隨著電子通信技術的迅猛發展，電磁污染引發的環境與健康問題日益嚴峻。傳統金屬屏蔽材料雖廣泛應用，卻存在密度高、易腐蝕、碳足跡大及二次反射污染等缺陷。而石化基聚合物泡沫（如聚苯乙烯、聚氨酯）及其導電填料（碳納米管、石墨烯等）雖具輕量優勢，卻依賴不可再生的化石燃料，且難以降解，對生態環境構成長期威脅。木材作為天然碳儲庫（1立方米木材可固存約1噸CO?），其廢棄物回收率極低（美國僅17%），大部分被焚燒或填埋，碳封存潛力未被充分釋放。因此，開發可持續、高性能的電磁屏蔽材料迫在眉睫。

南京林業大學夏常磊教授團隊提出多尺度孔隙工程策略，利用廢棄木材與纖維素物理交聯，經環境干燥制備出多功能生物碳泡沫。該材料兼具：1）超強電磁吸收：11.3 GHz頻段吸收率達99.7%，屏蔽效能高達80.3 dB；2）卓越隔熱性：熱導率僅0.12 W·m?1·K?1；3）機械魯棒性：壓縮模量10 MPa，強度0.9 MPa（比純纖維素泡沫高4倍）；4）全生命周期設計：廢棄后可轉化為生物肥料，促進植物生長并長期固碳。此項研究為替代傳統金屬和石化基泡沫提供了可持續解決方案。相關論文以“Full-Lifecycle Biocarbon Foam through Multiscale Pore Engineering Toward Ultra-High Electromagnetic Absorption”為題，發表在Advanced Functional Materials上。

廢棄木材的循環利用

美國1990–2018年數據顯示，木材廢棄物總量達2000萬噸/年，回收率不足20%（圖1a）。團隊提出閉環方案：廢棄木材經氣化發電后，殘碳用于制備生物碳泡沫；其廢棄階段可轉化為肥料，改善土壤并固碳（圖1c）。泡沫本身輕質（密度0.19 g·cm?3）、強韌，且可大規模生產（圖1d）。

圖1. 廢棄生物質制備生物碳示意圖。

結構設計與機械性能

木材在1600°C碳化形成類石墨結構（圖2b），XRD與拉曼光譜證實結晶度提升（圖2c,d）。創新性采用環境干燥工藝：生物碳顆粒（400–1000 μm）與纖維素在NaOH/尿素溶液中物理交聯，經凝膠化后常溫干燥成型。微米級碳顆粒有效抵抗毛細力，維持多孔結構（圖2e,f），避免純纖維素干燥收縮問題。纖維素納米纖維通過氫鍵和范德華力連接碳顆粒，形成三維網絡（圖2g），使泡沫壓縮強度達纖維素泡沫的4.1倍（圖2i,j）。

圖2. 生物碳結構示意圖。

多尺度孔隙優化電磁吸收

90 wt.%生物碳負載下，電導率提升至128 S·m?1。在X波段（8–12 GHz），70 wt.%負載的泡沫屏蔽效能超60 dB，且吸收主導（圖3a–c）。其多尺度孔隙協同作用：1）納米孔（類石墨域）：引發偶極子和界面極化，將電磁能轉化為熱能（圖3i）；2）微米-宏觀孔：優化阻抗匹配，延長電磁波路徑（圖3j,k）。最終實現11.3 GHz處99.7%的吸收率（圖3e），性能優于石墨烯等材料（圖3h）。

圖3. 生物碳泡沫結構分析與EMI屏蔽性能。

隔熱與阻燃性能

泡沫在紅外加熱/干冰冷卻實驗中展現優異隔熱性：60分鐘內室溫波動僅2°C（圖4c,f），遠優于商業EPS泡沫。其熱穩定性突出：200°C下儲存模量保持300 MPa，無變形（圖4g,h）；燃燒時無明火，自熄性強（圖4i），克服了塑料泡沫易燃缺陷。

圖4. 生物碳泡沫的隔熱與阻燃性能。

生態效益與植物生長

廢棄泡沫作為1%添加量的生物肥料，使小白菜鮮重增加26.4%，根干重提升32.1%（圖5a–e）。生命周期評估（LCA）表明，其碳足跡僅為銅的2%、聚氨酯泡沫的33%（圖5f）。盡管高溫碳化過程對生態毒性有貢獻，但閉環設計顯著降低整體環境影響。

圖5. 生物碳泡沫對植物生長的影響及其環境影響。

總結與展望

該生物碳泡沫通過多尺度孔隙工程與環境干燥工藝，實現了電磁吸收、隔熱、機械強度的協同優化，且全生命周期符合循環經濟原則。其原料廉價（廢棄木材）、工藝可擴展（無需冷凍干燥），在軍事隱身技術、建筑隔熱及農業領域具有廣闊應用前景。未來通過優化纖維素溶液制備流程，將進一步降低環境影響，推動可持續多功能材料的工業化落地。

來源：高分子科學前沿

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