分子系 李宜桓助理教授

隨著科技的日新月異，現代人對電子產品的依賴性大幅的提高，如日常生活所普遍使用的家電包含電視、冰箱、微波爐或者是資訊電子產品如筆記型電腦、手機、智慧手錶等…。儘管為人類的生活帶來相當大的便利，然而這些電子設備在使用上往往會產生各式不同頻率波段的電磁波，充斥在我們的生活四周，使得人們無時不刻暴露在具有潛在危害的環境之中，如圖一所示。電磁波，又可稱作電磁輻射，其定義是指具有同相振盪，且呈現互相垂直分布的電場與磁場，其在空間中以波動的形式來傳遞能量以及動量，而其傳播的方向與電場和磁場的振盪方向呈現垂直的關係。目前許多的研究以及調查都指出，若人們經年累月暴露於高能量的電磁波環境下，可能會造成人體各方面的危害發生，例如免疫系統功能降低、不孕症或畸形嬰兒出生機率提高，抑或是中樞神經系統虛弱而導致頭痛、心悸、睡眠障礙等。如此潛在的電磁波危害機制在近來廣泛受到各方的重視。因此為了有效降低電磁波的影響，開發抗電磁干擾屏蔽材料(EMI shielding material)成為了當今非常熱門的研究方向。

圖一、環境潛在電磁波來源示意圖

電磁干擾屏蔽材料的作用，主要是將入射的電磁波藉由反射，吸收或是多重反射的機制將其有效地進行衰減，如圖二所示。而在傳統上，金屬或是合金時常被用於作為電磁干擾屏蔽系統的材料選擇，這是由於此類物質本身即具備有優異的電磁波反射效果。儘管效能卓越，然而金屬類的系統卻也有著高成本、笨重、易腐蝕以及不易加工塑形等不利因素，因此在實際的應用上往往會受到許多的限制。為了克服這些缺點，高分子複合材料於電磁干擾屏蔽的應用逐漸的嶄露頭角，這是將高分子與導電填充物相結合所發展的新型系統，藉由添加適合的導電材質賦予材料優異抗電磁波的特性。此外由於高分子本身具有質輕、價廉以及易加工等優勢，這將使的高分子複合材料系統在使用上有著更多彈性與空間，滿足更多面向的需求。

圖二、電磁波屏蔽材料作用機制示意圖

如上所述，高分子複合材料用於屏蔽電磁波具有多方面的優勢，然而不同於金屬材料的高強度特質，高分子複合材料在長時間的使用下往往會產生結構上的缺陷，進而導致嚴重的破損，這將會嚴重地影響到屏蔽電磁波的效能表現。近年來，在材料領域上開始倡導了自修復機制的開發，希望藉由導入如生物體般可將自身傷痕癒合的功能於人造材料之中，再利用簡單的方法或程序，快速有效地修復受損的部位，大幅提升材料的使用壽命。早期的自我修復機制是將癒合劑儲存於微膠囊中，當材料破損的同時也會誘發內部膠囊的破裂，如此可藉由釋放膠囊內的癒合劑填滿材料的缺陷處而有效地達成結構修復。儘管效能卓著，但因膠囊內的癒合劑有固定的含量，因此無法在相同區域進行多次的修復。因此許多學者轉而開發可逆鍵結的修復機制，希望藉由化學結構中的特殊鍵結提供無限次數的修復，截至目前為止，已有許多不同的可逆鍵結自修復技術被相繼開發出來，如Diels-Alder (DA) 鍵結、雙硫鍵(disulfide bonding)、氫鍵(hydrogen bonding)、金屬配體螯合(metal–ligand complex)等，其中DA鍵結自修復機制受到相當大的矚目，這是一種可由溫度調控鍵結形成或是解除的可逆共價鍵系統，在低溫經由環狀加成反應產生共價鍵結，而高溫則會打開鍵結使材料具有可移動性來對破損的區域進行修補，待缺陷癒合後再將樣品降溫使共價鍵結再度形成回復材料的原始強度。由於操作方便且修補能力佳，因此若是能將DA可逆鍵結的機制應用在電磁波屏蔽高分子複合材料系統中，預期將可大幅提升材料的耐用性以及應用價值。
    
在本研究中，我們利用DA化學機制開發一新穎的自修復電磁波屏蔽高分子複合材料系統，首先合成poly(ethylene brassylate)-poly(furfuryl glycidyl) (PEBF)共聚高分子系統，其中的組成包含了生質系的單體ethylene brassylate (EB)以及具有呋喃(furan)官能基的furfuryl glycidyl (FGE)單體。這個共聚高分子系統可作為分子模板來結合石墨烯(graphene)以及1,1’-(methylenedi-4,1-phenylene)bismaleimide (BMI)。由於呋喃官能基、石墨烯以及BMI上的馬來醯亞胺(maleimide)官能基彼此間可以產生DA可逆化學鍵結，這會使得此複合材料系統內部具有可逆的DA交聯網絡，擁有自修復的能力，如圖三所示。

圖三、新型自修復電磁波屏蔽高分子複合材料系統內部DA交聯結構示意圖

由刻痕實驗可以觀察到，若將樣品升溫至DA鍵結打開的溫度時，原有的刻痕能夠有效的癒合，如圖四(a)所示，驗證了此系統具備有良好的自我修復能力。而在電磁干擾屏蔽的效能上，我們也觀察到了此系統的總和電磁干擾屏蔽效力(total EMI shielding effectiveness, SET) 隨著石墨稀的添加量而增加，如圖四(b)所示，這趨勢代表了石墨烯在系統內部逐步形成更緻密的通路結構，逐步強化了系統對於電磁波的屏蔽能力。此外為了進一步驗證破損的材料經由自修復程序後，其電磁波屏蔽效力是否可以有效地回復，我們也同步的進行了原始無缺陷和修復後樣品的EMI屏蔽性能測試。從實驗結果可以看出，不同石墨稀添加量的樣品經過修復之後，其SET的表現皆回復到初始無缺陷狀態下90%以上的水準，如圖四(c)所示，印證了此複合材料的自我修復機制除了結構缺陷的修補外，更可以有效地恢復其固有特性。我們相信本研究成果對於提升電磁波屏蔽高分子複合材料的品質與耐用度上有相當程度的幫助，深具發展潛力及應用價值。本研究相關的成果也刊登於Polymers期刊上(Polymers 2019, 11, 1755)。

圖四、(a) 具有刻痕之樣品經由自修復過程復原之光學顯微鏡影像(b)不同石墨烯含量樣品之SET曲線圖(c)不同石墨烯含量樣品之SET復原百分比柱狀圖