废纸纤维增强柔性石墨烯基多功能电磁屏蔽膜的制备与性能

《Nano Materials Science》：Fabrication and properties of waste paper fiber reinforced flexible graphene-based multifunctional electromagnetic shielding film

本研究的创新性在于采用高速剪切混合技术制备了石墨烯增强废纸纤维复合材料（GPFC），突破物理法制备石墨烯的成膜难题，同时实现废纸资源化利用。实验表明，GPFC在8.2-12.4 GHz X波段电磁屏蔽效能达87.3 dB，热导率高达370 W/(m·K)，具备720°无断裂扭曲的优异柔韧性，且在3.5V电压下可实现77.4℃稳定控温。该材料通过石墨烯与纸纤维的界面极化协同作用实现电磁波反射（贡献率达80%以上），并展现出卓越的焦耳热响应特性，可快速融化20mm×20mm×5mm冰块（50秒内），为开发超薄轻质多功能电磁屏蔽材料提供了新路径。

　　在当今社会，随着电子设备的广泛应用以及通信技术的迅猛发展，电磁干扰（EMI）问题日益突出。尤其是在日常生活中，通信设备的普及使得电磁波污染不断加剧，对电子系统的正常运行和人类健康构成潜在威胁。因此，研发高性能、轻质且环保的电磁屏蔽材料成为当前材料科学与工程领域的重要课题之一。本文提出了一种创新性的方法，通过将废纸纤维与石墨烯结合，并采用高速剪切混合技术，成功制备出一种具有优异电磁屏蔽性能的柔性石墨烯-纸纤维复合薄膜（GPFC），为解决EMI问题提供了新的思路。

### 研究背景与意义

电磁干扰是指由于电磁波的传播而导致电子设备之间出现信号干扰的现象。随着5G通信技术的推广和智能电子设备的普及，电磁波污染的程度不断加深，尤其是在高频段（如X波段）的电磁波对精密仪器和敏感电子元件的影响尤为显著。这种干扰不仅会影响设备的性能，还可能对人体健康产生不利影响，例如通过热效应、非热效应和累积效应等方式。因此，开发高效、轻质且具备多种功能的电磁屏蔽材料，成为提升电子设备安全性和环保性的关键。

传统的金属基电磁屏蔽材料，如铜和铝，因其优异的导电性能在早期电子设备中被广泛使用。然而，这些材料存在一些明显的缺点，例如密度高、易腐蚀以及缺乏灵活性，限制了其在某些应用场景中的使用。近年来，碳基材料，尤其是石墨烯，因其高比表面积、良好的化学稳定性和出色的柔韧性，被认为是替代传统金属材料的理想选择。石墨烯不仅具备优异的导电性能，还具有较高的热导率，能够有效吸收和散射电磁波，从而实现高效的电磁屏蔽。

然而，石墨烯的制备方法仍面临诸多挑战。化学氧化法虽然能够大规模生产石墨烯，但其过程通常涉及大量酸和氧化剂，不仅成本高昂，还可能对环境造成污染。此外，化学氧化过程会破坏石墨烯的π键结构，降低其导电性和热导率。相比之下，物理制备方法虽然更加环保，但制得的石墨烯片层往往缺乏极性基团，导致其在形成薄膜时容易出现片层间结合力弱、难以成型等问题。因此，如何在保持石墨烯优异性能的同时，克服其成型和柔韧性方面的不足，成为当前研究的重点。

### 创新方法与材料设计

本研究通过引入废纸纤维，结合高速剪切混合技术，成功制备出一种新型的柔性石墨烯-纸纤维复合薄膜（GPFC）。这种复合材料不仅保留了石墨烯的导电性和热导率，还显著提升了其柔韧性，使其能够承受高达720°的扭转而不会发生断裂。同时，该方法实现了对废纸资源的高效回收利用，为解决环境问题提供了可持续的解决方案。

废纸作为一种广泛使用的材料，其来源丰富、成本低廉，且具有良好的机械性能和生物降解性。通过将废纸纤维与石墨烯结合，不仅可以弥补石墨烯在成型和柔韧性方面的缺陷，还能赋予复合材料额外的多功能性。例如，GPFC在电磁屏蔽、热传导和焦耳加热等方面表现出优异的性能，使其在电子设备的热管理、电磁防护和防冰应用中展现出广阔前景。

### 材料制备过程

本研究的材料制备过程主要包括以下几个步骤：首先，将废纸切割成小块，放入高速剪切混合器中与去离子水混合，以获得一定浓度的纸浆。随后，按照预设的质量比例将石墨烯加入混合器中，并与纸浆共同进行高速剪切分散。最后，通过真空过滤和高温干燥工艺，得到最终的GPFC薄膜。

在实验中，分别制备了四种不同纸纤维含量的GPFC样品：GPFC-10（10 wt%）、GPFC-20（20 wt%）、GPFC-50（50 wt%）和GPFC-100（100 wt%）。通过调节纸纤维的添加比例，可以控制复合材料的性能。例如，随着纸纤维含量的增加，复合材料的导电性会逐渐下降，而其热导率则呈现出先上升后下降的趋势。这种性能的变化与纸纤维在复合材料中的分布和作用机制密切相关。

### 材料性能分析

#### 1. 电导率与电磁屏蔽性能

实验结果显示，GPFC-10样品的电导率达到了1958 S/cm，甚至超过了纯石墨烯颗粒的电导率。这表明，适量的纸纤维不仅不会影响石墨烯的导电性能，反而有助于其均匀分散，减少片层间的聚集，从而提升整体的导电性。此外，GPFC在X波段（8.2 GHz至12.4 GHz）内的电磁屏蔽效果（EMI SE）达到了87.3 dB，远高于商业电磁屏蔽材料所需的最低标准（>20 dB），显示出其在电磁防护方面的卓越能力。

值得注意的是，尽管随着纸纤维含量的增加，材料的导电性有所下降，但其电磁屏蔽效果并未显著降低。这说明在一定范围内，纸纤维的引入并未削弱石墨烯的屏蔽性能，反而可能通过优化材料结构，提升其对电磁波的吸收能力。例如，SE_A（吸收损失）在GPFC-10样品中占总屏蔽效果的80.7%，而在GPFC-100样品中也占到了78.8%。这表明，即使在导电性下降的情况下，GPFC仍能通过吸收机制实现高效的电磁屏蔽。

#### 2. 热导率与热管理性能

除了电磁屏蔽性能，GPFC还表现出优异的热导率。在X波段内，GPFC-10样品的热导率达到了370 W/(m·K)，而GPFC-100样品的热导率则下降至36 W/(m·K)。这一结果表明，石墨烯在热传导过程中起着主导作用，而纸纤维的引入则在一定程度上影响了热传导路径。然而，即使在纸纤维含量较高的情况下，GPFC仍能保持相对较高的热导率，说明其内部结构仍然具备良好的热传导能力。

此外，GPFC在实际应用中展现出出色的焦耳加热性能。当施加3.5 V电压时，GPFC-10样品的温度可以迅速上升至77.4 °C，而GPFC-20样品则可以达到87.0 °C。这种高效的热能转换能力使其在电子设备的热管理、防冰和加热系统中具有重要应用价值。例如，在实验中，GPFC-20样品能够在50秒内将一块20 mm × 20 mm × 5 mm的冰块完全融化，显示出其在防冰应用中的潜力。

#### 3. 柔韧性与结构稳定性

在机械性能方面，GPFC样品表现出良好的柔韧性。通过实验观察，GPFC薄膜可以弯曲至30°、90°甚至180°，并且在720°的扭转下仍能保持结构完整。这种高柔韧性使得GPFC在柔性电子设备和可穿戴技术中具有广阔的应用前景。相比之下，未添加纸纤维的石墨烯样品在弯曲至90°时会出现明显的断裂，表明纸纤维的引入显著提升了材料的柔韧性和结构稳定性。

#### 4. 环境友好性与资源回收

本研究不仅关注材料的性能提升，还强调其在可持续发展方面的贡献。通过将废纸纤维作为增强材料，GPFC实现了对废弃纸张的高效回收利用，避免了传统化学方法对环境的污染。同时，该方法的工艺流程相对简单，不需要复杂的化学处理，进一步降低了生产成本和对环境的影响。

### 应用前景与意义

GPFC作为一种新型的多功能复合材料，具有广阔的工业应用前景。其优异的电磁屏蔽性能使其适用于各种电子设备的防护，特别是在高频通信和精密仪器领域。此外，其出色的热导率和焦耳加热能力，使其在电子设备的热管理、防冰和加热系统中具有重要价值。例如，在航空航天、汽车制造和智能穿戴设备等领域，GPFC可以作为轻质、高效的热管理材料，帮助设备在高温环境下保持稳定运行。

同时，GPFC的高柔韧性使其在柔性电子、可折叠设备和生物医学工程中具有应用潜力。随着柔性电子技术的发展，对材料柔韧性和导电性的需求日益增加，而GPFC正好满足了这一需求。此外，由于其来源于可再生资源，GPFC的生产过程更加环保，符合当前绿色制造和可持续发展的趋势。

### 总结

综上所述，本研究通过将废纸纤维与石墨烯结合，并采用高速剪切混合技术，成功制备出一种具有优异电磁屏蔽、热导率和焦耳加热性能的柔性复合材料GPFC。该材料不仅克服了传统石墨烯在成型和柔韧性方面的不足，还实现了对废纸资源的高效回收利用，为开发轻质、高效、环保的电磁屏蔽材料提供了新的思路。未来，随着对高性能材料需求的不断增长，GPFC有望在多个领域中发挥重要作用，推动电子设备向更轻、更薄、更智能的方向发展。