陕科大徐永建教授/祝萌副教授团队《ACS AMI》：高强度纤维素基电磁屏蔽抗菌复合薄膜

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随着电子设备的迅速发展，随之产生的电磁污染和电磁干扰（EMI）问题日益严重，不仅会对人们的身心健康造成极大的影响，也会干扰各种电子设备的正常运转。高性能电磁屏蔽材料可以高效反射入射电磁波，解决电磁污染和电磁干扰问题。在柔性可穿戴智能电子设备领域中，迫切需要开发出力学性能和电磁屏蔽效能俱佳的可穿戴电磁屏蔽薄膜材料。此外，在实际穿戴应用中，可能存在细菌滋生问题，因此新型可穿戴电磁屏蔽薄膜还应具备一定的抗菌性能。

图1 本文研究摘要图

陕西科技大学轻工科学与工程学院徐永建教授、祝萌副教授团队制备了一种力学强度优异的纤维素基电磁屏蔽抗菌复合薄膜，可有效解决电磁辐射及电磁干扰问题。团队成员以天然木片为原料，通过脱木素处理得到具有高定向结构的多孔纤维素模板（CS），随后引入高导电的银纳米线（AgNWs）作为导电填料，结合热压和聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂覆工艺，制备出力学性能优异的抗菌型纤维素基电磁屏蔽复合薄膜（d-AgNWs@CS-PDMS），其核心思想如图1所示。

图2 从天然木片到d-AgNWs@CS-PDMS复合薄膜的微观结构变化

如图2所示，脱木素处理虽然部分破坏了天然木片中的“晶格结构”，但高定向的纤维素纤维仍然得以保留，且所产生的多孔结构有利于AgNWs的引入和分布。AgNWs在CS的定向微通道中可与纤维素间形成氢键结合，构建出连续、稳定的高效导电网络，有利于入射电磁波的反射。

此外，CS中的纤维素纤维呈高度定向排列，而热压处理进一步促进了纤维素纤维间的氢键键合，同时使AgNWs导电网络致密化，有效提高了复合薄膜的力学性能，最大拉伸强度为 511.8 MPa，如图3所示。且具有良好的柔韧性，可满足未来柔性可穿戴设备的应用需求。

图3 d-AgNWs@CS-PDMS复合薄膜的力学性能及纤维素定向排列示意图

AgNWs在CS中构成了连续高效的导电网络，且热压后薄膜结构进一步致密化。如图4所示，当AgNWs含量为21.6 wt. %时，d-AgNWs@CS-PDMS复合薄膜的电导率最高可达35493.8 S/m，电磁屏蔽效能可达46 dB，可满足电磁屏蔽或电磁防护需求。此外，由于AgNWs在CS中与纤维素分子通过氢键充分结合，保证了AgNWs导电网络在基体中的结构稳定性；且PDMS薄层的涂覆进一步防止了AgNWs的剥落，使得d-AgNWs@CS-PDMS复合薄膜在弯折、扭曲等反复形变处理后，依然能保持较高的电磁屏蔽效能，这对于未来柔性可穿戴设备的电磁防护应用来说十分必要。

在d-AgNWs@CS-PDMS复合薄膜中，AgNWs不仅作为导电填料存在以提高薄膜的电磁屏蔽性能，还可释放出大量的Ag⁺，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长和增殖有显著的抑制作用，如图5所示。证实了d-AgNWs@CS-PDMS复合薄膜具有优异的抗菌性能，可有效避免长期使用时可能引发的健康问题。

图4 d-AgNWs@CS-PDMS复合薄膜的电导率、电磁屏蔽效能及屏蔽机理示意图

图5 d-AgNWs@CS-PDMS复合薄膜的抗菌性能及抗菌机理示意图

综上所述，以天然木材为原料制备的d-AgNWs@CS-PDMS复合薄膜具有柔韧高强、抗菌及高效电磁屏蔽的特点，为面向柔性可穿戴电子设备的新型电磁屏蔽材料的制备提供了新思路和新方法。

相关成果以“An Ultrastrong and Antibacterial Silver Nanowire/aligned Cellulose Scaffold Composite Film for Electromagnetic Interference Shielding”为题，发表在ACS Applied Material Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.1c23515）上。陕西科技大学的祝萌副教授为该论文的第一作者，硕士研究生严轩轩为第二作者，徐永建教授为本论文的通讯作者。这是该团队近年来在纤维素基电磁屏蔽领域的又一重要成果（Carbon 2021, 182, 806-814; Ceram. Int. 2021, 47, 17234-17244）。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c23515

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