超支化木质素纳米颗粒构建高性能电磁屏蔽与双模式热管理纳米杂化薄膜

《Industrial Crops and Products》：Hyperbranched lignin nanoparticles-enabled nanohybrid film for high-performance electromagnetic interference shielding and dual-mode thermal management

本研究针对电子设备普及带来的电磁干扰(EMI)问题，通过整合超支化木质素纳米颗粒(H-LNPs)、纤维素纳米纤丝(CNFs)、MXene和TEOS改性Fe3O4(T-Fe3O4)，成功构建了生物基多功能纳米杂化薄膜CMFL。该薄膜在67μm厚度下实现61.3dB的EMI屏蔽效能，拉伸强度达41.89MPa，并具备光热/焦耳热双模式热管理功能，为开发可持续高性能EMI屏蔽材料提供了新策略。

　　

随着电子设备和无线技术的迅猛发展，电磁干扰已成为影响设备可靠性和人体健康的重要环境问题。传统金属屏蔽材料存在密度大、柔性差、环境兼容性不佳等局限，开发轻质、柔性且可持续的新型电磁屏蔽材料迫在眉睫。在这一背景下，生物质材料因其可再生、可降解和环境友好等特性受到广泛关注，其中纳米纤维素和木质素等生物基材料展现出巨大应用潜力。

本研究发表在《Industrial Crops and Products》上，通过创新性地将超支化木质素纳米颗粒(H-LNPs)与纤维素纳米纤丝(CNFs)、MXene、TEOS改性Fe₃O₄(T-Fe₃O₄)相结合，构建了名为CMFL的多功能纳米杂化薄膜。研究人员采用真空辅助过滤技术制备复合薄膜，通过TEOS修饰改善Fe₃O₄分散性，利用超支化改性增加木质素纳米颗粒表面羟基含量，并系统表征了材料的微观结构、电磁性能和热管理特性。

主要技术方法

研究采用真空过滤法制备CMFL杂化薄膜，通过zeta电位和粒度分析评估分散稳定性，利用SEM/TEM观察微观形貌，XRD和FT-IR进行结构表征，采用矢量网络分析仪测试电磁屏蔽效能，并通过红外热成像评估光热和电热性能。

3.1. 生物基EMI屏蔽纳米杂化薄膜CMFL的制备

CMFL薄膜通过真空辅助过滤技术制备，其中H-LNPs通过超支化改性引入高密度羟基和负表面电荷，显著改善了T-Fe₃O₄的分散性。MXene纳米片提供导电网络，CNFs增强机械性能，H-LNPs作为分散剂和粘结剂协同提升薄膜的综合性能。

3.2. MXene、H-LNPs、T-Fe₃O₄和T-Fe₃O₄/H-LNPs的形貌和结构表征

SEM和TEM显示MXene呈现典型层状结构，FT-IR证实H-LNPs成功制备，其特征峰位于1720cm^-1(C=O)和3440cm^-1(-OH)。粒度分析表明H-LNPs的加入使T-Fe₃O₄粒径从1059.6nm降至185.8nm，zeta电位证实静电排斥作用是改善分散的关键机制。

3.3. CMFL纳米杂化薄膜的表征

与CMF薄膜相比，CMFL薄膜厚度从76.85μm减小至67.04μm，且呈现更均匀的层状结构。XRD证实各组分成功复合，力学测试显示CMFL的拉伸强度(41.89MPa)和断裂伸长率(3.01%)均显著优于CMF薄膜(21.18MPa, 2.15%)。

3.4. CMFL纳米杂化薄膜的电磁屏蔽性能

CMFL薄膜的EMI屏蔽效能达61.3dB，比CMF薄膜提高近20dB。其屏蔽机制以反射为主(R>A)，但吸收损耗(SE_A)相对提升，表明材料具备一定的电磁波耗散能力。电导率测试显示CMFL达16667S/m，归因于H-LNPs促进的MXene有序排列和T-Fe₃O₄均匀分散。

3.5. CMFL纳米杂化薄膜的光热和电热性能

在1.0kW/m²氙灯照射下，CMFL薄膜120秒内升温至76.1℃，显著高于CMF薄膜(68.9℃)。在3V电压下，CMFL表面温度20秒内达49.9℃，最终稳定于68.3℃，而CMF薄膜仅达38.7℃。这种优异的双模式热管理性能源于MXene的表面等离子体共振效应和H-LNPs促进的填料有序分散。

研究结论与意义

本研究成功开发了基于超支化木质素纳米颗粒增强的CMFL杂化薄膜，实现了高性能电磁屏蔽与双模式热管理的协同提升。H-LNPs作为多功能改性剂，不仅解决了纳米填料分散难题，还显著改善了薄膜的界面结构和功能集成。该工作为开发可持续生物基电磁屏蔽材料提供了新思路，在柔性电子、智能热管理等领域具有广阔应用前景。特别是材料在67μm厚度下达到61.3dB的屏蔽效能，兼具良好机械强度和热调控能力，超越了传统屏蔽材料的性能局限，展示了生物质纳米材料在先进功能材料领域的巨大潜力。