性而受到关注，但它们的分散性较差，导致导电网络不连续，从而影响了屏蔽稳定性[10]。

近年来，由于资源短缺和环境问题的日益严重，传统的EMI屏蔽材料难以满足实际需求。生物质材料因其轻质、可再生、低成本和天然多孔结构而成为研究热点[11]。对于导电金属/生物质复合材料，木材基电磁屏蔽材料中金属层的高疏水性使得整个多层复合材料表现出优异的疏水性能，使其适用于潮湿环境。此外，竹基复合材料的独特微通道排列和优异的电导率使其在能量存储、能量转换和多功能电磁屏蔽等领域具有显著的应用潜力[12]。例如，MXene/纤维素纳米纤维[13]、MXene/轻木[14]和AgNW@MXene/南美轻木[15]等复合材料表现出出色的电磁屏蔽性能和优异的机械性能或阻燃性。Jiang等人[14]报告称，MXene/木材复合材料（F-MWC）在仅0.38 mm的厚度下就实现了32.7 dB的电磁干扰屏蔽效果。通过沿纤维方向交叉堆叠F-MWC片层制备的多层MXene/木材复合材料不仅保持了结构完整性，还进一步提高了EMI屏蔽性能。这项工作为设计适用于电子设备、包装和现代建筑的木材基EMI屏蔽材料提供了有前景的替代方案。

聚合物/生物质材料比许多复合材料更薄，同时保持了优异的机械强度和电导率[16]。这些材料广泛应用于电子、军事和民用领域、通信、航空、机器人技术、包装和建筑材料[2]。Zhang等人[17]发现，70 wt%金属化的竹纤维/聚乳酸复合材料（MBPC）在X波段的屏蔽效果（SE）达到45 dB。更重要的是，它具有出色的电热转换能力，能够在低工作电压下快速加热。这种绿色且低成本的多功能生物质复合材料在电磁屏蔽、智能家具和能量转换领域具有广泛应用潜力。

碳-生物质复合材料的核心优势在于其高效的吸收型屏蔽机制、天然可调的轻质多孔结构、优异的柔韧性和出色的环境可持续性[18]。这些特性有效克服了传统金属屏蔽材料的固有缺点，如反射引起的污染、重量大、易腐蚀和柔韧性差[11]。例如，Wang等人[19]将部分脱木质的甘蔗浸入GO悬浮液中，获得了17 wt% GO掺量下的53 dB屏蔽效果。此外，该复合材料还表现出优异的热稳定性和阻燃性。Peng等人[20]开发了一种由废弃棉花制成的石墨化、柔性和多孔的纺织品，在12-18 GHz频率范围内表现出107 dB的电磁干扰屏蔽效果。在实际应用中，用这种纺织品制成的口袋可以有效阻止手机或身份证上的个人信息被未经授权扫描。这项工作凸显了其大规模生产高效EMI屏蔽纺织品的巨大潜力，适用于民用和军事应用，并与下一代可穿戴电子产品的发展趋势相契合。

竹子作为一种可再生资源，储量达6亿吨[17]，由于其生长周期短、可生物降解性和天然的多孔结构，在EMI屏蔽应用中受到了广泛关注[2]。然而，其天然的绝缘性需要改进，现有的改进策略包括树脂浸渍、热解碳化、金属化和催化碳化-气凝胶复合等。例如，Wang等人[21]将竹纤维支架浸渍在UV树脂中，所得复合材料的屏蔽效果为46.3 dB，并具有优异的机械性能和疏水性。同时，Wang等人[22]通过热解制备了竹基碳材料，由于丰富的多孔结构和高电导率（>100 S/cm），获得了81.5 dB的超高屏蔽效果，证实了孔结构在电磁波衰减中的关键作用[23]。此外，Miao等人[24]通过FeCl?催化碳化制备了导电竹炭（EBC），然后通过冻干制备了竹炭@纤维素纳米纤维/碳纳米管（EBC@CNF@MWCNT）气凝胶，所得薄膜在PDMS浸渍和热压后表现出39.5 dB的屏蔽效果，CNF在一定程度上改善了MWCNT的分散性[25]。研究表明，通过将生物质基材料与导电填料结合使用，可以有效提升EMI屏蔽效果。然而，目前关于生物质基EMI屏蔽材料的研究主要集中在单一功能上，忽视了疏水性和阻燃性等多功能特性的整合。在我们之前的研究中，成功制备了多孔且可生物降解的竹纤维/碳纳米管/聚乳酸（BF/CNTs/PLA）复合材料，实现了47.7 dB的EMI屏蔽效果[26]。然而，该材料的屏蔽机制主要依赖于其多孔结构和导电网络的电磁波衰减作用。此外，PLA微球的制备过程复杂且使用了有害溶剂，对可扩展和环保的生产提出了挑战。BF/CNTs/PLA复合材料在疏水性和自清洁性能方面存在局限性，这是由于竹纤维本身的亲水性所致。这严重限制了其在潮湿或苛刻环境中的实际应用。

在本研究中，通过机械混合、热压和冻干制备了竹纤维/碳纳米管/Fe?O?@methyltrimethoxysilane（BF/CNTs/Fe?O?@MTMS）复合材料。通过扫描电子显微镜表征了不同Fe?O?含量下复合材料的微观形态，并系统研究了其电导率、电磁干扰屏蔽效果和屏蔽机制。此外，还检测了不同填料含量复合材料的疏水性、自清洁性能、阻燃性和热稳定性。利用Fe?O?的磁损耗和碳纳米管的高介电损耗，显著提高了复合材料的电磁屏蔽效率。这项工作为设计和开发多功能生物质基电磁屏蔽材料提供了有价值的见解，并强调了它们在轻质包装、非承重内部部件以及需要特定功能（如电磁屏蔽、自清洁和阻燃性）的应用领域的潜力。

材料

竹纤维（70-80目）来自中国四川省雅安，通过机械研磨和筛分制备。海藻酸钠（SA，分析级）、氢氧化钠（NaOH，分析级）、氯化钙（CaCl?，分析级）和草酸（H?C?O?，分析级）购自成都科龙化工有限公司。多壁碳纳米管（CNTs，长度5-15 μm，纯度>95%）购自深圳瑞恒科技有限公司。氧化铁

BF/CNTs/Fe?O?@MTMS复合材料的形态分析

对BF/CNTs/Fe?O?@MTMS复合材料的宏观和微观形态进行了表征。图2(a)展示了10 wt% BF/CNTs/Fe?O?@MTMS复合材料的物理图像。可以清楚地看到，该材料放置在花药上时没有引起明显的结构变形，证实了其轻质特性。测试数据显示其密度极低，为0.8 g/cm3，满足轻量化应用的关键要求[29]。

结论

本研究通过机械混合、热压和不同含量Fe?O?的掺入等顺序工艺，成功制备了异质多孔的BF/CNTs/Fe?O?@MTMS复合材料。10 wt% Fe?O?掺量的复合材料在2 mm厚度下表现出明显的层状和多孔结构。这种优化结构实现了11.5 S/m的最大电导率和47 dB的X波段EMI屏蔽效果，以及10.7 emu/g的饱和磁化强度。

作者贡献声明

苏志平：监督工作。宁丽萍：数据可视化。何玉斌：实验研究、数据分析。关长进：方法学设计。徐海燕：撰写、审稿与编辑、方法学设计、数据分析。梅婷：初稿撰写、方法学设计、实验研究、数据分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢2025年研究兴趣培养项目（项目编号2521997726）和2024年学科建设双重支持计划自由探索专项项目（项目编号2421993035）的资助支持。