研究背景：

当前，第五代无线通信和个人可穿戴电子产品的快速发展，引发的电子辐射污染问题越来越严重，这不仅阻碍了设备的正常运行、缩短了其服务寿命，而且还对人们的身体健康造成一定的影响。二维过渡金属碳化物、氮化物MXene，自2016年首次在Science（353, 1137-1140）期刊报道其Ti3C2Tx薄膜的电磁屏蔽效能可达到92 dB以来，学术界就掀起了MXene基屏蔽膜材料的研究热潮。然而，纯MXene薄膜在实际应用中由于存在不良的机械性能和柔韧性缺陷，通常需要添加其他聚合物粘合剂或增强剂以弥补上述不足。

一维的植物纤维素纳米纤维（CNF）作为机械稳健和高度柔韧的天然高分子聚合物，则被认为是增强、增韧MXene纳米片的有效材料。毋庸置疑的是，添加高比例的CNF，可显著提升复合膜的力学性能和柔韧性，但由于CNF绝缘的特点，结果却是以牺牲复合膜的导电性和屏蔽性能为代价。因此，如何实现增强复合膜强度的同时并保留材料的高屏蔽效能，或在高导电填料量下保留复合膜的高强度，是目前MXene/CNF复合屏蔽膜制备的一大难点。

成果介绍：

近日，华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室陈港教授团队发现以废弃的菠萝叶为原料，可提取得到高长径比和高结晶度的菠萝叶纳米纤维（PALNF），相比其他天然植物纳米纤维而言，将PALNF应用于Ti3C2Tx MXene的增强和增韧体现出了更大的优势。相关研究成果以题为“High-value utilization of pineapple leaf fibers towards high-performance electromagnetic shielding materials”发表在国际工程技术领域Top期刊Materials Today Nano（2023, 24, 100393）上。

研究人员通过贻贝仿生策略构筑的具有“砖-泥”结构的MXene/PALNF（MP）复合膜，仅50 wt %的PALNF时，复合膜（厚度28 μm）的拉伸强度、断裂应变和韧性就可分别达到159.6 MPa、6.7%和5.8 MJ/m3；同时，复合膜在X波段的比电磁干扰屏蔽性能也高达6541.1 dB cm2 g−1。因此，从“变废为宝”和贻贝仿生的角度来看，将废弃菠萝叶转化成高价值的电磁屏蔽膜是减少废物污染和电磁辐射危害的一条可行途径。

图1分别显示了PALNF、Ti3C2Tx MXene纳米片和MXene/PALNF复合膜的制备过程及形貌。

通过机械打浆、羧甲基化和高压均质制备的PALNF，其直径为1-3 nm、平均长度为2.21 μm、而平均长径比~1260，同时其结晶度高达74.5%。此外，多层MXene具有明显的手风琴结构，单层MXene纳米片平均厚度约为3 nm。最后，通过真空过滤诱导自组装可得到具有贻贝“砖-泥”结构的MXene/PALNF复合膜。

图2显示了添加不同量的PALNF时复合膜的机械性能。

研究者比较了添加其他种类的植物纳米纤维的复合屏蔽膜的机械性能，结果显示MXene/PALNF复合膜在厚度和强度方面具有更大的优势。同时，与其他金属基、纤维素@金属基、纤维素@MXene基和纤维素@碳基电磁屏蔽材料相比，复合膜具有更大的韧性优势。此外，研究人员也展示了添加50 wt %的PALNF的MP复合膜可折叠成小船、纸鹤等任意形状，以及其可承受500 g的砝码而不断裂。

图3解释了PALNF增强、增韧MXene纳米片的机理。

PALNF增强、增韧MXene纳米片的机理主要源于两个方面的因素：一是高长径比的PALNF与二维MXene片层间的几何排列，PALNF充当桥梁或粘合剂，可将MXene纳米片连接在同一平面上，并锁定相邻片层（沿MXene纳米片的垂直方向和平面方向均观察到PALNF），因而使复合膜具有仿贻贝的“砖-泥”层级结构。二是PALNF的羟基和羧基与MXene纳米片的活性端基（如-F，=O和-OH）能够形成氢键和范德华力等强相互作用。另外，研究人员也提出了一个可能的断裂模型来揭示复合膜的断裂机制。

图4显示了不同比例的复合膜的导电性、电磁屏蔽效能、比电磁屏蔽性能和屏蔽机理。

研究表明MXene含量为50、60 和 70 wt %的复合膜即使在小于或等于28 μm的低厚度下也均表现出优异的比电磁屏蔽效能。

图5显示了MP复合膜与其他天然植物纤维素@MXene基、纤维素@碳基或金属基屏蔽材料比较。

MXene含量为50、60和70 wt %的复合膜在强度、厚度和比电磁屏蔽效能等综合特征方面占有一定的优势。

图6研究人员验证了MP复合膜电磁屏蔽性能的实用性，进行了手机信号的屏蔽展示。

这一有趣的实验现象，有望拓展和推动该类电磁屏蔽膜在消费电子领域的商业化应用。

研究总结：

该研究以高长径比（~1260）和高结晶度（74.5 %）的 PALNF 作为 MXene 的增强相，基于共混抽滤构建的具有贻贝“砖-泥”结构的MXene/PALNF 复合电磁屏蔽膜，可同时获得优异的电磁屏蔽性能和机械性能，因而为高性能的电磁屏蔽材料的制备和菠萝叶废弃物的高值化利用提供了新的思路。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2023.100393

人物简介

第一作者

钱杨杨，华南理工大学博士，滇西应用技术大学青年教师。主要从事多尺度纤维素基功能材料的制备与应用研究工作。先后主持和参加海南省果蔬储藏与加工重点实验室开放基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省自然科学基金等项目。近5年以第一作者（含共一）/通讯作者在Materials Today Nano、Applied Surface Science、Polymer Chemistry、Cellulose等国际英文期刊上发表SCI论文9篇。授权和公开国家发明专利4件。

通讯作者

魏渊，2019级华南理工大学-加拿大滑铁卢大学联合培养博士研究生，主要研究方向为智能粘附凝胶界面材料、纤维素基功能材料的开发及应用，参与国家自然科学基金（面上项目、青年项目）、广东省自然科学基金等项目多项。近年来以第一作者（含共一）/通讯作者在 Adv. Funct. Mater.（2），Chem. Mater.，J. Mater. Chem. A，Mater. Today Nano等期刊发表SCI论文14篇（ESI高被引论文1篇），EI/核心论文3篇。研究成果多次受到国内外媒体“高分子科学前言”、“高分子科技”、“科学材料站”、腾讯网以及新闻AZO NANO等的关注报道。

陈港教授，博士，博士生导师，制浆造纸工程国家重点实验室科研骨干，现任华南理工大学特种纸研究团队首席教授，特种纸技术创新平台负责人，国家级教学团队负责人，中国造纸学会理事，中国造纸学会涂布加工纸专业委员会副主任，中国造纸学会纳米纤维素及材料专业委员会委员，广东省特种纸与纸基功能材料工程技术研究中心主任，广东省造纸学会常务副理事长，广东造纸行业协会副会长，担任《中国造纸》、《中国造纸学报》编委以及多家行业龙头企业技术顾问。主要研究领域是造纸新技术与特种纸，包括特种纸新技术、纸基功能材料、纸张涂布技术与理论、多种纤维混合成型机理、纳米纤维素制备及应用、造纸化学品的优化及应用、纸张防伪技术、功能材料在造纸过程的应用等。先后主持和参加国家重点研发计划、工信部重点行业绿色制造系统集成项目、国家自然科学基金、国家“973”计划、省自然科学基金、省高新技术成果孵化项目、粤港重点领域重大突破招标项目等。近年在AFM、CEJ、CM、JMCA、ACS AMI、Langmuir等国际知名刊物发表研究论文多篇。编写专著2本，拥有36项授权发明专利。