全生物质纳米复合薄膜的绿色制备及其在热管理与电磁屏蔽中的多功能协同机制

这篇研究创新性地通过真空辅助过滤法自组装纳米碳球(NCSs)和纤维素纳米纤维(CNFs)，开发出兼具优异机械性能(41.74 MPa)、导热性(2.21 W·m?1·K?1)和电磁屏蔽(23.77 dB)的全生物质纳米复合薄膜(NCF)。该工作通过π-π堆叠和氢键协同作用构建三维导电网络，解决了传统材料界面不相容问题，为柔性电子和绿色包装提供了可持续解决方案。

　　

引言

随着5G时代电子设备集成度提升，热积累和电磁辐射污染成为关键挑战。传统金属/陶瓷材料存在重量大、成本高等缺陷，而本研究利用小麦秸秆衍生的纳米碳球(NCSs)和纤维素纳米纤维(CNFs)，通过绿色工艺构建全生物质纳米复合薄膜(NCF)，实现热-力-电多功能协同优化。

实验方法

采用两步法处理小麦秸秆：1) 深共晶溶剂(DES)剥离获得直径5-20 nm的CNFs；2) 1600°C碳化制备具有介孔结构(108.02 m²/g)的NCSs。通过真空过滤自组装制备不同比例(1:9至9:1)的NCF，其中NCF 5:5展现最优性能组合。

结构与性能

• 微观形貌：TEM显示NCSs具有20 nm球形结构，与CNFs形成紧密交织网络；AFM显示表面粗糙度136 nm，增强界面接触

• 机械性能：NCF 5:5拉伸强度达41.74 MPa，韧性1.09 MJ·m^?3，归因于π-π堆叠和氢键的协同增强

• 热管理：导热系数达2.21 W·m^?1·K^?1，红外热成像显示其可使127°C热源表面温度降至35.7°C

• 电磁屏蔽：X波段(8.2-12.4 GHz)屏蔽效能23.77 dB，吸收占比65%，无线充电实验验证其实际屏蔽效果

机制分析

1. 1.

   导电网络：NCSs的sp²杂化碳骨架形成连续电子传输通道

2. 2.

   界面优化：CNFs的羟基与NCSs的π电子云产生氢键-π协同作用

3. 3.

   多级耗散：介孔结构引发电磁波多次反射，Maxwell-Wagner效应增强介电损耗

应用前景

该材料在柔性电子(可承受12195倍自重)、军事红外隐身、可穿戴设备等领域展现潜力，其全生物质成分和绿色工艺符合可持续发展需求。研究为下一代环境友好型功能材料设计提供了新范式。