基于金属化竹纤维的生物质复合材料，用于电磁干扰屏蔽、焦耳加热和太阳能加热

张琪，王柯，陈显春，唐小红，赵倩，傅强*

      过去几十年，石油基产品在人类社会的发展中扮演着不可或缺的角色，为人类的生产和生活带来了极大的便利。然而，随着全球经济的不断发展，石油化工产品带来的能源和环境问题也逐渐出现，引发了全球对绿色、生物基和可降解材料的广泛关注。当前，全球生物塑料商业产量迅速增长，据统计，2020年约占整个塑料市场的25-30%。其中，聚乳酸（PLA）具有植物来源的特点，较之石油化工聚合物其生产能耗减少了25 - 55%，再加上优异的机械性能、生物相容性和完全降解性被认为是最具潜力的生物降解材料。PLA虽具有上述的诸多优点，但由于本身纠缠密度低，其固有的脆性、单一的功能性以及不可忽视的高成本和较差的热稳定性极大地限制了其应用范围。

      引入天然纤维增强是提高和改善PLA性能的有效策略，既能解决PLA的应用缺陷，显著降低制材成本，又能提高天然纤维的附加值，得到真正意义上的全生物基可降解的复合材料。已有的研究中，学者们大都围绕着提高BF/PLA(BPC)的界面相容性以进一步提高复合材料的机械性能。然而，在此基础上，缺乏功能性是BF和PLA共同的应用缺陷，极大地限制了BPC更广范围的应用。尤其地，在能源匮乏以及信息技术日新月异的时代背景下，迫切需要开发应用于能量转化和电磁屏蔽等高端领域的BPC。在本研究中，选择了最有前途的竹纤维(BF)作为增强相，通过化学镀(ELP)处理实现竹纤维的多功能性。将金属化BF(MBF)填充PLA中，经热压处理，制备了低成本、多功能的MBF/PLA生物质复合材料(MBPC)。结果表明:对竹纤维进行化学镀处理，不仅能显著提高复合材料的热稳定性和力学性能，还能使其具有良好的电磁屏蔽、电热和光热转换能力。其中，70 wt%-MBPC在x波段的电导率为20.86 S/cm， SE值为45 dB。更令人关注的是惊人的电热转换性能，它可以在低电压下快速加热。在3V电压下，温度可在50秒左右达到160℃。此外，MBPC还具有太阳能驱动加热，可以在240s内快速加热到75◦C。这种绿色、低成本的生物质多功能复合材料有望用于电磁屏蔽、能量转换、智能家具等领域。

Fig.1 MBF/PLA复合材料的制备工艺示意图。

Fig.2  (a)电导率，(b)磁滞回线，(c) EMI SE， (d) SEA, SER, SET， (e)不同填料的MBPC的A,T,R值。(f) MBPC可能的电磁屏蔽机理

Fig.3 不同填料含量的MBPC的电热性能。(a) 30wt %-MBPC随电压变化，(b) 50wt %-MBPC和70wt %-MBPC在1V和3V下，(c) 50wt %-MBPC随电压变化的温度随时间变化图。(d)饱和温度随U2的实验数据及线性拟合。(e) 50 wt%-MBPC在逐渐变化的电压下的定制表面温度。(f)水滴在1V电压下的50% -MBPC。(g) 50wt %- mbpc在3V时的长期时间-温度曲线，附图:红外摄像机在3V加热时捕获的温度分布。(h) 50wt %-MBPC加热器在2V电压下循环15次的性能。(i)本研究中MBPC的焦耳加热性能与文献中其他材料的比较。(j-k) MBPC可能应用的演示。

Fig.4  (a) MBPC和BPC的抗拉强度，(b)BPC和(c)MBPC的应力-应变曲线。(d)不同MBF含量下MBPC的抗弯强度。MBPC的热稳定性，(e) BPC和MBPC的最大降解温度。(f) BPC和MBPC的最大热解速率。(g) BPC的TG和(h)DTG曲线。(i) TG和(j) MBPC的DTG曲线

   相关成果以“Biomass composite based on metallized bamboo fiber for electromagnetic interference shielding, joule heating, and solar heating”的论文发表在Composites Science and Technology 期刊上，四川大学高分子科学与工程学院博士研究生张琪为本文第一作者，傅强教授为本文通讯作者。

原文链接: 

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.110228