摘要：废塑料（WP）处理方法不完善、电磁危害严重、金属基电磁屏蔽干扰（EMI）材料难以满足需求等问题日益突出。本文，中国地质大学（北京）张娜 副教授、Yihe Zhang等研究人员在《J. Mater. Chem. A》期刊发表名为“Multiscale-void-

1成果简介

废塑料（WP）处理方法不完善、电磁危害严重、金属基电磁屏蔽干扰（EMI）材料难以满足需求等问题日益突出。本文，中国地质大学（北京）张娜 副教授、Yihe Zhang等研究人员在《J. Mater. Chem. A》期刊发表名为“
Multiscale-void-containing low-density polyethylene/waste plastic porous carbon composites with electromagnetic shielding interference and thermal management capabilities”的论文，研究以废塑料和三聚氰胺为原料，结合废塑料中的CaCO3作为自牺牲模板剂，通过烧结合成了掺氮废塑料多孔碳（WPPC）。掺氮使 WPPC-3 具有高疏水性、高导电性和高 EMI 效率（Ku 波段 20.5 dB）。

第一性原理计算还表明，WPPC-3 的导电结构比 WPPC-0 更好。低密度聚乙烯（LDPE）/模板剂（TEM）-40 和低密度聚乙烯/石墨尾渣（GT）-70 分别具有高韧性和高 EMI 效率。与 LDPE/GT-40 相比，用 WPPC（MSP-WPPC）改性的多尺度孔结构功能复合材料在 Ku 波段的 EMI SET 提高了 670.93%。基体孔隙和 WPPC 介孔结构的协同效应大大改善了 MSP-WPPC 的多重反射和吸收损耗。聚乙二醇（PEG）有效填充了 MSP-WPPC 结构中的孔隙，从而赋予 MSP-WPPC/PEG 显著的热管理能力。MSP-WPPC/PEG 具有多固体废弃物利用、低成本和宽频 EMI 等优点，非常适合军事、建筑和通信行业。它将创造性地解决上述问题。

2图文导读

图1、 (a) Schematic diagram of electromagnetic radiation, (b) WPPC sintering technology roadmap, (c) schematic diagram of scattering parameters, (d) model building for uniaxial stretching finite element simulation, (e) meshing for uniaxial stretching finite element simulation, (f) model building for EMI simulation, and (g) environment setup for EMI simulation.

图2、(a) Schematic diagram of the WPPC preparation process, (b) SEM images of WPPC-0/1/2/3/4, (c) schematic diagram of WPPC at different nitrogen doping amounts, (d) XRD analysis of WPPC-0/1/2/3/4, (e) Raman spectra of WPPC-0/1/2/3/4, (f) XPS full spectra of WPPC-0/1/2/3/4, (g) N 1s orbital splitting diagrams of WPPC-0/1/2/3/4, (h) C 1s orbital splitting diagrams of WPPC-0/1/2/3/4, and (i) contact angle images of WPPC-0/1/2/3/4.

图3、(a) Schematic diagram of EMI coaxial testing of WPPC powder, (b) SET of WPPC-0/1/2/3/4, (c) mean SET of WPPC-0/1/2/3/4 in the Ku-band, (d) SER of WPPC-0/1/2/3/4, (e) SEA of WPPC-0/1/2/3/4, (f) coefficient of WPPC-0/1/2/3/4, (g) nitrogen adsorption and desorption curves of WPPC-3, (h) pore size distribution of WPPC-3, (i) EDS mapping of WPPC-3, (j) electrical conductivity of WPPC-0 and WPPC-3, and (k) resistivity of WPPC-0 and WPPC-3.

图4、Preparation and property analysis of LDPE/TEM composites. (a) Schematic diagram of the preparation process, (b) physical photos, (c) tensile strength, (d) SEM images of pure LDPE, LDPE/TEM-10, LDPE/TEM-40 and LDPE/TEM-80, and (e) Abaqus-based finite element uniaxial tensile simulation.

图5、 Preparation and properties analysis of LDPE/GT composites. (a) Schematic diagram of the full preparation process, (b) tensile strength, (c) SEM, (d) schematic diagram of the uniaxial stretching mechanism of LDPE matrix composites, (e) thermal conductivity, (f) schematic diagram of the thermal conductivity mechanism, (g) DSC, (h) TG, and (i) DTG.

图6、 Preparation and property analysis of multi-scale pore structure LDPE-based functional composites modified with carbon fiber. (a) Schematic diagram of the full preparation process, (b) tensile strength, (c) SEM images of tensile cross sections of LDPE/GT/CF-20, LDPE/GT/CF-40, MSP-GT and MSP-WPPC, (d) thermal conductivity, (e) DSC, (f) TG, (g) DTG, (h) bulk conductivity, (i) SET, (j) SER, (k) mean SET in Ku-band, (l) SEA, and (m) coefficient of EMI efficiency in the Ku-band.

图7、MSP-WPPC/PEG synthesis analysis. (a) EMI mechanism of MSP-WPPC/PEG, (b) thermal management mechanism of MSP-WPPC/PEG, (c) cost comparison among GT, WPPC, and commercially available EMI raw materials, and (d) multi-indicator comparison of composite functional materials.

3小结

本研究以可湿性粉末为原料，以 CaCO3 为自牺牲模板剂，烧结合成了掺氮的 WPPC 功能填料。通过熔融共混和孔隙结构设计，依次制备了柔性 LDPE/TEM-40 复合材料、X 波段 LDPE/GT-70 复合 EMI 功能材料、Ku 波段多尺度孔隙结构 MSP-WPPC 复合 EMI 功能材料以及具有 EMI 和热管理双重功能的 MSP-WPPC/PEG 复合材料。具体结论如下

(1) WPPC-3 具有三维中空颗粒结构，具有疏水性（接触角为 72.03°）。与 WPPC-0 相比，两毫米厚的 WPPC-3 的 EMI 效率（20.5 dB）提高了 667.79%，这主要是由于吸收损耗所致。其孔隙结构为介孔结构，具有高比表面积（45.54 m2 g-1）和高导电率（30 MPa 压力下为 37.68 S m-1）。根据 DFT 计算，WPPC-3 的 HOMO 和 LUMO 分布更广，且基本重叠。与 WPPC-0 相比，掺杂 N 能使 WPPC-3 获得更高的表面电荷密度和更窄的带隙。这充分说明 WPPC-3 的导电结构优于 WPPC-0。

(2) 随着 TEM 添加量从 40 wt% 增加到 80 wt%，由于孔隙结构的增加，LDPE/GT 复合材料表现出明显的柔韧性。然而，它们的拉伸强度却明显下降，尤其是 LDPE/TEM-80 复合材料，与纯 LDPE 相比降低了 65.18%。单轴拉伸模拟也证实了拉伸实验的结论。

(3) 当 GT 的填充量从 0 wt% 增加到 70 wt% 时，LDPE/GT 复合材料的拉伸强度依次增加。与纯 LDPE 相比，LDPE/GT-70 的拉伸强度提高了 196.36%，导热系数（2.791 W m-1 k-1）提高了 753.70%。此外，与 LDPE/GT-40 相比，LDPE/GT-70 表现出更高的结晶度、热稳定性和 X 波段电磁干扰效率（15.0 dB）。

(4) 随着 CF 比例的不断增加，LDPE/GT/CF 复合材料的拉伸强度先增大后减小，LDPE/GT/CF-30 的拉伸强度达到了最佳值。与 LDPE/GT-40 相比，LDPE/GT/CF-30 的拉伸强度提高了 53.29%。与 LDPE/GT/CF-30 相比，MSP-GT 和 MSP-WPPC 的拉伸强度明显下降。得益于多固体废物耦合利用和多尺度孔结构设计，MSP-WPPC 在 Ku 波段表现出低热导率、高热稳定性、低体积电导率和高 EMI 效率（13.26 dB）。

(5) 截面 SEM 图像证实 MSP-WPPC/PEG 制备成功。通过曝光实验和红外热成像实验确定了 MSP-WPPC/PEG 的可靠性和热管理能力。EMI 蓝牙测试进一步表明它继承了 MSP-WPPC 的 EMI 功能。PEG 通过固固相变实现了热管理功能。

这项工作为废塑料和石墨尾矿等固体废弃物资源的功能利用提供了新思路。MSP-WPPC/PEG 的多功能性、结构调控性和可加工性等优势，使其在军事、建筑、通信等领域的应用前景更加广阔。然而，如何制备具有超高电磁干扰效率的固体废弃物基复合功能材料仍然充满挑战。未来将通过结构优化和高 EMI 材料的引入，进一步提高其 EMI 屏蔽效率，以满足实际应用的需要。

文献：

来源：材料分析与应用

来源：石墨烯联盟