電磁輻射不僅會使得高精度的電子器件發(fā)生故障和退化,同時還對人們的健康問題存在威脅。因此，高性能電磁屏蔽特性材料的開發(fā)和設計就顯得格外有意義。
金屬和碳基復合材料通常被用于電磁屏蔽領域。然而，高密度的金屬材料與電子設備的便攜性設計相沖突，從而限制其廣泛的實際應用。輕質(zhì)且高導電的非金屬復合材料成為近些年來人們青睞的對象。隨著可持續(xù)發(fā)展需求的日益增長，對材料在環(huán)境友好、可循環(huán)性和可降解性等方面提出更高的要求。因此，亟需設計一種輕質(zhì)、符合可持續(xù)需求的高導電性電磁屏蔽材料。
天然木材作為一種豐富的生物質(zhì)資源，其在許多領域表現(xiàn)出優(yōu)異的可持續(xù)應用潛力。同時，輕質(zhì)和高強度的特點也使其可以通過功能化改性得到高性能的導電材料。近日，馬里蘭大學胡良兵教授和約翰霍普金斯大學王超教授等以天然木材為基材，通過多孔道的結(jié)構設計得到復合導電木質(zhì)材料，具備杰出的壓縮性能、高電磁屏蔽、輕質(zhì)和可持續(xù)特性。
在聚吡咯覆蓋后其密度僅為0.12 g·cm-3而電導率達到了39 S m-1，在3.5cm厚度下其電磁屏蔽效能在8-12 GHz達到58 dB。此外，在化學處理后其壓縮和拉伸強度分別達到了15.46MPa和20.18MPa，在未來的工程電磁屏蔽領域表現(xiàn)出極大的潛力。該研究成果以“Conductive Wood for High-Performance Structural Electromagnetic Interference Shielding”為題發(fā)表在《Chemistry of Materials》上（見文后原文鏈接）。文章第一作者是馬里蘭大學博士生甘文濤
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受益于水分和離子在木材內(nèi)部蒸騰和光合作用地啟發(fā)，作者通過脫除木質(zhì)素和氣相沉積的方法制備結(jié)構導電木材，首先用NaClO2去除天然木材中的木質(zhì)素形成一種有序陣列通道、纖維素和多級孔共存的結(jié)構；然后將其浸潤到FeCl3溶液中進行吸附；最后將處理后的木材置于吡咯蒸汽中實現(xiàn)聚吡咯的形成和生長，制備得到了結(jié)構良好的導電木材。
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作者指出存在與木材內(nèi)部的納米纖維素表面的大量羥基可以對FeCl3和吡咯分子進行吸附。利用羥基與FeCl3之間的配位作用，納米纖維的羥基可以作為靶點定向連續(xù)的使吡咯分子在其表面進行成核和生長。同時，形成的聚吡咯通過氫鍵作用可以穩(wěn)定的存在于木槽內(nèi)部。通過成分分析和紅外表征可以發(fā)現(xiàn)化學處理后木質(zhì)素基本上被完全去除，且聚吡咯覆蓋在木質(zhì)結(jié)構的表面。
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在未進行化學處理前，天然木材呈現(xiàn)出光滑的木質(zhì)細胞孔結(jié)構。而在去除木質(zhì)素后，大量的纖維素納米纖維暴露出來形成粗糙的表面，孔隙率有所增加同時密度減小。作者指出納米纖維素的生成和細長的通道有利于FeCl3粒子的吸附和沉積，是導電木材制備成功的關鍵。在天然木材浸潤FeCl3溶液后，在其木質(zhì)孔的內(nèi)部并未發(fā)現(xiàn)明顯的FeCl3粒子。同時，由于FeCl3的配位作用，聚吡咯均勻的覆蓋在木槽通道的內(nèi)部，形成了連續(xù)的導電通路。
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通過對外部、中部和內(nèi)部的木材表面元素進行EDX分析，可以發(fā)現(xiàn)聚吡咯中N元素含量分別達到27at.%，18at.%，14at.%，這主要歸結(jié)于氣體的自由擴散。并且，導電率測試結(jié)果則顯示三者分別達到39，26，18 S m-1。對其進行電磁屏蔽測試，結(jié)果顯示7mm厚度通道的導電木材在8-12GHz下達到21-25dB。作者指出其電磁波的衰減以吸收為主，主要通過聚吡咯的電偶機子與電磁波間的相互作用實現(xiàn)。這種細長型的通道使得電磁波在其內(nèi)部與聚吡咯發(fā)生多重反射而被吸收和消耗很難透射出去。并且通過測試可以發(fā)現(xiàn)隨著厚度由1層增加為5層，其電磁屏蔽能力逐漸提高，最高達到63dB, 從而驗證其吸收主導屏蔽機理。
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作者從五個方面對本材料以及常見的電磁屏蔽材料進行了對比，表明導電木材呈現(xiàn)出優(yōu)異的復合性能，具備輕質(zhì)、可持續(xù)特性、高性能力學強度以及良好的導電率和電磁屏蔽性能。對其進行了力學性能表征，作者提出導電木材內(nèi)部存在的定向納米纖維的通道結(jié)構使其力學強度得到明顯改善。與傳統(tǒng)的碳化木材相比，在壓縮后導電木材可以維持定型而碳化木材轉(zhuǎn)變?yōu)樗槠?/span>。從測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)導電木材的壓縮強度和拉伸強度分別達到15.46MPa和20.18MPa，為相應碳化木材的3倍和28倍。同時，其拉伸狀態(tài)下的斷裂伸長率比碳化木材增加了8倍，呈現(xiàn)出良好的韌性。
【總結(jié)】
作者以天然木材與基材，通過去除木質(zhì)素的化學手段得到含有定向納米纖維的多重通道結(jié)構；再通過化學吸附和氣相沉積的方法制備了一種高性能的導電材料。與天然木材相比，導電木材具備輕質(zhì)、高導電率和高電磁屏蔽特性，同時表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能。該材料滿足了工程建設領域所需要的承重功能和電磁屏蔽特性，為發(fā)展下一代的結(jié)構電磁屏蔽材料提供了新的研究方向。
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