采用高产锯齿无针静电纺丝技术制备3D Ni0.5Zn0.5Fe2O4@C/聚吡咯纳米纤维网络及其电磁干扰屏蔽应用研究

《Surfaces and Interfaces》：Fabrication of 3D Ni 0.5Zn 0.5Fe 2O 4@C/Polypyrrole Nanofibers Network via High-Yield Saw-Tooth Needleless Electrospinning for EMI Shielding Applications

本研究针对传统静电纺丝技术产量低、难以满足电磁干扰(EMI)屏蔽材料大规模应用需求的问题，开发了一种基于锯齿轮无针静电纺丝的高效制备方法，成功构建了三维镍锌铁氧体(Ni0.5Zn0.5Fe2O4)纳米纤维网络。通过碳包覆和聚吡咯(PPy)原位聚合制备的NZF@C/PPy复合材料，在X波段(8.2-12.4 GHz)展现出约28 dB的优异屏蔽效能，为高性能柔性电磁屏蔽材料的设计提供了新策略。

　　

随着无线通信技术和电子设备的飞速发展，电磁污染已成为继水、空气和噪音污染之后的第四大环境污染源。世界卫生组织(WHO)指出，电磁辐射不仅会影响民用和军事基础设施的正常运行，还可能对人体神经系统和生理功能造成损害，导致睡眠障碍、注意力不集中和头痛等问题。因此，开发新型高效的电磁干扰(EMI, Electromagnetic Interference)屏蔽材料已成为当今材料科学领域亟待解决的重要课题。

在众多电磁波(EMW, Electromagnetic Wave)衰减材料中，一维纳米材料因其独特的形状各向异性、大比表面积和高电子导电性等优势而备受关注。其中，静电纺丝技术作为制备纳米纤维(NFs, Nanofibers)的成熟方法，能够构建形成导电网络，为电子跃迁和迁移提供长程传输路径，从而有效增强电磁波衰减效果。然而，传统单针头静电纺丝产量极低（0.1-1 g/h），严重限制了其在工业领域的实际应用。虽然多针头系统在一定程度上提高了产量，但存在电场分布不均、操作不稳定和喷嘴堵塞等问题。无针静电纺丝系统的出现为解决这一瓶颈提供了新思路。

近期发表在《Surfaces and Interfaces》上的研究中，Arshad Majeed等人创新性地采用锯齿轮无针静电纺丝技术，在可控环境中成功制备了三维磁性Ni_{0.sub>Zn0.5Fe2O4(NZF)纳米纤维网络。该方法通过锯齿轮上的多个齿尖同时产生纤维射流，实现了连续、大面积的纳米纤维合成，显著提高了生产效率。研究人员随后通过传统水热法在磁性纳米纤维网络表面进行碳包覆，并经过聚吡咯(PPy, Polypyrrole)原位聚合，最终形成了NZF@C嵌入PPy基体的复合结构。}

关键技术方法包括：锯齿轮无针静电纺丝制备NZF纳米纤维网络、水热法碳包覆处理、原位化学聚合制备PPy复合材料。通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和振动样品磁强计(VSM)等表征手段系统分析了材料的结构、形貌和性能。

Structural Analysis

XRD分析证实了NZF及其复合结构的成功形成。衍射峰与立方结构NZF的标准卡片(JCPDS no 96-110-0113)完全匹配，同时检测到Fe₃O₄的特征峰。复合材料中PPy的引入未改变NZF的晶体结构，表明成功构建了核壳结构。

Surface Morphology

FESEM表征显示形成了典型的三维纳米纤维网络结构，平均纤维直径约为234纳米。这种独特的相互连接网络为电子传输提供了连续路径，同时有利于电磁波的多重反射和散射。

Magnetic Properties

VSM测试结果表明NZF磁芯具有多域结构特征，这是实现磁损耗的重要基础。磁性纳米纤维与导电聚合物的结合为电磁波衰减提供了双重损耗机制。

EMI Shielding Performance

厚度为4毫米的NZF@C/PPy复合材料在X波段(8.2-12.4 GHz)频率范围内表现出约28 dB的屏蔽效能，相当于99.8%的电磁波衰减率。这种优异的性能归因于介电损耗和磁损耗的协同效应、界面处的极化现象、改善的阻抗匹配以及纳米纤维网络内的导电通路。

研究结论表明，这种基于高产锯齿无针静电纺丝技术制备的柔性纳米纤维网络复合材料，成功解决了传统静电纺丝产量低的问题，同时通过巧妙的材料设计实现了高效的电磁干扰屏蔽性能。碳包覆层和PPy基体的引入不仅增强了材料的导电性，还通过界面极化效应改善了阻抗匹配条件。多孔三维网络结构为电磁波提供了更长的传输路径，促进了电磁能量的耗散。该研究为开发高性能、轻质柔性电磁屏蔽材料提供了新的技术路线，在航空航天、电子设备和军事防护等领域具有广阔的应用前景。特别值得一提的是，这种可扩展的制备方法为纳米纤维基功能材料的大规模工业生产奠定了技术基础，推动了纳米材料从实验室向实际应用的转化进程。