近年来，具有定制特性和功能的生物高分子复合材料得到了迅速发展，从而设计出了无数的绿色生物材料和生物医学设备。这些复合材料通过提供物理保护、生物相容性和电磁干扰 (EMI) 屏蔽，满足严格的安全和生物相容性标准。然而，制备轻质聚合物复合材料，具有以吸收为主导的高效的 EMI 屏蔽性能和稳定的电绝缘性能，同时保持生物相容性是一项重大挑战。
近日，浙江工业大学况太荣教授等将高熔点聚乳酸（PLA）与碳纳米管（CNT）进行熔融共混，然后进行破碎、研磨，随后与低熔点聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯共混（PBAT）形成具有隔离结构的复合材料。然后对该复合材料进行 Sc-CO2 发泡，利用其独特的发泡窗口来选择性的引入泡孔结构。制备得到了具有低密度（~0.69 g/cm3）、良好的绝缘性能（~3.98 × 109 Ω·cm）、高 EMI 屏蔽性能（~30.1 dB）以及良好的生物相容性和可降解性的生物高分子复合泡沫材料。该研究工作以“Green segregated honeycomb
biopolymer composites for electromagnetic interference shielding biomedical
devices”为题发表在《Chemical
Engineering Journal》期刊上。浙江工业大学刘通为第一作者，况太荣教授为通讯作者。生物高分子复合泡沫材料P@T10的制备过程如图1所示，首先将高熔点的生物高分子聚乳酸和碳纳米管以特定比例熔融共混，然后将PLA/CNTs导电颗粒（T10）粉碎后作为填料与低熔点的PBAT进行熔融共混。该过程在PBAT基体内形成绝缘隔离网络，有效地阻止PLA/CNTs颗粒之间的电子转移，既确保均匀的绝缘性能，又保持优异的EMI屏蔽性能。此外，通过Sc-CO2发泡，利用两种聚合物发泡窗口的不同，在导电颗粒T10内选择性地引入蜂窝状泡孔结构。这种隔离的蜂窝状结构不仅增强了复合材料的绝缘性能，还降低了其密度，促进了电磁波多次反射提高了电磁波的吸收性能。
【f-P@T10形貌】
如图2a所示，在较低发泡温度下（110℃），在PBAT相形成了泡孔结构，而PLA/CNTs相大部分仍为固态。因此，在这种情况下，未发泡的 PLA/CNTs 颗粒被封装在隔离的 PBAT 泡沫层内，有效地增加了颗粒间距。如图2b所示，在130°C 的中间温度下，PBAT 和 PLA/CNTs 相都具有多孔结构。在150℃ 较高温度下，发泡行为发生了变化（图2c），PLA/CNTs相显示出良好的发泡性，形成了均匀的泡孔，而PBAT相由于熔体强度降低导致难以形成泡孔。这种发泡窗口的差异可以用于调控复合泡沫中隔离的蜂窝状泡孔结构。图2.f-P@T10的形貌。
【f-P@T10的性能】
如图3a所示，发泡后复合材料体积电阻率增加，f-p@T10-110以及f-p@T10-130实现了超过1010 Ω·cm的高体积电阻率，而f-p@T10-150也保持了绝缘状态。这是由于f-p@T10-110和f-p@T10-130中的PBAT增加了颗粒之间的间距，提高了绝缘性能；而在f-p@T10-130和f-p@T10-150中，膨胀的PLA/CNT颗粒和导电网络的破坏有助于保持绝缘性能。图3b-3e表明，复合泡沫的整体EMI SE在发泡后略有下降，而电磁波吸收性能却大幅度提高。f-P@T10-110 复合材料以反射为主，而 f-P@T10-130 和 f-P@T10-150在 PLA/CNTs 颗粒中具有泡孔结构，表现出吸收主导的电磁屏蔽机制。图3.具有隔离蜂窝状结构的生物聚合物复合材料的性能。https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152438
作者|王勇
校审|邱健
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