从皮革废料到电磁“盾牌”：导电骨架异质结构复合材料开辟绿色EMI屏蔽新路径

搁浅

从皮革废料到电磁“盾牌”：导电骨架异质结构复合材料开辟绿色EMI屏蔽新路径（DOI: 10.1021/acsami.0c14300）

在5G通信、人工智能和可穿戴电子设备迅猛发展的今天，电磁干扰（EMI）已成为影响设备性能与人体健康的重要隐患。与此同时，传统金属基屏蔽材料面临资源不可再生、加工成本高、环境负担重等问题。如何开发一种绿色、可持续、低成本且高性能的EMI屏蔽材料，成为全球科研与产业界关注的焦点。

近日，北京化工大学的研究团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了一项创新性研究，提出一种以皮革工业废弃物——铬屑为原料构建的导电骨架异质结构复合材料（MWCNT/PPy/CF），实现了在X波段（8.2–12.4 GHz）下30 dB的屏蔽效能，为绿色EMI屏蔽材料的发展提供了全新思路。

---

一、背景：铬屑——被忽视的“生物宝藏”
铬屑是皮革鞣制过程中产生的固体废弃物，全球每年产生约80万吨，其中含有约3%的Cr₂O₃。传统处理方式不仅造成资源浪费，还可能带来重金属污染。然而，铬屑中的铬鞣胶原纤维（CF）具有优异的长径比、柔性结构和丰富的极性基团，是构建导电网络的理想骨架材料。

本研究首次提出直接利用铬屑作为基体，通过原位聚合和毛细自组装技术，构建多壁碳纳米管/聚吡咯/铬鞣胶原纤维（MWCNT/PPy/CF）三元复合材料，实现高性能EMI屏蔽。

---

二、材料设计：三元协同，结构制胜1. 导电骨架：PPy层紧密包覆CF
通过原位氧化聚合在CF表面构建聚吡咯（PPy）导电层，形成稳定的导电骨架。PPy不仅提供良好的导电性，还通过Cr–N键与CF表面紧密结合，增强界面结合力。
2. 导电网络：MWCNT外层包覆
在PPy层表面进一步引入MWCNT网络结构，通过毛细驱动自组装形成交错多层结构，提供额外的导电路径和极化界面，有效增强电磁波的吸收与散射。
3. 异质结构：多重界面极化
MWCNT/PPy/CF形成多层次异质界面（PPy–CF、MWCNT–PPy、MWCNT–CF），在电磁场作用下产生界面极化损耗，显著提升屏蔽性能。

---

三、性能表现：轻薄高效，全面领先

• 屏蔽效能（SE）达30 dB，满足商业级EMI屏蔽需求；
• 吸收损耗占比高达70%，有效减少二次反射污染；
• 电导率提升至354 S/m，远高于传统生物质复合材料；
• 厚度不足0.5 mm，具备轻薄柔性优势，适用于可穿戴设备。
  

---

四、结构优势：层层设计，协同增强
1. “反射层+吸收层”结构
MWCNT/PPy/CF采用**“PPy为内层反射层，MWCNT为外层吸收层”的结构设计，电磁波在进入材料后被多次反射、散射和吸收，延长传播路径，增强能量耗散。
2. 最优比例设计
通过系统优化MWCNT与PPy的负载比例，发现：

• MWCNT添加量为15 wt%、PPy为36.5 wt%时，导电性与屏蔽性能达到最佳平衡；
• 过多PPy会导致团聚，破坏MWCNT网络；
• 过少PPy则无法形成完整导电层，降低反射能力。
  

---

五、绿色优势：可持续、低成本、可扩展


六、对比分析：领先同类材料
与现有生物质基和导电聚合物EMI屏蔽材料相比，MWCNT/PPy/CF在导电性、屏蔽效能、材料利用率等方面均表现优异：

• 导电性（354 S/m）**远高于PANI/纤维复合材料（~10 S/m）；
• SE/t值（61.35 dB/mm）**优于多数碳纳米管/聚合物体系；
• 填料含量仅31.2 wt%，远低于传统三元复合材料（>60 wt%）；
• 直接利用生物质原料，避免高能耗碳化处理。
  

---

七、结语：绿色电磁防护的新范式
本研究不仅实现了皮革废弃物的高值化利用，更通过导电骨架与异质结构的协同设计，构建出一种轻薄、高效、绿色、低成本的EMI屏蔽材料，为未来可持续电磁防护材料的发展提供了新范式。

随着柔性电子、智能穿戴和绿色制造需求的不断增长，MWCNT/PPy/CF类复合材料有望在下一代环保电磁屏蔽、抗干扰包装、智能防护服装等领域大放异彩，真正实现**“变废为宝”与“绿色防护”**的双重目标。