電磁干擾屏蔽材料的研究已開始向綠色、可持續的生物質材料方向發展。這些材料具有許多優點，如輕質、多孔和分層等。由于其多孔性、界面相容性和導電性，生物質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有了一致的努力，但與傳統的電磁干擾屏蔽材料相比，這一研究領域仍然相對較新。特別是，對影響生物質電磁干擾屏蔽材料的孔隙結構調整、制備工藝和微觀控制等因素進行更全面的研究和總結將具有重要意義。
1.本文亮點
1.分析了生物質材料屏蔽電磁干擾的優點，總結了生物材料屏蔽電磁干擾的機理，系統分析了生物材料屏蔽電磁干擾的影響因素。
2.對各種生物質材料（木材、竹子、木質素、纖維素等）進行改性，以獲得獨特的結構并提高EMI屏蔽性能。
3.總結了生物質材料在電磁干擾屏蔽應用中遇到的問題，并對未來的發展和應用前景進行了展望。
北京林業大學李建章教授等人系統地總結了木材、竹子、纖維素和木質素在電磁干擾屏蔽領域的制備方法和特點，并對同類生物質電磁干擾材料進行了總結和分析。綜述了各種生物質材料的復合方法和填料，重點介紹了電磁干擾屏蔽的機理，以及該領域的發展前景和挑戰。
2024年9月20日，相關工作以“Advanced Functional Electromagnetic Shielding Materials: A Review Based on Micro?Nano Structure Interface Control of Biomass Cell Walls”為題發表在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Zhanhu Guo教授、西南林大徐開蒙教授、河南農大陳香萌副教授為論文通訊作者。
手機、電腦和其他電子設備的普遍使用給人類社會帶來了前所未有的便利。然而，這種便利是有代價的，因為這些電子設備也會產生電磁干擾（EMI）和污染。事實上，世界衛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境污染源。這一不斷升級的問題引起了公眾的極大關注。研究發現，電磁污染會阻礙電子設備的正常工作，從而導致故障和潛在的數據泄露。此外，它還會給個人帶來嚴重的健康風險，如頭痛、失眠和嗜睡。因此，至關重要的是優先發展具有高效電磁屏蔽的材料，以減輕這些風險，同時保持其各自應用的性能。近年來，對電磁干擾屏蔽材料的研究逐漸增多，但對生物質電磁干擾屏蔽材料的研究還相對較少。隨著人們對電磁污染和環境問題的重視，近兩年來對生物質電磁干擾材料的研究相對較多（圖1）。這讓我們看到了生物質電磁干擾屏蔽材料的前景，本文將介紹目前生物質電磁干擾屏蔽材料的制備、特點，供研究人員參考。
圖1.（a）在生活中經常引起電磁波的物體；（b）過去二十年發表的關于電磁屏蔽的文章；（c）過去二十年來發表的關于生物質電磁屏蔽的文章。
以往對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。研究發現，過渡金屬硫化物具有較強的電化學活性、較高的比電容和增強的電導率。磁性材料在低頻電磁輻射下表現出很強的吸收和衰減特性。近年來，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、耐腐蝕和出色的加工能力而獲得了大量的關注。另一方面，碳基材料具有優異的導電性和高介電性損耗、比表面積、突出的化學穩定性和大寬高比，表明它們在電磁屏蔽應用中的潛在用途。
圖2. 傳統電磁干擾屏蔽材料、制備方法及性能 圖3. 電磁干擾屏蔽領域的各類生物質材料，以木材、纖維素、木質素為例
生物質材料因其低成本、可持續性、輕質性和多孔分層結構而受到關注，使其成為傳統EMI屏蔽材料的有前途的替代品。生物質基多功能電磁屏蔽材料不僅能有效屏蔽電磁波，還具有導電性、顯著阻燃性和抗菌活性等其他功能。生物質材料可以通過不同的處理和加工方法來調整其結構，例如，通過優化孔隙結構、形狀、大小和分布來改善材料的吸收損耗和多重反射衰減，從而增強其屏蔽效果。一些用于電磁屏蔽的常見生物質材料是木材、竹子、木質素和纖維素（圖3）。
2. 電磁屏蔽的機制
當磁場發生變化時，它會導致電場發生變化。這些磁場沿同一方向垂直振蕩，并在變化的磁場中產生電磁波。電磁波產生的電磁輻射對周圍環境具有不可逆轉的影響。這種效應被稱為電磁干擾。EMI屏蔽涉及使用特定材料隔離EMW并有效控制它們在一定區域的傳輸。屏蔽機制包括內部多重反射、反射和吸收（圖4）。
圖4. 電磁屏蔽材料的電磁屏蔽機理圖
圖5展示了生物質材料的電磁屏蔽機制。在實驗中，通常設計多層屏蔽結構來實現阻抗匹配。改進的阻抗匹配可以減少材料表面的電磁波反射，使電磁波進入材料并被吸收（圖6）。
圖5. 生物質電磁屏蔽材料的屏蔽機理。（a）AgNw@MXene/木材的電磁屏蔽機制圖;（b）石墨烯/木質素衍生碳的微波衰減機制。
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構。這些孔隙的存在提高了EMW的吸收效率，并促進了多個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，為無機顆粒的結合提供了理想的環境。
3.1.1 MXene/木基復合材料
圖7描述了MXene/wood復合材料的制造過程及其電磁屏蔽特性。MXene與木材的結合顯示出EMI屏蔽材料的巨大前景。這些復合材料具有有序的微觀結構，可通過電磁波反射、吸收和多次內部反射來提高EMI SE。定制MXene/wood復合材料可以靈活地滿足特定的性能要求，并擴大其在各個行業的潛在應用。
圖7. MXene/木基電磁屏蔽復合材料的制備。（a）高度各向異性MXene@Wood復合材料的制備和橫截面的EMI屏蔽性能;（b）WA-M/木材的制備過程圖示;（c）柔性MXene/木材復合材料的制備示意圖和復合材料的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/木基復合材料
圖8 a-d顯示了木材/金屬復合材料制備及其電磁屏蔽機理。化學鍍是將金屬顆粒與木材結合的主要方法，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材料中可顯著提高磁損耗和電磁波吸收能力，同時還能改善復合材料內的導電性、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）三明治結構的Cu-Ni木基復合材料Cu-Ni木基復合材料的制備;（b）每個樣品的電磁參數、磁損耗角正切和介電損耗角正切;（c）夾層結構Cu-Ni木基復合材料的EMI屏蔽性能;（d）Cu-Ni木基復合材料的吸收機制示意圖。
3.1.3 聚合物/木基復合材料
圖9顯示了聚合物/木材復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合材料的主要方法是原位聚合。通過調整聚合物的介電特性來確保與空氣的阻抗匹配實現電磁波的吸收。此外，導電填料的加入有助于導電網絡的形成，從而提高材料的EMI屏蔽性能。
圖9. 高分子聚合物/木基電磁屏蔽復合材料的制備。（a）PEDOT/木材的制備方案和復合材料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）相結合，得到G-co-Q雜化物。通過與大豆分離蛋白（SPI）和植酸（PA）的靜電相互作用和氫鍵合制備有機和無機雜化膠合板膠粘劑。它不僅表現出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域的運用。（a）用于電磁屏蔽的膠合板原理;（b）蛋白質膠粘劑中有機-無機雜化結構的制備和EMI屏蔽性能;（c）強導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顯示了纖維素復合材料的制備過程以及不同濃度對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。纖維素基材料中固有的界面極化增加了EMW損耗，而導電填料的添加有助于電荷分布并增強介電損耗。此外，纖維素中羥基的天然孔隙率和豐度使其具有很強的導電性，促進了電磁波的多次內部反射并提高了EMI屏蔽性能。
圖11.（a）復合泡沫的制造過程、泡沫結構和復合材料的EMI屏蔽性能的示意圖;（b）銀納米線/纖維素支架復合材料的制備和EMI屏蔽性能;（c）MXene/納米纖維素復合薄膜的合成。
3.3 木質素及其衍生物
木質素具有多孔結構和復雜的碳骨架結構，其中有許多苯環，有助于其EMI屏蔽性能。此外，其多孔表面富含活性位點和官能團，如游離羥基和羧基，可與其他材料發生各種化學反應。圖12展示了木質素復合材料的制備過程以及不同濃度對EMI SE的影響。目前，木質素的加工方法比較簡單，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。通過利用木質素的多孔結構和苯骨架，Fe3O4可以調節電子運動，而CNT則形成有效的導電網絡。這些成分的綜合效應顯著增強了復合材料的EMI SE。
圖12. （a）FCLBEA屏蔽材料的制備工藝和復合材料的EMI屏蔽性能;（b）RGO/LDC氣凝膠的制備過程和RGO/LDC氣凝膠的EMI屏蔽性能;（c）多功能木質素納米顆粒的制備及其復合結構和電磁屏蔽性能。
3.4 竹及其衍生物
圖13顯示了竹復合材料的制備過程以及不同比例濃度對EMI SE的影響。Zhang等人在竹纖維上進行了化學鍍Ni-Fe-P作為增強階段。然后，將金屬化竹纖維摻入聚乳酸（PLA）中進行熱壓處理，制備得到EMI SE為45 dB的竹基復合材料（圖13a）。此外，將UV樹脂浸漬到纖維骨架上來改性竹子。可使其建筑材料具有60%的透光率、出色的機械性能和46.3 dB的EMI SE（圖13c）。
圖13.（a）MBF/PLA復合材料的制備工藝和EMI屏蔽性能;（b）竹外皮、竹內皮和竹漿的鎳活化過程和表面電阻率;（c）透明建筑竹的制備及其機械性能和EMI屏蔽性能。
3.5 其他生物質復合材料
圖14顯示了復合材料及其各自的EMI SE的制備過程。紡織品和織物已被用于制備EMI屏蔽材料和其他電子產品。例如，Peng等人使用Ni作為催化劑，在900 °C下使棉花碳化，生產出EMI SE為107dB的紡織品。鎳處理紡織品的高度石墨化產生了具有高結晶度和完美的六元網格結構的碳，促進了電子轉移（圖14b）。
圖14.（a）ASC/RGO復合材料的制備工藝;（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屏蔽機制和改性后的EMI屏蔽性能。
4. 生物質復合材料的電磁屏蔽性能及應用
生物質電磁屏蔽復合材料表現出令人印象深刻的機械性能、出色的阻燃性和強大的電磁屏蔽能力。此外，涂層處理可以增強其耐水性和耐腐蝕性，使其適用于各種具有挑戰性的環境。這些多功能復合材料可用于通信、電子和住宅（圖15a-d）。
此外，未來生物質復合材料的研究應放在開發可在實際應用中有效利用的多功能生物質EMI屏蔽復合材料上。不僅要表現出出色的電磁屏蔽性能，而且還要表現出卓越的環境適應性，包括耐候性、阻燃性、耐腐蝕性和防水性能（圖16）。
圖15. 生物質EMI屏蔽材料在建筑、家具和服裝中的應用 圖16. 生物質EMI屏蔽材料的復合方向、性能、特點及未來應用
5.總結與展望
本文總結了生物質EMI屏蔽復合材料的最新進展，包括EMI屏蔽的底層機理、各類生物質 EMI 屏蔽材料的應用，以及生物質EMI屏蔽復合材料的涂層、浸漬、原位聚合、原位插入和化學電鍍等制備方法。此外，對生物質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，從而擴大了生物質材料在電磁屏蔽領域的潛在應用。
（1）材料多樣性：生物質材料用于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。增加生物質材料的多樣性至關重要，可通過改性或復合生產制造出具有特殊性能的電磁屏蔽材料。
（2）凈零排放：在生物質材料的生產過程中，必須考慮不同填料的改性，因為它會釋放有害氣體。可以建立全面的生命周期方法以實現零碳排放。
（3）機器學習：通過對生物質材料的分析和研究，可以通過人工智能技術分析各種填料，以提高生物質材料的性能并改善一種或多種機械或化學性能。通過機器學習，可以選擇更合適的制備工藝或設備，以滿足生產的高效、安全、可靠。
（4）循環經濟：生物質材料很容易從天然來源獲得，也可以從廢紙或其他產品中提取，從而提供可持續的二次用途。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
