摘 要：【目的】制備具有金屬特征的電磁屏蔽木質(zhì)功能材料，可拓展苧麻骨的高值利用空間。【方法】以苧麻 骨粉末為基材，以納米氧化銅和環(huán)氧樹脂為增強(qiáng)因子，以活性炭為納米氧化銅原位還原誘發(fā)劑，采用溫壓成形 工藝對(duì)均勻混合物實(shí)施雙向壓制成形，制備苧麻骨基復(fù)合材料;用 X 射線衍射儀、體式顯微鏡和同步掃描電鏡 分析其金屬化特征與微觀結(jié)構(gòu)，用立式法蘭同軸電磁屏蔽效能測(cè)試裝置對(duì)比分析苧麻骨基復(fù)合材料與苧麻骨粉 末基材的溫壓試件的電磁屏蔽效能。【結(jié)果】苧麻骨基復(fù)合材料的 XRD 圖譜在 2θ=43.22°和 50.36°處(類似 于金屬 Cu 面心立方結(jié)構(gòu) {111} 以及 {200} 晶面)出現(xiàn)明顯的衍射峰，其體式顯微結(jié)構(gòu)可見均勻紫銅色物質(zhì)(單 質(zhì)銅);其 SEM 斷口形貌呈韌性斷裂特征，其電導(dǎo)率峰值達(dá)到 9.56×10-6 S/m，其電磁屏蔽效能突破 70 dB。 【結(jié)論】納米氧化銅在苧麻骨基復(fù)合材料溫壓成形過程中得以充分原位還原，使苧麻骨基復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)金屬 化而賦予其優(yōu)良的電磁屏蔽效能，超過工業(yè)電磁屏蔽應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)水平(30 ～ 60 dB), 達(dá)到了軍工用標(biāo)準(zhǔn)(60 ～ 120 dB)，展現(xiàn)出納米增強(qiáng)金屬化木質(zhì)復(fù)合材料的廣闊應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：苧麻骨;納米氧化銅;復(fù)合材料;溫壓成形;原位還原;電磁屏蔽效能

　　苧麻產(chǎn)業(yè)曾是湖南省支柱產(chǎn)業(yè)之一，但由于 種種原因，湖南的苧麻產(chǎn)業(yè)有所萎縮。2019 年， 彭源德等省政協(xié)委員，聯(lián)名提交了《關(guān)于拯救湖 南傳統(tǒng)苧麻產(chǎn)業(yè)的建議》[1]，力圖重振這一歷史悠 久的產(chǎn)業(yè)。如能以苧麻骨為基材開發(fā)出可用于工 業(yè)領(lǐng)域甚至軍工領(lǐng)域的電磁屏蔽材料，對(duì)苧麻資 源的高值清潔利用，助推地方特色產(chǎn)業(yè)品牌，具 有重要現(xiàn)實(shí)意義。 高值清潔利用廉價(jià)木質(zhì)資源已成為材料工作 者的追求之一 [2]，木質(zhì)廢棄物中的高值利用潛力 巨大，堪稱“第四種資源”[3-5]。21 世紀(jì)以來，新 材料的研發(fā)已成為世界各國競相關(guān)注的重點(diǎn)與相 互博弈的焦點(diǎn)。

　　包括草本、藤本和木本在內(nèi)的木 質(zhì)植物資源均基于光合作用匯聚碳源、固化 CO2 等溫室氣體，注定為環(huán)保而生;因其質(zhì)輕、多孔、 可再生、可再造的特點(diǎn) [6]，可將其打造成住所與 器物，供人們遮風(fēng)避雨、暖色養(yǎng)目、屏蔽有害電 磁波、抵御外敵窺探。隨著新材料技術(shù)的快速發(fā)展， 人們對(duì)于廉價(jià)木質(zhì)資源的利用已從傳統(tǒng)膠合板、 刨花板、硬質(zhì)纖維板、造紙等領(lǐng)域快速升級(jí)到可 應(yīng)用于民用工業(yè)(甚至軍工)的高值清潔利用領(lǐng)域， 其前景十分廣闊 [7-10] 。

　　本研究以苧麻骨為基材，選擇納米氧化銅和環(huán)氧樹脂粉末為增強(qiáng)因子，活性炭為還原劑，采 用溫壓成形工藝對(duì)基材與強(qiáng)化因子、還原劑的均 勻混合物實(shí)施雙向模壓成形，制備苧麻骨基復(fù)合 材料，并對(duì)其組織結(jié)構(gòu)形貌與電磁屏蔽效能等進(jìn) 行表征，探索其在電磁屏蔽材料領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

　　1 試驗(yàn)材料與方法

　　1.1 試驗(yàn)材料

　　1)試驗(yàn)基材：基材為苧麻骨，采集于湖南農(nóng) 業(yè)大學(xué)苧麻研究所產(chǎn)學(xué)研示范基地。首先將苧麻骨 風(fēng)干、切碎，然后用自帶篩分裝置的 F160 型粉碎 機(jī)粉碎，制備成含水率為 12% ～ 15% 的< 0.25 mm (-60 目)苧麻骨粉末。

　　2)強(qiáng)化因子：納米氧化銅(湖南耀弘納米科 技有限公司)，平均粒徑≤ 200 nm，純度 99.0%; 環(huán)氧樹脂粉末(廣州新稀冶金化工有限公司)， 固化溫度 177℃，固化時(shí)間 20 min;木質(zhì)活性炭(長 沙唐華化工貿(mào)易有限公司)，粒度< 0.075 mm (-200 目)，含水率 5%。

　　1.2 儀器設(shè)備

　　1.3 實(shí)驗(yàn)方法

　　1)制備

　　基于單因素試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì) 與分析方法(Design expert)，確定苧麻骨基復(fù)合 材料的最佳組分與最優(yōu)溫壓成形工藝條件，獲得 最佳組分與最優(yōu)溫壓成形工藝條件下的苧麻骨基復(fù)合材料試件，并在最優(yōu)溫壓成形工藝條件下制 備苧麻骨基材對(duì)比試件。 依據(jù)響應(yīng)面法中心組合原理(Box-Benhnken)， 以單因素試驗(yàn)結(jié)果為中心值(成形溫度 170℃、成 形壓力 70 MPa、保溫保壓時(shí)間 30 min、環(huán)氧樹脂 用量 9 wt%、納米氧化銅用量 30 wt%)。

　　2)試件特性表征

　　以苧麻骨基材溫壓試件為參照，通過 XRD 圖譜特征峰定性分析試件成分中單質(zhì)銅的存在情況; 通過 3D 數(shù)碼顯微照片從感官上分析試件組分納米 氧化銅的原位還原情況;通過電導(dǎo)率的測(cè)試評(píng)價(jià) 試件金屬化特征，佐證試件組分納米氧化銅在溫 壓成形過程中原位還原事實(shí);通過掃描電鏡斷口 形貌分析判斷試件斷裂特征;通過電磁屏蔽效能 測(cè)試分析評(píng)定試件電磁屏蔽效能等級(jí)。 依據(jù) SJ20524-95《材料屏蔽效能的測(cè)量法》 制備電磁屏蔽效能的測(cè)試試樣(外徑≤ 120 mm、 內(nèi)徑≥ 12 mm、厚度≤ 10 mm)，用 GSP-830 型 頻譜分析儀和立式法蘭同軸測(cè)試裝置測(cè)定。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化分析

　　苧麻骨基復(fù)合材料溫壓成形的工藝與強(qiáng)化因 子優(yōu)化響應(yīng)面三維圖列于。可知工藝參數(shù) 或者強(qiáng)化因子間的交互作用對(duì)試件性能影響均很明 顯。

　　在確保試件較低吸水 率的前提下盡可能提高其靜曲強(qiáng)度的原則，考慮實(shí)際生產(chǎn)操作的方便，對(duì)溫壓成形過程中的 3 種工藝參數(shù)(溫度、壓力、保溫保壓時(shí)間)和強(qiáng)化因子 (環(huán)氧樹脂、納米氧化銅)含量進(jìn)行優(yōu)化，最終優(yōu) 化參數(shù)設(shè)置與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果列于表 6。獲得的最優(yōu) 工藝參數(shù)組合與最佳強(qiáng)化因子含量分別為成形溫度 180℃、成形壓力 70 MPa、保溫保壓時(shí)間 30 min、 環(huán)氧樹脂含量 9.2 wt%、納米氧化銅含量 30.8 wt%。

　　制備的苧麻骨基復(fù)合材料的靜 曲強(qiáng)度(90.12 MPa)優(yōu)于人工木質(zhì)材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)， 故具有較強(qiáng)的承載能力;其吸水率(0.51%)不足 高密度人造板吸水率的 5%，故其疏水性較好，具 備戶外耐候材料的潛質(zhì)。按照最 優(yōu)工藝參數(shù)組合與最佳強(qiáng)化因子含量制備的苧麻 骨基復(fù)合材料的實(shí)測(cè)性能與預(yù)測(cè)值基本相符，表 明響應(yīng)面試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確、可信。

　　2.2 XRD 圖譜特征峰分析

　　按最佳含量強(qiáng)化因子配比在最優(yōu)工藝 條件下，分別制備的苧麻骨基復(fù)合材料與苧麻基 材對(duì)照試件的 XRD 圖譜;可知均具纖維素特征峰， 但苧麻骨基復(fù)合材料纖維素衍射峰比苧麻骨基材 略低，可能的原因是熱塑融合導(dǎo)致纖維結(jié)晶度發(fā) 生改變。另外，苧麻骨基復(fù)合材料的 XRD 圖譜包 含多個(gè)雜質(zhì)峰(氧化亞銅和氧化銅等)，說明部 分納米氧化銅在溫壓成形過程中未實(shí)現(xiàn)完全還原。 XRD 圖譜表明，在 2θ=43.22° 之前未出現(xiàn)單質(zhì) Cu 的特征峰;2θ 在 43.22°、50.36° 位置呈現(xiàn)出明顯 的單質(zhì) Cu 衍射峰，實(shí)為金屬 Cu 的面心立方結(jié)構(gòu) {111}、{200} 晶面的衍射峰，賦予苧麻骨基復(fù)合 材料金屬化特征 [2,11] 。

　　2.3 3D 數(shù)碼斷口形貌分析

　　按最佳含量強(qiáng)化因子配比在最優(yōu)工藝 條件下制備的苧麻骨基復(fù)合材料與苧麻基材試件 的 3D 數(shù)碼顯微結(jié)構(gòu)圖。從圖 6a 可以看出苧麻骨 基材試件的斷口形貌呈灰黃色，而添加強(qiáng)化因子 的苧麻骨基復(fù)合材料的斷口形貌均勻分布著紫銅 色物質(zhì)，結(jié)合 X 射線圖譜特征峰分析進(jìn)一步證明 納米氧化銅在溫壓成形過程中實(shí)現(xiàn)了充分的原位 還原，產(chǎn)生了單質(zhì)銅(Cu)。

　　3 結(jié)論與討論

　　為拓展苧麻骨的高值利用空間，制備具有金 屬特征的電磁屏蔽木質(zhì)功能材料，以苧麻骨粉末 為基材，以納米氧化銅和環(huán)氧樹脂粉末為強(qiáng)化因 子，以活性炭為納米氧化銅原位還原誘發(fā)劑，采 用溫壓成形工藝，對(duì)上述均勻混合物實(shí)施雙向成 形，制備苧麻骨基復(fù)合材料;用 XRD、體式顯微 鏡和同步掃描電鏡分析苧麻骨基復(fù)合材料的金屬 化特征與微觀結(jié)構(gòu)，用立式法蘭同軸電磁屏蔽效 能測(cè)試裝置對(duì)比分析苧麻骨基復(fù)合材料與基材苧 麻骨粉末溫壓試件的電磁屏蔽效能，成功制備了 達(dá)到軍工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的苧麻骨基電磁屏蔽材料，主 要結(jié)論如下：

　　1)苧麻骨基電磁屏蔽材料的最優(yōu)工藝參數(shù)組 合與最佳強(qiáng)化因子含量分別為：成形溫度 180℃、 成形壓力 70 MPa、保溫保壓時(shí)間 30 min、環(huán)氧樹 脂含量 9.2 wt%、納米氧化銅含量 30.8 wt%。

　　2)苧麻骨基復(fù)合材料的 XRD 圖譜在 2θ= 43.22° 和 50.36° 處 ( 類似于金屬 Cu 面心立方結(jié)構(gòu) {111} 以及 {200} 晶面 ) 出現(xiàn)明顯的衍射峰，其體式 顯微結(jié)構(gòu)可見均勻紫銅色物質(zhì)，其 SEM 斷口形貌 呈韌性斷裂特征，其電導(dǎo)率峰值達(dá)到9.56×10-6 S/m， 具有金屬化特征。

　　3)納米氧化銅在溫壓成形過程中，在木質(zhì)活 性炭的誘導(dǎo)以及基材組分部分炭化物催化下得以 充分原位還原，使得苧麻骨基復(fù)合材料在實(shí)現(xiàn)金屬 化的同時(shí)賦予自身高達(dá) 70 dB 的電磁屏蔽效能，已 超過工業(yè)電磁屏蔽應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)水平(30 ～ 60 dB)， 達(dá)到了軍用標(biāo)準(zhǔn)(60 ～ 120 dB)。

　　在木材基質(zhì)內(nèi)通過原位制備單質(zhì)金屬，利用 其孔洞結(jié)構(gòu)賦予木材良好的反射、吸收電磁波的 能力 [18-20] 。該材料可用于制備具有電磁屏蔽性能的結(jié)構(gòu)工程材料，運(yùn)用于安全機(jī)構(gòu)、應(yīng)試考場(chǎng)、 戲劇院等有特殊需求的場(chǎng)所，以及軸承制備。 目前，制備具有電磁屏蔽功能的木質(zhì)復(fù)合材 料的方法有許多種，但在國內(nèi)目前研究最多，發(fā) 展前景比較看好的是采用化學(xué)鍍的方法來制備木 質(zhì)電磁屏蔽材料，化學(xué)鍍后的木材表面性能將會(huì) 得到改善，從而使其具有一定的導(dǎo)電與電磁屏蔽 性能。

　　如石常洪 [20] 以樺木為基材，在化學(xué)鍍液中加 入納米粒子(A12O3、SiO2 和 SiC)以制備出具有 耐腐蝕性的木質(zhì)基電磁屏蔽材料，并對(duì)復(fù)合鍍層的 結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行分析與表征。EDS 檢測(cè)結(jié)果證實(shí) 3 種 Ni-P- 納米粒子復(fù)合鍍層中均含有納米顆粒; XRD 分析結(jié)果表明 3 種復(fù)合鍍層均呈納米晶態(tài)結(jié) 構(gòu);SEM 觀察 3 種鍍后單板都被金屬鍍層所覆蓋， 鍍層均勻、連續(xù)、有光澤，并仍具有木材的紋理 特征;3 種 Ni-P- 納米粒子鍍后單板表面接觸角測(cè) 試值都在 125° 以上，具有良好的疏水性;電磁屏 蔽測(cè)試表明在 9 kHz ～ 1.0 GHz 電磁波頻率之間， 3 種 Ni-P- 納米粒子鍍后單板屏蔽效能值均不低于 50 dB，都能夠作為電磁屏蔽材料。惠彬等 [21] 以水曲柳單板為基材，在 NaBH4 處 理后采取化學(xué)鍍 Ni-Cu-P 三元合金以制備木質(zhì)電磁 屏蔽復(fù)合材料。

　　利用 3 g/L 的 NaBH4 溶液，前處理 8 min，施鍍時(shí)間 25 min，制備的復(fù)合材料的金屬 沉積量為 113 g/m2 ，表面電阻率為 318 mΩ/cm2 ; 通過 SEM 觀察發(fā)現(xiàn)鍍后木材單板有明顯地金屬光 澤，鍍層均勻、連續(xù)且致密;通過 XRD 分析表明 鍍層為微晶結(jié)構(gòu)，且鍍層與木材結(jié)合牢固;在頻 率為 9 kHz ～ 1.5 GHz 范圍內(nèi)，頻譜儀測(cè)試施鍍單 板的電磁屏蔽效能在 55 ～ 60 dB 范圍內(nèi)。 王麗等 [22-23] 以非洲白梧桐單板為基材，以次亞磷酸鈉為還原劑，木材經(jīng)過硅烷前處理在表面 化學(xué)鍍 Ni-Fe-P 三元合金，VSM 測(cè)試表明，鍍層 具有很好的磁學(xué)性能;SEM 測(cè)試觀察鍍后非洲白 梧桐單板表面完全被金屬鍍層覆蓋，鍍層均勻有 光澤，木材的表面紋理仍舊存在。

　　XRD 測(cè)試表明， Ni-Fe-P 三元合金鍍層呈晶態(tài)結(jié)構(gòu);鍍層與木材在 結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試中沒有全部分離，說明 Ni-Fe-P 合 金鍍層與木材表面結(jié)合度較高;鍍后單板初始接 觸角為 104°，15 s 后接觸角下降 6°，單板表面鍍 后具有疏水性;Ni-Fe-P 三元合金鍍層的腐蝕電位 為 -0.301 V，腐蝕電流密度為 7.58×10-6 A/cm2 ， 腐蝕阻抗為 3 652.9 Ω/cm2 ，耐腐蝕性較 Ni-P 二元 合金顯著提高;測(cè)試鍍后單板的電磁屏蔽效能達(dá) 到 45 dB 以上，較非洲白梧桐素材有明顯提高。

　　林業(yè)論文范例：河北壩上生態(tài)林業(yè)工程生物多樣性問題的探討

　　本研究基于對(duì)苧麻骨材料的高值利用，將廉 價(jià)碳匯資源高值清潔利用技術(shù)、木質(zhì)粉末溫壓成 形原理與技術(shù)、材料加工工程、木材科學(xué)與技術(shù) 等學(xué)科材料成形理論與技術(shù)交叉應(yīng)用于木質(zhì)功能 材料的研發(fā);通過溫壓成形制備出了電導(dǎo)率達(dá)到 了 9.56×10-6 S/m，電磁屏蔽效能高達(dá) 70 dB 的納 米增強(qiáng)木質(zhì)功能材料，充分體現(xiàn)了木質(zhì)材料在電 磁屏蔽領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。在認(rèn)識(shí)到其能夠承 擔(dān)電磁屏蔽材料所需之后，接下來可以對(duì)苧麻骨 復(fù)合材料進(jìn)行吸聲功能研究 [24] 。如果時(shí)間和經(jīng)費(fèi) 寬裕，未來還可以針對(duì)其在制備和使用過程中存在的問題開展進(jìn)一步的研究。

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　　作者：郝 颯，劉俊懷，何玉琴，張 紅，吳慶定