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浙江工业大学材料科学与工程学院、波兰格丁尼亚海事大学航海学院船舶操作系、波兰格但斯克医科大学药物化学系--绿色分离蜂窝状生物聚合物复合材料用于电磁干扰屏蔽生物医学设备
       绿色生物材料与技术快速发展,以满足可持续性需求。生物医学电子设备领域因聚合物基复合材料广泛应用而显著变化,但将碳基纳米填料集成到聚合物基体中以保护电子元件免受电磁辐射影响时,高浓度碳纳米填料虽有益于电磁干扰(EMI)屏蔽,却会增加电导率,损害电绝缘性能,增加设备故障风险。且传统方法忽视吸收损耗,可能引发环境问题。现代设备对聚合物复合材料提出更高要求,开发多层夹心结构虽能利用导电和绝缘材料优势,但制造方法复杂耗时,且电绝缘各向异性可能限制应用。本研究提出新制造策略,结合稳定分离绝缘网络与蜂窝状细胞结构,有效解决聚合物基EMI屏蔽材料面临的挑战,并研究填料和孔隙对材料降解速率和生物相容性的影响。
 

图1. 具有分离蜂窝状孔结构的生物聚合物复合泡沫的制备示意图。
具体解析如下:
1.  **核心材料 (Biopolymer composite foams)**:这表明材料兼具三大特征:
    *   **生物聚合物**:来源于可再生资源,可生物降解,符合"绿色"环保理念。
    *   **复合材料**:由多种成分(如文中PLA、PBAT、CNTs)组合而成,以获得单一材料不具备的综合性能。
    *   **泡沫材料**:具有多孔结构,旨在实现材料轻量化。
2.  **核心结构 (Segregated honeycomb-like cell structure)**:译为"分离蜂窝状孔结构"。这是本文制备方法旨在实现的关键微观结构,其含义是:
    *   **分离 (Segregated)**:指导电填料(如碳纳米管CNTs)被选择性地限制在高熔点聚合物(PLA)颗粒内部,而低熔点聚合物(PBAT)作为基体将这些导电颗粒分隔开来。这种结构能有效阻止导电颗粒直接接触,从而在复合材料内部构建导电通路的同时,保持基体整体的电绝缘性。
    *   **蜂窝状 (Honeycomb-like)**:指通过超临界二氧化碳发泡技术,在聚合物基体或导电颗粒内部引入的微小孔洞,这些孔洞排列方式类似蜂窝。这种多孔结构不仅能进一步降低材料密度,还能通过增加电磁波在材料内部的多次反射和散射路径,**增强以吸收为主导的电磁屏蔽效能**。
 
3.  **制备方法 (Schematic diagram for the preparation)**:译为"制备示意图"。这意味着图1将以流程图的形式,直观展示实现上述"分离蜂窝状孔结构"的**两步法熔融共混结合选择性超临界发泡**的工艺步骤,是理解全文技术路线的关键。
 
**总结:**
这个标题高度概括了本文的研究成果:**通过一种创新的制备工艺,成功制造出一种具有独特“分离蜂窝状孔结构”的生物基可降解复合泡沫材料。** 该结构设计巧妙地平衡了材料的轻量化、电绝缘性和高效电磁干扰屏蔽(尤其是吸收型屏蔽)性能,为其在生物医疗电子设备等领域的应用提供了潜力。图1将是理解这一复杂制备过程和技术原理的视觉关键。
 

图2. 扫描电镜图像:(a) P@E10, (b) P@EST5, (c) P@T10。不同分离结构复合材料的性能分析:(d) 冲击强度,(e) 拉伸应力-应变曲线,(f) 体积电阻率,(g) 总电磁屏蔽效能-频率曲线,(h) SE<sub>R</sub>、SE<sub>A</sub>、SE<sub>T</sub> 以及 SE<sub>A</sub>/SE<sub>T</sub>,(i) 反射系数 (R)、吸收系数 (A) 与透射系数 (T)。
这段文字是典型的科研论文图表标题及说明。它通过列举图2中包含的所有子图,系统性地展示了研究中对不同复合材料的**结构表征**与**性能评估**结果。
**1. 结构表征部分 (a-c):**
*   **研究对象**: P@E10, P@EST5, P@T10。这些是基于论文表1的代号,代表**不同导电填料(膨胀石墨EG,碳纳米管CNTs或其混合物)**在PBAT@PLA分离结构中的复合材料。
*   **表征手段**: SEM (扫描电镜) 图像。用于直接**观察和对比**三种复合材料的**微观形貌**,核心是验证“分离结构”是否成功形成。图(a)(b)的预期结构缺失与图(c)的清晰结构形成对比,是论证**碳纳米管(CNTs)**是实现该结构的关键填料的**直接证据**。
**2. 综合性能分析部分 (d-i):**
这部分将材料的多种关键性能并列分析,旨在建立“**结构-性能**”关系。
*   **(d) 冲击强度 & (e) 拉伸应力-应变曲线**:评估**机械性能**。分离结构的形成通常会牺牲部分机械强度(如P@T10),而填料团聚(如P@E10)也会损害性能。这些数据与SEM观察相呼应,共同解释不同填料的分散性及与基体的结合情况。
*   **(f) 体积电阻率**:评估**电绝缘性能**。这是论文要解决的核心挑战之一。目标是获得**高电阻率(>10⁹ Ω·cm)**。该数据直接证明分离结构(P@T10)能有效阻断导电通路,实现优异绝缘,而未能形成分离结构的样品绝缘性较差。
*   **(g-i) 电磁屏蔽性能簇**:这是另一核心性能评估。
    *   **(g) 总电磁屏蔽效能(SE<sub>T</sub>)**:衡量材料**总体**上削弱电磁波的能力。
    *   **(h) 屏蔽机制分解**:将总屏蔽效能拆分为**反射损耗(SE<sub>R</sub>)** 和**吸收损耗(SE<sub>A</sub>)**。**SE<sub>A</sub>/SE<sub>T</sub> 比值**是关键,**高比值(>0.5)意味着吸收主导型屏蔽**,这是本文追求的目标,能减少二次电磁污染。
    *   **(i) 能量系数**:**R(反射)、A(吸收)、T(透射)** 三者关系为 R + A + T = 1。**高A值**同样是吸收主导的直接证据。
**整体逻辑与作用:**
图2是整个研究的 **“筛选与验证”核心**。它通过并排比较三种不同填料体系的复合材料,**系统性论证了**:
1.  **何种填料(CNTs)** 能通过“两步熔融法”成功构建理想的分离结构。
2.  这种成功的分离结构(P@T10)带来了**理想的性能组合**:在保持足够高的总电磁屏蔽效能(~34 dB)的同时,实现了**高电绝缘性(~10⁹ Ω·cm)** 和**吸收主导的屏蔽机制(高SE<sub>A</sub>/SE<sub>T</sub> 和 A值)**。
因此,图2的结论直接导向了后续选择P@T10体系进行发泡深化的研究,是支撑全文论点(开发出兼具绝缘、轻量和吸收型屏蔽的绿色材料)的**关键实验证据集合**。
 

图3. 发泡样品的低温脆断面形貌及对应泡孔尺寸统计:(a) f-P@T10-110, (b) f-P@T10-130, (c) f-P@T10-150。
这段文字是图3的标题说明,它揭示了论文中继“分离结构”构建后的第二个关键工艺步骤——选择性超临界发泡——的研究结果。其核心是展示如何通过精确控制工艺参数来“裁剪”材料的最终微观结构。
1. 样品名称与变量含义:
f-P@T10-XXX:这是发泡后样品的命名规则。
f-:代表“foamed”(发泡的),以区别于未发泡的P@T10。
P@T10:代表之前筛选出的最优分离结构复合材料体系(PBAT基体中包含PLA/CNTs导电颗粒)。
-110, -130, -150:代表发泡温度(单位:°C)。这是本实验的关键控制变量。
2. 表征内容解析:
Cryo-fractured surface morphology (低温脆断面形貌):
“低温脆断” 是制备SEM观察截面的标准方法,目的是获得清晰、无变形的原始结构断面。
“形貌” 是观察重点。通过SEM图像,可以直观看到在不同发泡温度下,泡孔(蜂窝状结构)在哪个相中形成、形状如何、分布是否均匀。这直接验证了“利用两相聚合物不同的发泡窗口进行选择性发泡”的理论。
Corresponding cell size statistics (对应泡孔尺寸统计):
在SEM图像旁,通常会有泡孔尺寸分布直方图或平均直径数据。这是对形貌的定量化补充,科学地比较不同条件下泡孔结构的差异(如平均孔径、孔径分布范围)。
3. 图3在本研究中的核心作用:
图3是连接 “工艺参数” → “微观结构” → “最终性能” 这一链条的核心视觉证据。
展示“选择性发泡”的成功:通过对比三个子图,可以清晰地看出:
(a) 110°C:泡孔主要在低熔点的PBAT基体相中形成,而高熔点的PLA/CNTs导电颗粒保持固态。这实现了“绝缘相发泡,导电相保持致密”的结构。
(b) 130°C:温度处于两相的发泡窗口重叠区,PBAT和PLA/CNTs两相中都形成了泡孔,但可能形态不同(如PBAT相泡孔可能因熔体强度下降而合并)。
(c) 150°C:温度已达到PLA/CNTs相的最佳发泡窗口,而PBAT相因熔体强度过低难以稳定成孔。因此,泡孔选择性地在PLA/CNTs导电颗粒内部形成,形成“导电相发泡,绝缘相保持致密”的结构。
极端情况 (文中提及的160°C):温度过高导致PBAT基体过度软化,分离结构被破坏,导电颗粒相互接触,丧失绝缘性(反面教材,强调了工艺窗口的精确性)。
为后续性能分析奠定基础:正是因为通过图3确认了不同温度下泡孔结构的巨大差异,才能合理解释后续图4中出现的:
绝缘性能:f-P@T10-110和f-P@T10-150绝缘性极佳(>10¹⁰ Ω·cm),因为导电颗粒要么被发泡的绝缘层隔得更开,要么自身的导电网络被内部泡孔破坏。
电磁屏蔽机制:f-P@T10-150表现出最高的吸收屏蔽比(>90%),因为导电相内部的蜂窝结构极大地增加了电磁波的多次内部反射和散射,从而将其能量转化为热能吸收掉。
总结:
图3通过直观的形貌对比和定量的尺寸统计,无可辩驳地证明了通过精确控制发泡温度,可以定向“设计”和“编程”复合泡沫的最终微观结构(即“分离蜂窝状孔结构”的具体形态)。 这是实现材料性能可定制化的关键,也是本工作方法学创新性的集中体现。
 

图4. f-P@T10样品的性能分析:(a) 体积电阻率,(b-e) 电磁屏蔽性能,(f) R、A和T。
这段文字是图4的标题说明,它承接图3的微观结构分析,系统地展示了不同发泡结构的f-P@T10样品的核心功能性能。这张图是评估所制备材料是否达成“绝缘且具备高效吸收型电磁屏蔽”这一最终目标的关键数据汇总。
1. 样品对象:f-P@T10系列
这意味着分析对象是基于最优分离结构复合材料(P@T10),并在不同温度(110°C,130°C,150°C)下进行超临界发泡后得到的三个样品:f-P@T10-110, f-P@T10-130, f-P@T10-150。
核心目标:揭示不同的发泡结构(由图3揭示)如何影响最终的电绝缘性和电磁屏蔽性能。
2. 性能分析内容解析:
(a) 体积电阻率:
意义:这是衡量材料电绝缘能力的最直接、最关键的指标。数值越高(通常要求 >10⁹ Ω·cm),绝缘性越好,防止电子设备短路的风险越低。
与图3关联:通过对比三个样品的电阻率,可以直接验证选择性发泡策略对保持绝缘的有效性。例如,f-P@T10-150(仅在导电相发泡)仍保持高绝缘,证明了发泡破坏导电网络的有效性;而f-P@T10-110(在绝缘相发泡)因增大了导电颗粒间距,绝缘性也极佳。
(b-e) 电磁屏蔽性能:
包含内容:这部分通常由多个子图组成,可能包括:
总电磁屏蔽效能(SE<sub>T</sub>)随频率的变化曲线(通常在X波段,8.2-12.4 GHz)。
对总屏蔽效能(SE<sub>T</sub>)的分解:反射损耗(SE<sub>R</sub>)和吸收损耗(SE<sub>A</sub>)的贡献。
关键比值 SE<sub>A</sub>/SE<sub>T</sub>,用以量化吸收主导的程度(比值越高,吸收贡献越大,越理想)。
意义:综合评估材料的屏蔽综合效能和屏蔽机制。目标是在保持较高SE<sub>T</sub>(如>20 dB,达到商业应用标准)的同时,实现高SE<sub>A</sub>和高SE<sub>A</sub>/SE<sub>T</sub>比值,即“吸收主导型屏蔽”。
(f) R, A和T:
定义:这是从能量角度对电磁屏蔽机制的更基础描述。
R(反射系数):被材料表面反射的电磁波能量比例。
A(吸收系数):在材料内部被吸收并转化为热能的电磁波能量比例。
T(透射系数):穿透材料的电磁波能量比例。
三者关系:R + A + T = 1。对于优秀屏蔽材料,T值应趋近于0。
核心指标:高A值(通常>0.5) 是“吸收主导”的最直接、最本质的证据。它表明电磁波能量主要被材料“消化”掉,而非反射到环境中造成二次干扰。
3. 图4在本研究中的逻辑作用:
图4是全文研究成果的“验收报告”。它将图3中展示的“可设计的微观结构”与最终所需的“宏观功能性能”直接关联起来,验证了整个研究策略的成功:
证明可行性:无论采用哪种发泡策略(在绝缘相发泡或导电相发泡),所有f-P@T10样品都成功实现了极高的体积电阻率(>10⁹ Ω·cm),满足了“稳定电绝缘”这一首要且严苛的要求。
阐明机制与优势:通过对比(b-e)和(f)的数据,可以清晰地看到:
f-P@T10-150(导电相内蜂窝结构) 表现出最高的吸收系数(A)和SE<sub>A</sub>/SE<sub>T</sub>比值(文中提到达90.6%),完美实现了设计目标——吸收主导型高效电磁屏蔽。
这归因于导电相内部的蜂窝结构极大增加了电磁波的内部反射和散射路径,从而增强了吸收损耗。
其他两种结构也各有特点,但吸收性能可能不如f-P@T10-150突出。
展示性能平衡:综合(a)和(b-f)的数据,图4最终证明,通过本文的“分离结构+选择性发泡”方法,成功制备出了 同时具备“高电绝缘性”和“高效吸收型电磁屏蔽性能” 的轻量化生物聚合物复合泡沫材料。这解决了传统导电复合材料难以兼顾绝缘与屏蔽的行业难题。
总结:
图4以数据的形式,确凿地证实了通过微观结构设计(图1-图3),成功赋予了f-P@T10系列材料所期望的综合优异性能,使其成为应用于生物医学电子设备等领域,具有广阔前景的绿色、轻量、绝缘且电磁安全的先进包装材料。

图5. (a-c) f-P@T10样品的压缩应力-应变曲线及详细数值,(d) 压缩变形机理示意图。
这段文字是图5的标题说明,它将研究视角从材料的核心功能性能(电学、电磁屏蔽)拓展至一项关键的结构力学性能——压缩性能。这对于材料在实际应用中的结构完整性和耐用性至关重要。
1. 内容构成解析:
(a-c) 压缩应力-应变曲线及详细数值:
测试对象:同样是三个不同发泡结构的f-P@T10样品(f-P@T10-110, -130, -150)。
“压缩应力-应变曲线”:这是评估泡沫材料力学性能最经典的方法。曲线可以直观展示材料在受压过程中的弹性变形、塑性平台(泡沫坍塌)和致密化三个阶段。
“详细数值”:通常指从曲线中提取的关键力学参数,例如:
压缩模量:反映材料抵抗弹性变形的能力(初始线性段的斜率)。
压缩强度(通常在指定应变下,如50%):反映材料在发生特定变形时所能承受的最大应力。
能量吸收能力:曲线下方面积,反映材料在破坏前吸收能量的能力。
目的:定量比较三种具有不同微观蜂窝结构的泡沫样品,其承压能力和变形行为的差异,并建立与图3所示结构的关联。
(d) 压缩变形机理示意图:
这部分是基于压缩曲线和SEM观察(可能结合原位观测)的原理性阐释。
它通过示意图,形象化地说明泡沫在受压时,其内部的蜂窝结构(孔壁、孔棱)是如何依次发生弯曲、屈曲、折叠甚至断裂的。不同结构的泡沫(如孔壁厚薄、孔径大小、孔的形状规整度)会导致不同的失效模式。
2. 图5在本研究中的重要作用:
图5的核心意义在于评估材料的“结构-功能一体化”潜力,并为其实际应用提供力学性能支撑。
完善性能表征体系:一篇关于结构泡沫材料的完整研究,除了追求特殊功能(如电磁屏蔽),必须评估其作为结构部件的基本力学性能。图5填补了这一环,使论文对材料的评估更加全面和扎实。
揭示“结构-力学性能”关系:结合图3的微观结构,可以分析:
f-P@T10-150为何表现优异:文中提到其具有最高的压缩模量(136.6 MPa)和强度(47 MPa @ 50%应变)。这很可能归因于其未发泡的、坚实的PBAT绝缘相(见图3c),它作为连续支撑框架,有效承载并传递载荷,防止了蜂窝结构的过早坍塌。
f-P@T10-130为何表现较弱:因其在两相中都发泡,可能形成了较多结构缺陷(如孔壁过薄、孔合并),导致整体结构刚度下降,抗压能力变差。
这种关联分析,再次证明了通过发泡温度控制微观结构,可以“编程”材料的宏观力学响应。
支撑实际应用论证:对于生物医疗电子设备(如可穿戴传感器、植入式设备封装)而言,材料不仅需要电磁屏蔽和绝缘,还需要一定的柔韧性、抗压性和结构稳定性,以承受日常使用中的弯折、挤压或体内压力。图5的数据表明,特别是f-P@T10-150样品,在实现优越功能的同时,也具备了出色的力学支撑能力,这极大地增强了其实际应用的可行性和可靠性。
总结:
图5通过力学性能测试和机理示意图,从结构完整性的角度,进一步验证了所设计的“分离蜂窝状结构”的优越性。它表明,最优样品(f-P@T10-150)成功地将功能属性(绝缘、吸收型屏蔽) 与结构属性(高比强度、良好的抗压性) 集于一身,是一种真正有潜力的高性能、多功能一体化先进材料。这使得研究工作超越了实验室性能展示,更贴近于工程应用的需求。
 

图6. 所有样品的生物相容性与降解性能:(a) 培养细胞的荧光染色图像,(b) 第1天细胞活力,(c) 第3天细胞活力,(d) 降解性能。
这段文字是图6的标题说明,它将材料评估从理化功能与力学性能领域,拓展至至关重要的 “生物与环境交互” 层面。这是评价生物材料能否真正应用于生物医学领域(特别是体内或与体液接触的环境)的 “准入门槛” 测试。
1. 测试内容解析:
(a) 培养细胞的荧光染色图像:
测试方法:通常采用活/死细胞双染法(如使用Calcein-AM染活细胞显绿色,碘化丙啶PI染死细胞显红色)。
直接证据:通过荧光显微镜图像,可以直观地观察材料浸提液或材料表面培养的细胞(文中为人口腔黏膜角质形成细胞HOK)的形态、铺展情况以及活细胞与死细胞的相对数量与分布。这是评估材料有无急性细胞毒性的最直接视觉证据。
(b) & (c) 第1天与第3天的细胞活力:
测试方法:通常采用 MTT法或CCK-8法等定量检测。通过测量细胞代谢活性,将细胞活力量化为百分比(通常以空白培养基组或阴性对照组的活力为100%)。
动态评估:分别测试第1天和第3天的数据,可以动态评估材料对细胞增殖的短期影响和长期影响。初期(第1天)活力可能受材料表面性质影响,而后期(第3天)活力则更能反映材料的持续生物相容性。细胞活力 > 70%(通常认为>80%更安全) 是材料具有良好生物相容性的通用标准。
(d) 降解性能:
测试方法:在模拟体液环境的磷酸盐缓冲液(PBS,pH=7.4) 中,于加速条件下(如60°C),定期测量样品的质量损失率。
意义:验证材料的可降解性/生物可吸收性,这是“绿色”生物材料的核心特征之一。降解性能确保材料在完成其功能使命(如临时植入、短期封装)后,可以在生物环境中被逐步分解吸收或代谢,避免二次手术取出或造成长期异物残留及环境污染。
2. 图6在本研究中的核心作用与逻辑:
图6是确保整个工作符合其 “面向生物医学应用的绿色材料” 这一根本定位的决定性证据。它回答了以下关键问题:
“绿色”与“生物相容”是否真实? 材料中添加了碳纳米管(CNTs)并引入了多孔结构,这些是否会影响其安全性和生物友好性?图6(a-c)通过细胞实验直接证明,所有样品(包括含CNTs的复合材料和发泡材料)都表现出良好的细胞相容性,细胞活力高,无显著毒性。这打消了对此类复合材料生物安全性的疑虑。
结构与性能如何影响降解? 图6(d)将降解性能与材料结构相关联:
证实了预期:所有发泡样品(f-P@T10系列) 的降解速率显著快于纯聚合物和未发泡的复合材料。原因在于多孔结构极大地增加了材料与PBS溶液的接触面积,促进了水解等降解反应。
揭示了细节:不同发泡结构导致不同降解速率。例如,f-P@T10-130降解最快,因为其两相均发泡,具有最高的孔隙率和比表面积;而f-P@T10-150由于未发泡的PBAT相作为保护层,降解相对较慢但仍明显快于固体材料。这体现了降解速率可控的潜力。
如何平衡性能与降解? 这项工作面临一个潜在的矛盾:追求高性能(高导电性、高力学强度)通常需要更致密的结构和更稳定的组分,这可能延缓降解;而追求快速降解则需要引入更多缺陷和孔隙,又可能削弱性能。图6(d)的数据表明,通过结构设计(如f-P@T10-150),可以在保持优异综合性能的同时,实现显著优于纯聚合物的可控降解速率,从而在“高性能”与“可降解”之间取得了良好平衡。
总结:
图6从生物安全和环境归宿两个维度,为材料贴上了“适用于生物医学领域”的认证标签。它证明,这种具有创新结构的功能材料,不仅电学、电磁和力学性能出色,而且对细胞友好、可在生理环境中可控降解,完全符合现代生物医学材料对有效性、安全性及环境友好性的综合要求。这使得整个研究工作从材料制备与性能探索,升华到了面向实际生物医学应用的可行性论证的完整高度。
本研究开发了绿色可生物降解的聚合物复合材料f-P@T10系列,具分离蜂窝状细胞结构,稳定电绝缘且轻质,EMI屏蔽性能卓越,适用于生物医学设备。通过“两步熔融”结合Sc-CO2发泡实现,低熔点PBAT绝缘层包裹高熔点导电PLA/CNTs颗粒,抑制电子传输。蜂窝状细胞降低密度,提高吸收屏蔽效率。如f-P@T10-150,8 wt% CNTs即实现高吸收系数和EMI SET,且保持稳定电绝缘。此外,该材料还表现出良好降解性和生物相容性。本研究为开发轻质稳定电绝缘绿色生物聚合物复合材料提供可行方法,减少生物医学电子设备环境影响。https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152438
具体创新点总结如下:
一、创新的“分离蜂窝状”结构设计理念
结构拓扑创新:
提出并实现了 “导电网络分离”与“蜂窝多孔结构”的耦合设计。
通过分离结构(Segregated structure)将导电填料(CNTs)限制在高熔点PLA颗粒中,由低熔点PBAT基体隔离,从而在构建导电通路的同时保持整体电绝缘性。
通过选择性发泡(Selective foaming)在导电相或绝缘相中引入蜂窝状孔洞,实现了轻量化、增强电磁波吸收、调控降解速率的多重目标。
二、创新的“两步熔融+选择性发泡”制备工艺
工艺方法创新:
开发 “两步熔融法”,利用PLA与PBAT的熔点差异,先制备PLA/CNTs导电颗粒,再将其作为“填料”与PBAT熔融共混,形成热力学稳定的分离结构。
结合超临界CO₂发泡技术,利用两相聚合物不同的发泡窗口,通过精确控制发泡温度(110°C、130°C、150°C),实现对泡孔位置、形貌和分布的定向调控,实现“结构可编程”。
三、性能突破:多重矛盾性能的协同实现
电学性能的突破:
解决了传统导电复合材料高屏蔽效能与高绝缘性难以共存的难题。
复合材料在电磁屏蔽效能达30.1 dB的同时,体积电阻率仍保持 >10⁹ Ω·cm(高绝缘标准)。
电磁屏蔽机制的优化:
实现了吸收主导型(absorption-dominant)电磁屏蔽,吸收屏蔽占比最高达 90.6%(f-P@T10-150)。
蜂窝结构与分离网络的协同作用,促进电磁波多次内部反射与散射,显著提升吸收损耗,减少二次电磁污染。
轻量化与力学性能的平衡:
密度最低至 0.69 g/cm³,实现轻量化。
最优样品(f-P@T10-150)在50%应变下压缩强度达 47 MPa,模量 136.6 MPa,表现出优异的抗压性能。
四、材料“绿色属性”的全面验证
生物相容性确认:
细胞实验表明,即使添加CNTs并引入多孔结构,材料仍表现出良好的细胞相容性,细胞活力 >90%,无显著毒性。
可控降解性实现:
发泡结构显著提升降解速率,最快样品(f-P@T10-130)在14天内质量损失达 10.97%。
通过调控泡孔结构(如f-P@T10-150中未发泡PBAT保护层),可实现降解速率可控。
五、系统性的“结构—性能—机理”关联研究
全链条机理阐释:
从微观结构(SEM)→ 电学性能 → 电磁屏蔽机制 → 力学行为 → 生物相容性 → 降解行为,建立了完整的“结构—性能—机理”关联图谱,为后续材料设计提供理论指导。
总结:创新点的核心价值
本文的终极创新在于通过一种简洁、可控、绿色的方法,制备出一种多功能一体化的生物聚合物复合材料,成功解决了以下几个长期存在的矛盾:
✅ 绝缘 vs. 屏蔽
✅ 轻质 vs. 高强
✅ 高性能 vs. 可降解
✅ 功能化 vs. 生物安全
该材料体系特别适用于生物医学电子设备(如植入式传感器、可穿戴设备封装)中,满足其对电磁安全、电气绝缘、轻量化、生物相容性与环境友好性的严苛要求,具有重要的科学意义与应用前景。

转自《石墨烯研究》公众号

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