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来源：TVT体育平台 发布时间：2025-05-21 23:32:51
在技术进步与可持续性融合的时代，开发具有多功能集成的可再生材料的需求日益增加。在这一背景下，通过对纤维素纤维进行多尺度界面结构设计、微观结构优化以及磁性成分和导电聚合物的掺入实现了该复合材料的能量存储、多波段电磁干扰 (EMI) 屏蔽功能，填补了生物质基材料的关键空白，为更可持续的未来做出贡献。
1.采用温和的2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物介导的改性体系(TEMPO/NaClO/NaClO (pH = 7))并引入纤维素纤维骨架的多孔结构来提高反应性并引入纤维素纤维骨架的多孔结构。
2.该复合材料在多波段表现出高效的电磁屏蔽干扰性能( 99.99％)。
本文通过在酸性条件下使用 NaClO将木材样品脱木素，得到具有三维的纤维素纤维骨架多孔结构(CFS)；再对CFS进行温和的TEMPO氧化，得到改性纤维素纤维(T-CFS)，该改性纤维素纤维不仅仅具备较高的比表面积，而且具有多层连通的多孔结构，纤维表面有更多的活性位点；最后，在改性纤维结构上将吡咯单体与Fe原位聚合，形成稳定的电荷转移层，构建聚吡咯(PPy)@Fe-TEMPO纤维素纤维多功能复合材料(PPy@Fe/T-CFS-MC)。材料制备过程机理图以及多功能应用展示如图1所示。
图 2a 详细描绘了样品在三维状态下的导电聚合网络机制。众所周知，纤维素纳米纤维(CNF)表面富有丰富的功能基团，将纤维素表面的羟基转化为羧基可以有效提升表面电荷密度，更加有助于导电聚合物的原位生长。因此，设计了一种采用TEMPO/NaClO/NaClO(pH=7)的温和改性体系来氧化纤维素。将纤维素分子链上的羟基转化为羧基，为CNF提供了更多的活性位点，允许吡咯在铁离子的引发下与纤维素分子链聚合；使其在纤维素纳米纤维内形成PPy电荷转移层，以此来降低了电阻损耗并增强了电荷传输，从而形成了一个全面的三维导电聚合物网络。图 2b 可以观察到去除木质素后 CFS 的颜色从浅黄色变为白色，而 T-CFS 与 CFS 相比无显著变化，这是由于温和的氧化处理。有必要注意一下的是，由于 PPy 的成功聚合，复合材料为深蓝色。通过图 2c、d 所示，脱木质素处理去除了纤维之间的复合细胞间层。CNF 暴露出来，固有的纤维素纳米通道结构得以保留，表明纤维结构保持完整。细胞壁可及性的增强促进了纤维的化学改性。观察到 TEMPO 介导氧化后用液氮快速冷冻导致纤维原位纤维化和部分膨胀，同时保持微管阵列结构的完整性(图 2e)。此外，纤维表面出现了排列整齐的孔洞。这些大孔是木材结构管胞上的凹坑，经过 TEMPO 氧化过程后，这些凹坑几乎完全打开。(图 2e)。凹坑的打开导致比表面积增加，从而增强了纤维素纤维内部结构的可及性和暴露性。经过TEMPO介导的氧化后，纤维的活性位点和比表面积增加。因此，PPy很容易在纤维表面聚合，从而提供更高的活性物质负载。如图2f所示，纤维表面完全被厚的导电层覆盖，来保证了样品优异的电化学性能。
图3显示了利用BET、FT-IR、XRD、XPS、EDX等测试对各样品的比表面积、官能团、物相结构、化学组成等进行系统表征。通过以上分析根据结果得出PPy@Fe/T-CFS-MC已成功构建，这为接下来复合材料的多功能性能的测定提供了支撑。
PPy@Fe/T-CFS-MC集EMI屏蔽与储能功能于一体。在实际应用中，电子设备往往跨多个频段工作，需要能够屏蔽广谱EMI的材料。这种多功能性使得该材料既可当作多频段EMI屏蔽组件，又可当作储能单元，在5G通信、可穿戴设备、电动汽车、智能交通、智能家居等领域具备极高的应用价值(图6)。这种多功能集成材料的开发，不仅有助于减轻设备重量、简化设计，也满足了现代技术对高效、轻量化、多功能材料的需求。
多伦多大学化学工程与应用化学系教授，博士生导师，加拿大工程院院士，加拿大一级可持续生物产品研究主席。曾担任多伦多大学化学工程与应用化学系森林生物材料工程杰出教授和增值木材与复合材料特聘教授，是森林生物材料科学和生物质基聚合物领域的国际专家，发表了300多篇出版物，这中间还包括在主要科学期刊上发表的 200 多篇同行评议论文；是森林生物材料科学和生物基聚合物方面的国际专家，加拿大工程学会和国际木材科学院院士，目前担任多伦多大学低碳可再生材料中心主任。
北京林业大学材料科学与技术学院化工系教授，博士生导师，中国造纸学会理事。生物质材料分会委员和木材科学与技术分会委员。主要是做清洁制浆造纸技术与功能高分子材料研究。先后主持完成了国家“十一五”科技支撑计划项目、国际合作向项目等国家、省部级科研项目30余项，省部级鉴定成果2项，获国家发明专利授权9件。在绿色竹纤维及其功能化产品研究开发应用和速生材化学改性技术方面，开发出具有自主知识产权、国际领先的生产技术工艺。在国内外首次成功研发出无预水解溶解浆清洁生产技术，在四川乐山永丰纸业建立示范线一条； 研究开发的天然抗菌剂成功应用在国内畅销的“斑布”布质抑菌竹纸上。首次成功研究开发了木材化学改性与干燥一体化工艺新技术与装备，并在大连庄河建立生产线，实现了速生材功能性改良的重大突破和工业化生产。发表学术论文200余篇，其中100余篇被三大索引收录。
Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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