一种基于强羧甲基纤维素的生物塑料，具有优异的电磁干扰屏蔽性能和导电性

《International Journal of Biological Macromolecules》：A strong carboxymethyl cellulose-based bioplastic providing superior electromagnetic interference shielding and conductivity

本研究通过模仿贝壳（nacre）的“砖-灰浆”结构，将羧甲基纤维素（CMC）与多层碳基材料（rGO、CNT、AB）自组装，成功制备出一种兼具高强度（109.22 MPa）、优异导电性（1204.47 S/m）、高电磁屏蔽效能（39.63 dB）和良好生物降解性（4个月）的多功能生物塑料，为可持续电子材料提供新方案。

　　本研究围绕一种新型的生物基塑料材料展开，该材料通过模仿珍珠层（nacre）的结构，结合多种功能填料的协同组装，成功实现了在机械性能、水阻性、热稳定性、导电性及电磁干扰（EMI）屏蔽方面的多重突破。这一成果为解决当前塑料污染和电子设备中的电磁干扰问题提供了新的思路，同时也为开发可持续的高性能材料开辟了新的方向。

在现代社会中，塑料已经成为不可或缺的材料，广泛应用于各个领域。然而，石油基塑料的过度使用不仅加剧了环境污染，还对全球能源安全构成了威胁。与此同时，电子设备和通信技术的迅猛发展虽然极大地方便了人们的生活，但也带来了电磁干扰和热积累等问题。这些问题对电子设备的正常运行和人类健康构成了潜在威胁，因此迫切需要开发既具备优异性能又符合环保要求的新型材料。

生物基塑料作为一种可再生资源衍生的材料，被认为是石油基塑料的理想替代品。它们不仅能够减少对化石燃料的依赖，还具有良好的生物降解性，有助于缓解塑料污染问题。其中，羧甲基纤维素（CMC）因其成本低廉、高长径比、优良的成膜能力和非毒性等特性，成为制备多功能生物基塑料的重要原料之一。然而，传统的纤维素基生物塑料普遍面临水阻性差、机械性能不足以及功能单一等挑战，这严重限制了其在高端领域如智能电子产品、便携设备和EMI屏蔽材料中的应用。

为了克服上述问题，研究人员采用了一种创新的策略，将功能填料引入材料体系，以赋予其多重性能。导电性填料的加入能够形成连续的导电网络，从而提升材料的导电性和热导率。在众多导电填料中，碳基纳米填料因其来源丰富、良好的生物相容性和可降解性而受到广泛关注。例如，还原氧化石墨烯（rGO）作为一种二维碳材料，因其大比表面积、高长径比和优异的导电性能而备受青睐。此外，rGO表面丰富的含氧官能团也使其与基体材料具有良好的界面相容性，有助于实现有效的填料-基体结合。

碳纳米管（CNT）则因其结构类似于卷曲的石墨烯片，具备高强度、高弹性和低密度等特点。其独特的π共轭结构赋予了它出色的导电性能，同时其一维纳米结构也有助于实现高效的轴向热传导。而乙炔黑（AB）作为一种零维碳纳米填料，具有纳米级尺寸、大比表面积以及填充空隙的能力，能够有效增强材料的界面相互作用和结构致密性。同时，AB表现出良好的导电性，并且成本低廉，这使其在经济性方面优于其他碳材料。

通过将rGO、CNT和AB这三种不同维度的碳基填料协同引入CMC基体中，研究人员成功构建了一种具有“砖-砂浆”结构的生物基塑料。这种结构不仅模仿了珍珠层的优异力学性能，还赋予了材料独特的物理和化学特性。在“砖-砂浆”结构中，rGO作为“砖”形成有序的层状结构，而CMC则通过与柠檬酸的酯化反应形成化学交联网络，充当“砂浆”的角色。CNT和AB则填充在这些层之间，不仅增强了材料的导电性，还改善了其热导率和机械强度。

实验结果显示，这种新型生物基塑料在多个方面表现出色。首先，其机械性能得到了显著提升，拉伸强度高达109.22 MPa，这远超传统生物塑料的性能水平。这种优异的机械性能使其在需要承受机械变形的领域，如便携和可穿戴电子设备中具有广阔的应用前景。其次，该材料表现出良好的水阻性和热稳定性，这在一定程度上弥补了传统生物塑料在环境适应性方面的不足。此外，其导电性能也十分突出，电导率达到了1204.47 S/m，这使其在需要高导电性的电子设备中具有竞争力。

更为重要的是，这种生物基塑料在电磁干扰屏蔽方面表现出卓越的性能，其EMI屏蔽效能达到了39.63 dB，即使在仅0.17 mm的厚度下也能实现如此高的屏蔽效果。这表明该材料不仅具备良好的导电性，还能有效吸收和反射电磁波，从而防止电磁干扰对电子设备的影响。这种性能对于现代电子设备的防护至关重要，尤其是在电磁环境复杂的场合，如数据中心、医疗设备和军事设施等。

与此同时，该材料还具有良好的生物降解性，能够在自然土壤中在4个月内完全降解。这一特性使其在环保方面具有显著优势，能够有效减少电子废弃物对环境的长期影响。与传统的石油基塑料相比，这种生物基塑料不仅在性能上具有优势，而且在环境友好性方面也实现了突破。

在材料的制备过程中，研究人员采用了自组装技术，通过精确控制填料的分布和结构，实现了“砖-砂浆”结构的构建。这种结构不仅提高了材料的力学性能，还增强了其导电性和热导率。此外，材料的多层结构有助于电磁波的多次反射和内部耗散，从而提高EMI屏蔽效果。这种结构设计策略为未来开发高性能和多功能的生物基材料提供了新的思路。

值得注意的是，这种生物基塑料的开发并非简单的填料混合，而是通过深入研究材料的微观结构和性能之间的关系，实现了多维度的性能优化。在实验中，研究人员通过调整填料的比例和自组装条件，进一步优化了材料的综合性能。这种精细化的材料设计方法不仅提高了材料的性能，还确保了其在实际应用中的稳定性和可靠性。

此外，这种生物基塑料的可降解性使其在电子废弃物管理方面具有重要意义。随着电子设备的快速更新换代，电子垃圾的处理成为全球性难题。传统的石油基塑料由于难以降解，往往需要长时间的填埋或焚烧，这不仅占用大量土地资源，还可能释放有害物质。而这种生物基塑料能够在自然环境中快速降解，不仅减少了对环境的污染，还为电子废弃物的循环利用提供了可能。

从可持续发展的角度来看，这种生物基塑料的开发为电子行业提供了新的材料选择。它不仅能够满足高性能电子设备对材料的要求，还能够减少对环境的影响，实现资源的高效利用和循环利用。这种材料的出现标志着生物基塑料在功能性和环保性方面取得了重要进展，为未来材料科学的发展提供了新的方向。

综上所述，这种新型生物基塑料通过模仿珍珠层的结构，结合多种功能填料的协同作用，成功实现了在机械性能、水阻性、热稳定性、导电性和EMI屏蔽方面的多重突破。其优异的性能和良好的生物降解性使其在电子设备和环保材料领域具有广阔的应用前景。这一研究不仅为生物基塑料的开发提供了新的思路，也为解决当前塑料污染和电子设备电磁干扰问题提供了有效的解决方案。