植物纤维复合材料电磁屏蔽功能形成机理和调控研究

In the recent years, high performance and low cost filled type composites for electromagnetic interference shielding is a research hotspot. the author prepares polymer composites by plant fiber steam explosion in-situ coating modification with carbon particles and find its advantages of high conductivity and low cost. From the process of plant fiber steam explosion in-situ modification, we can make a deep research on the formation mechanism of carbon particles coating layer around the surface of separate plant fiber in the explosion force field, investigate the factors which influence the percolation threshold of the plant fiber filled polymer composites modified by carbon particles and reveal the essence and law of the formation of electromagnetic interference shielding performance in plant fiber composites. It will provide evidence for preparation and performance regulation of high performance and low cost filled type composites for electromagnetic interference shielding, and it has very important scientific significance and practical value.

高性能低成本填充型电磁屏蔽复合材料是近年来的研究热点。申请人用碳系粒子对植物纤维蒸汽爆破原位包覆改性制备聚合物复合材料，发现其有较好的导电特性，并且具有低成本的显著特点。针对植物纤维蒸汽爆破原位改性过程，深入研究爆破力场中分离的植物纤维表面碳系粒子包覆层形成机制，探索碳系粒子改性植物纤维填充聚合物复合材料逾渗阈值影响因素，揭示植物纤维复合材料电磁屏蔽功能形成的本质和规律，为高性能低成本填充型电磁屏蔽复合材料的制备和性能调控提供依据，具有重要的科学意义和现实意义。

为降低聚合物基电磁屏蔽复合材料中导电填料的逾渗阈值，提高电磁屏蔽效能，减少成本。本项目以碳系粒子(导电炭黑、石墨)为主导电填料，引入辅助填料蒸汽爆破处理的植物纤维用于制备新型电磁屏蔽复合材料，针对植物纤维蒸汽爆破原位改性过程，探究纤维结构和性能的变化，以及爆破力场中分离的植物纤维表面碳系粒子包覆层形成机制，研究了主辅填料的协同作用，及其对复合材料的电导率和电磁屏蔽效能的影响，揭示碳系粒子-植物纤维共填充聚合物基复合材料电磁屏蔽功能形成的本质和规律。.结果表明，蒸汽爆破处理能增加纤维的长径比、表面积，形成相对粗糙的表面，有助于碳系粒子的包覆，而且能有效的提高纤维素含量，表面大量羟基可与富集碳系粒子的聚合物基体反应，两者共同作用构成具有皮芯结构的导电植物纤维。辅助填料爆破后的剑麻纤维（eSF）能有效地降低在基体中碳系粒子的逾渗阈值，导电植物纤维贯穿基体中的各微导电链区域，并相互搭接成新型二维导电网络。eSF/CB质量比为1/1时（eSF/G为3/2），复合材料的电磁屏蔽效能最佳，可调控到30dB以上，已达民用标准。同时，还发现Schelkunoff公式对碳系粒子-植物纤维共填充聚合物基复合材料的电磁屏蔽效能的预测还是比较可靠的，可在理论上对此类新型复合材料的提供配方设计指导。阐明上述课题内容与成果，为高性能、低成本的导电复合材料设计与制备提供新思路，同时此工艺与方法也可拓展应用于其它类型的功能复合材料，也丰富了高分子材料的成型加工。