一种MXene／纤维素复合气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术涉及气凝胶及电磁吸波材料领域，具体为一种MXene／纤维素复合气凝胶的制备方法。首先将MAX相陶瓷粉末加入一定比例调配的氟化锂、盐酸及氢氟酸的混合水溶液中进行刻蚀得到MXene纳米粉末。采用纤维素溶胶法，将纤维素粉末加入一定比例的氢氧化钠和尿素的混合水溶液中，降温至零下12℃制备得到透明的纤维素混合溶液。保持该温度，将MXene纳米粉末加入至纤维素混合溶液中，然后加入适量环氧氯丙烷充分搅拌进行化学交联。提高温度，将所得到的均匀混合物进行凝胶反应。将凝胶产物进行定向冷冻，再经过冷冻干燥处理得到MXene/纤维素复合气凝胶。本发明专利技术复合气凝胶具有低密度、高孔隙率、吸波性能好、吸波频段宽等特性，使用方便适合大规模应用于航空航天领域。

A preparation method of MXene / cellulose composite aerogels

The invention relates to the field of aerogels and electromagnetic wave absorbing materials, in particular to a preparation method of MXene / cellulose composite aerogels. Firstly, MXene nano-powders were prepared by etching MAX phase ceramic powders into a mixture of lithium fluoride, hydrochloric acid and hydrofluoric acid in a certain proportion. Cellulose powder was added into a mixture of sodium hydroxide and urea by cellulose sol method, and transparent cellulose solution was prepared by cooling to minus 12 C. At this temperature, MXene nano-powder was added to cellulose mixture solution, and then appropriate amount of epichlorohydrin was added to mix fully for chemical crosslinking. The resulting homogeneous mixture is gel activated by increasing temperature. The MXene/ gel composite aerogels were obtained by directional freezing of gel products and freeze-drying treatment. The composite aerogel has the characteristics of low density, high porosity, good wave absorbing property, wide absorbing frequency range, etc., and is suitable for large-scale application in the aerospace field.

【技术实现步骤摘要】
一种MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法
本专利技术涉及气凝胶及电磁吸波材料领域，具体为一种MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法。
技术介绍
过量的电磁波辐射干扰电子设备，影响人体健康，高性能微波吸收材料因其具有耗散电磁微波辐射能力而受到越来越多的关注。一般认为，理想的电磁波吸收材料应满足轻量、吸收带宽和高吸收效率的严格要求。通过使用氢氟酸或者氟化锂与盐酸的混合溶液刻蚀去除层状三元陶瓷MAX相(如：Ti2AlC、Nb2AlC等)中的金属层(如：铝等)，制备出功能化的过渡族金属碳化物纳米片MXene。研究表明，这种材料具有优异的热电转换和电化学能量存储等性能。这种方法制得的功能化的二维过渡族金属碳化物纳米片的片层MXene是一种具有纳米层状结构的高电导率陶瓷材料，其表面含有众多的官能团，如：氧官能团、羟基官能团和氟官能团，能够为进一步的化学交联反应提供帮助，同时使得自身具有极强的亲水性能。基于极化和导电损耗机理，MXene能够具有很强的吸波性能，但是目前为止并未有关于MXene复合气凝胶的相关报道出现。制备气凝胶或者泡沫基微波吸收材料被证明是实现轻质化、宽吸收频带和高吸收性能的有效途径。其中，特别是从天然植物获得的纤维素由于其低的密度、高弹性模量和高比表面积而适合于构建多孔网络结构的气凝胶。此外，纤维素的亲水性表面含有大量的羟基，这有利于它们在共价反应中与其它官能团相结合并形成氢键间的交联结构。MXene和纤维素这两种材料的表面性质类似于，表明它们之间有很好的交联能力。
技术实现思路
为了解决MXene无法被制备出气凝胶材料的问题，本专利技术的目的在于提供一种吸波、轻质的MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法，克服传统工艺制备的MXene/树脂吸波材料的高密度、低电导率、低吸波性能和窄吸收的缺点。本专利技术制备的MXene/纤维素复合气凝胶密度低吸收效能高，有效吸收带宽为大，生产效率高，方法简便，易于工业化大规模生产应用。本专利技术的技术方案如下：一种MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法，采用化学刻蚀、纤维素溶胶凝胶、化学交联和定向冷冻干燥一系列步骤制备定向多孔结构的MXene/纤维素复合气凝胶，原料采用MAX相陶瓷粉末、MXene和纤维素；首先，将MAX相陶瓷粉末加入氟化锂、盐酸及氢氟酸的混合水溶液中进行刻蚀得到MXene纳米粉末；然后，采用纤维素溶胶法，将纤维素粉末加入氢氧化钠和尿素的混合水溶液中，降温至零下10～15℃制备得到透明的纤维素混合溶液，并保持该温度，将MXene纳米粉末加入至纤维素混合溶液中；接着，加入化学交联剂充分搅拌进行化学交联，提高温度至25～40℃进行凝胶反应；最后，将凝胶反应的产物进行冷冻干燥处理，得到MXene/纤维素复合气凝胶。所述的MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法，原料MAX相陶瓷粉末的粒度为：20～800纳米或1～50微米，纤维素粉末的粒度为5～100微米。所述的MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法，原料MAX相陶瓷粉末通过化学刻蚀手段制备所需MXene的步骤，化学刻蚀溶液的配方：LiF、HCl、HF和水的摩尔比为n(LiF)：n(HCl)：n(HF)：水＝(1～5):(1～5):1:(10～100)；刻蚀时间为1～40小时，温度为10～250℃，通过刻蚀得到MXene纳米粉末。所述的MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法，采用纤维素溶胶凝胶步骤配置纤维素混合溶液，纤维素混合溶液的配方：纤维素、NaOH、尿素和水的质量比为纤维素：NaOH：尿素：水＝(1～10)：(2～20):(4～30):100。所述的MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法，在化学交联步骤中，化学交联剂为环氧氯丙烷，将化学交联剂和MXene加入到纤维素混合溶液中进行化学交联处理，化学交联剂、MXene和纤维素的质量比为1：(1～30)：(1～3)。所述的MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法，在定向冷冻干燥步骤中，使用液氮辅助冷冻设备对复合凝胶进行定向冷冻，冷冻速率为1～100mm/min。所述的MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法，在定向冷冻干燥步骤中，干燥真空度为0.01～10Pa。所述的MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法，纤维素通过共价交联和氢键作用将MXene互相连接，纤维素和MXene的质量比范围为1：1～10。本专利技术的设计思想是：与现有方法相比，本专利技术使用一种温和的方法，通过采用化学刻蚀、纤维素溶胶凝胶、化学交联和定向冷冻干燥一系列步骤制备具有MXene相互搭接的分层网络结构的纤维素复合气凝胶，这一制备方案将MXene组装成一个3D导电网络。其中，纤维素通过共价交联和氢键作用扮演桥梁的作用，将MXene互相连接，交联剂的加入则进一步增强交联程度和气凝胶的整体强度。借助MXene/纤维素复合气凝胶的高导电性能和低密度的特性，实现轻质、高吸收的特性。本专利技术具有以下优点及有益效果：1.本专利技术采用化学刻蚀、纤维素溶胶凝胶、化学交联和定向冷冻干燥一系列步骤方法成功地制备具有交联网络结构的MXene/纤维素的复合气凝胶。2.本专利技术气凝胶复合材料的层级多孔结构提供更多的多重反射效应，有效衰减进入材料内部的电磁波，同时也增强MXene网络的电导率，进一步增强该材料的导电损耗，增强电磁波的吸收性能。3.本专利技术气凝胶复合材料具有典型的低密度(0.1～0.3g/cm3)，具有优异的最小反射损耗，吸波性能达到-40dB以上，有效吸收带大于5GHz。4.本专利技术轻质、高电磁波吸收性能的气凝胶复合材料是航空应用的理想材料。附图说明图1为实施例1中Ti3AlC2粉末的电子扫描照片。图2为实施例1中化学刻蚀得到的Ti3C2粉末的电子扫描照片。图3为实施例1中Ti3C2/纤维素复合气凝胶的数字照片和XCT照片。图中，(a)为Ti3C2/纤维素复合气凝胶的数字照片，(b)为Ti3C2/纤维素复合气凝胶的XCT照片，(c)为(a)的横截面(cross-section)组织形貌，(d)为(b)的纵截面(longitudinalsection)组织形貌。图4为实施例1中Ti3C2/纤维素复合气凝胶的电子扫描照片。图5为实施例1中Ti3C2/纤维素复合气凝胶的电磁波吸收性能图片。图中，横坐标Frequency代表电磁波吸收频率(GHz)，纵坐标RL代表电磁波吸收强度(dB)。具体实施方式在具体实施过程中，本专利技术方法可应用于微米和纳米尺寸MXene粉末及其它MXene粉末/纤维素材料体系，具体以一种MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法说明。首先将MAX相陶瓷粉末加入一定比例调配的氟化锂、盐酸及氢氟酸的混合水溶液中进行刻蚀得到MXene纳米粉末。采用纤维素溶胶法，将纤维素粉末加入一定比例的氢氧化钠和尿素的混合水溶液中，降温至零下12℃制备得到透明的纤维素混合溶液，保持该温度，将MXene纳米粉末加入至纤维素混合溶液中，然后加入适量环氧氯丙烷充分搅拌进行化学交联，提高温度，将所得到的均匀混合物进行凝胶反应。将凝胶产物进行定向冷冻，再经过冷冻干燥处理得到MXene/纤维素复合气凝胶。下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明，但不限定本专利技术。实施例1本实施例中，MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法如下：1.通过化学刻蚀品本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法，其特征在于，采用化学刻蚀、纤维素溶胶凝胶、化学交联和定向冷冻干燥一系列步骤制备定向多孔结构的MXene/纤维素复合气凝胶，原料采用MAX相陶瓷粉末、MXene和纤维素；首先，将MAX相陶瓷粉末加入氟化锂、盐酸及氢氟酸的混合水溶液中进行刻蚀得到MXene纳米粉末；然后，采用纤维素溶胶法，将纤维素粉末加入氢氧化钠和尿素的混合水溶液中，降温至零下10～15℃制备得到透明的纤维素混合溶液，并保持该温度，将MXene纳米粉末加入至纤维素混合溶液中；接着，加入化学交联剂充分搅拌进行化学交联，提高温度至25～40℃进行凝胶反应；最后，将凝胶反应的产物进行冷冻干燥处理，得到MXene/纤维素复合气凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法，其特征在于，采用化学刻蚀、纤维素溶胶凝胶、化学交联和定向冷冻干燥一系列步骤制备定向多孔结构的MXene/纤维素复合气凝胶，原料采用MAX相陶瓷粉末、MXene和纤维素；首先，将MAX相陶瓷粉末加入氟化锂、盐酸及氢氟酸的混合水溶液中进行刻蚀得到MXene纳米粉末；然后，采用纤维素溶胶法，将纤维素粉末加入氢氧化钠和尿素的混合水溶液中，降温至零下10～15℃制备得到透明的纤维素混合溶液，并保持该温度，将MXene纳米粉末加入至纤维素混合溶液中；接着，加入化学交联剂充分搅拌进行化学交联，提高温度至25～40℃进行凝胶反应；最后，将凝胶反应的产物进行冷冻干燥处理，得到MXene/纤维素复合气凝胶。2.根据权利要求1所述的MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法，其特征在于，原料MAX相陶瓷粉末的粒度为：20～800纳米或1～50微米，纤维素粉末的粒度为5～100微米。3.根据权利要求2所述的MXene/纤维素复合气凝胶的制备方法，其特征在于，原料MAX相陶瓷粉末通过化学刻蚀手段制备所需MXene的步骤，化学刻蚀溶液的配方：LiF、HCl、HF和水的摩尔比为n(LiF)：n(HCl)：n(HF)：水＝(1～5):(1～5):1:(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨锐，谢曦，崔玉友，柏春光，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21