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一种可屏蔽电磁的复合竹材料

时间:2023-02-24     作者:纺织报告【原创】

  竹材是一种常见的生物质材料,具有可持续性、生长速度快、资源丰富等优点,被广泛应用于家具及家居装饰用材领域。但是,你见过透明的竹材吗?它不仅透明还可以隔热、保温、屏蔽电磁,这样神奇的材料是怎么制成的呢?

  竹子成为新材料资源宝库 

  我国有竹林地面积701万公顷,是世界上竹资源最丰富的国家,竹类资源、面积、蓄积量均居世界第一。截至目前,中国有竹类植物39属857种,占世界竹子种类1642种的52%。

  竹子具有可再生、吸收二氧化碳、产品无污染、可降解等优点,且竹材用途广泛,可实现全竹利用,几乎无废料。从刀叉勺杯盘等餐具到家居日用、汽车内饰、电子产品外壳,甚至工业领域的冷却塔竹格填料,竹产品正在逐步进入人们的生活。

  通过科技创新将竹资源利用最大化,竹子逐渐作为木材、塑料、钢筋等材料替代品开发利用,形成了重组竹、竹编工艺品、竹纤维制品、竹碳制品等100多个系列上万个品种,竹加工品已经覆盖人们生产生活各个领域。中国是世界竹产品生产、贸易第一大国,2020年,全国竹产业产值近3200亿元。

  随着人们对家居环境个性化装饰需求的日益增多,将木材、竹材等环保材料转化为新型材料的研究越来越多,但是鲜有直接将原竹加工成具有理想光学性能的纤维素复合材料。

  由于竹材的孔隙率较低,竹材去除木质素和浸渍聚合物的时间比巴沙木、杨木等密度较小的木材要长,因此制备具有一定厚度的透明竹是一项挑战。

  团队选取5年生毛竹为原材料,将去青后的原竹浸泡在过氧化氢和乙酸混合溶液中,木质素与过氧乙酸反应生成反式二羟基化加成产物;再利用简单的化学预处理脱除原竹中的木质素,它的去除意味着“黏合剂”(连接纤维素和半纤维素)的消失,导致更多孔隙的出现,有利于折射率指数与竹纤维素模板相匹配的树脂填充。

  最后,经过快速固化工艺,一款具有优异光学传输性能、抗拉伸性能、表面装饰性和美学价值的透光竹材新材料便应运而生。

  与其他不同聚合物浸渍方法制备的生物质透明样品相比,透光原竹固化时间非常短,因此显示出了显著的快速制备加工的潜力。

  透明竹变身电磁屏蔽材料 

  随着无线通信技术和电气设备的快速发展增加了人们生活的便利,但电磁干扰和辐射、电磁泄漏等问题也随之增加。日益恶化的电磁环境不仅危害着人们的健康,而且干扰着各类电子设备的正常运行。

  因此,研究用于建筑和家庭的电磁屏蔽材料是非常必要的。

  吴燕教授表示,将原竹直接加工成纤维素复合材料,不仅减少了机械预处理步骤中的大量能耗,而且保留原竹完整的纤维素骨架结构。在这项研究中,他们利用原竹自身的形态直接成型加工,不仅拓展了生物质光学透明材料的利用,而且在造型上更加多样。

  据介绍,透明竹新材料的壁厚可达6.23毫米,透光率约60%,照度为1000勒克斯,吸水质量变化率小于4%,纵向抗拉强度达到46.40兆帕,表面性能为80.2HD(布氏硬度计测试出来的硬度单位)。

  团队成员将透光原竹与透明竹片、电磁屏蔽膜组成一款复合器件,“整体结构类似于常见的蜂窝板”,吴燕介绍,其中,透光原竹充当核心骨架、透明竹片为面板、锡掺杂氧化铟薄膜为功能层。

  吴燕团队经过研究发现,这款复合器件可表现出显著的隔热、保温性能以及电磁屏蔽性能,在家居与建筑装饰材料领域具有广阔前景。

  “此类将原竹直接加工成纤维素模板再合成透光材料的方法,将大大减少前期原料机械加工和后期原料成型的步骤,不仅减少了能耗,也减少对石化资源的浪费。”吴燕说。同时,这个方法还可以扩展至处理其他高密度、低孔隙率的生物质材料中。


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