一种基于二维碳化钛（MXene）与芳纶纤维复合的柔性电磁屏蔽材料的制备方法技术

本发明专利技术提出了一种在传统芳纶纤维表面使用多巴胺进行化学改性，然后枝接二维碳化钛(MXene)薄片的制备方法，使得改性芳纶纤维在保持柔性的同时，具有良好的导电性能和优异的电磁屏蔽效能，在X波段(8.2GHz～12.4GHz)的电磁屏蔽效能最高可超过85dB。本发明专利技术制备方法包括：将清洗后的芳纶纤维浸泡于盐酸多巴胺溶液中，加入MXene分散液，调节体系pH，使得多巴胺在芳纶纤维和MXene薄片表面发生成核及自聚合反应，在此聚合过程中，MXene薄片将被丝状聚多巴胺固定于芳纶纤维表面。该方法工艺简单，枝接上的MXene薄片均匀分布、不易脱落，不需要有毒溶剂的参与，也不排放有毒气/液体，所产生废液调整pH后即可直接排放，节能环保。节能环保。节能环保。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维碳化钛(MXene)与芳纶纤维复合的柔性电磁屏蔽材料的制备方法


[0001]本专利技术属功能性芳纶纤维材料的新工艺开发领域，涉及一种具有柔性电磁屏蔽效能的芳纶
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MXene复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]现代科学技术发展日新月异，随着电子与通讯设备高功率化、高密度化和高集成化技术的迅猛发展，电磁波在电子、电气设备、通讯设备等领域之中的应用随处可见。而电磁波在应用过程中，容易对附近电子仪器、精密仪表、通讯信号等产生严重的干扰，尤其是随着第五代(5G)和第六代(6G)通讯技术的快速发展和广泛应用，相关领域对电磁屏蔽材料提出了更高的要求。除此之外，电磁辐射、电磁干扰和信息泄露等问题更是限制了航空航天、军事工程、通信、人工智能和柔性可穿戴电子设备等领域的发展。为了保障精密电子元器件的运行可靠性和信息安全性，减少甚至防止电磁波的干扰，现代科学技术中最有效地方式就是运用电磁屏蔽材料进行电磁防护。
[0003]电磁屏蔽主要使用电磁屏蔽材料对电磁波进行反射，电磁屏蔽材料通常选择高电导率和高磁导率材料。传统的电磁屏蔽材料包括金属、合金等，因其高电导率和高电磁屏蔽效能而被广泛应用于电磁屏蔽材料，但其具有密度高、柔韧性低、不耐腐蚀、不耐弯折疲劳等缺点，使用笨重、的问题，严重限制了电磁屏蔽材料进一步应用及发展。近几年由聚合物基体和导电填料(如石墨烯、多壁碳纳米管、金属纳米颗粒与纳米线及其杂化物)组成的聚合物基导电复合材料具有轻质、耐化学腐蚀、易加工成型和屏蔽性能稳定等优势，但存在电导率低、电磁屏蔽效能差等缺点。由于聚合物基导电复合材料具有非常低的电导率，通常需要高填料含量和大厚度才能获得理想的电磁屏蔽性能，从而导致其机械性能(尤其是柔韧性和强度)和可加工性下降，较高的厚度也带来笨重的劣势，甚至不及传统金属屏蔽材料。
[0004]芳纶是人工合成的芳香族聚酰胺纤维，全称为“聚苯二甲酰苯二胺”，作为一种刚性分子，具有较高的分子对称性，结晶度和玻璃化温度，这些结构特点赋予其高比强度、高比模量、耐疲劳等优异性能，同时具有重量轻，永久阻燃、耐有机溶剂、耐高温等优异性能，已广泛用于航天航空、交通运输、通讯、高温绝缘、防弹防护等多个国防和民用领域，集军事价值与经济价值于一身，是我国关键战略材料品种之一。芳纶分为全芳香族聚酰胺纤维和杂环芳香族聚酰胺纤维两大类。全芳香族聚酰胺纤维中已经实现工业化的纤维，主要是对位芳纶(PPTA)和间位芳纶(PMIA)。
[0005]MXene是一类新型二维(2D)过渡金属碳化物和/或氮化物纳米材料，由于其优异的金属导电性、亲水性以及与聚合物之间良好的界面相互作用，MXene被广泛用于储能、应变传感、电加热、吸波(MA)和电磁屏蔽等领域。然而，虽然MXene基电磁屏蔽材料具有高电导率和高电磁屏蔽效能，但其极差的柔韧性和力学性能限制了该材料在航空航天、军事工程、人工智能和柔性可穿戴电子设备等领域的应用。
[0006]多巴胺含有氨基的邻苯二酚，是脑内分泌的儿茶胺酚类神经递质，也是制备生物
医用材料的原料。近二十年来，多巴胺及其类似物在材料领域得到了广泛应用。2007年，Messersmith发现多巴胺(DA)在弱碱性条件(pH 8.5)下接触空气时，可在几乎任何固体表面聚合并形成聚多巴胺(PDA)纳米薄膜。从而打开了聚多巴胺表面修饰纳米材料的大门。由于聚多巴胺实际上是不溶性的交联高分子，研究手段相对较少，其高分子结构一直不是很清楚。但是经过多年的研究，多巴胺在一定条件下可以发生氧化自聚合的机理已经日渐清晰：多巴胺能环化形成吲哚，继而通过分子间聚合化和苯基的π
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π堆叠自组装从而实现连续自聚合反应。因此，在本专利中，利用多巴胺自聚合的特性将纤维材料表面改性，实现新功能。
[0007]将MXene和芳纶纤维混合制备的复合材料已有公开专利技术专利，如通过热压制成复合材料，其工艺简单却有诸多缺点，如芳纶织物有非常大的孔隙率，因此在机械压缩中芳纶纤维与Mxene无法实现均匀的结合；通过热压融化纤维，会严重影响织物的柔韧性；MXene与芳纶的结合纯靠范德华力，因而结合力不强，非常容易在水洗、弯折或其它外力作用下剥落而使得电磁屏蔽性能下降。另外，公开专利技术专利中芳纶纤维分散后再与银纳米线以及MXene材料热压结合的制备方法只能获得芳纶纸而无法进行进一步加工制成柔性电磁屏蔽材料。
[0008]因此，本专利技术创造性地利用多巴胺高粘，并且在碱性条件下自聚合的特性，将MXene材料均匀的附着在芳纶纤维表面。将芳纶纤维的柔性及优异的力学性能、MXene材料的高电磁屏蔽效能相结合，可简单有效地制备兼具超柔性、高强且宽频高电磁屏蔽效能的芳纶
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MXene电磁屏蔽材料。

技术实现思路

[0009]针对现有传统的金属电磁屏蔽材料及聚合物基导电填料复合材料存在的问题，本专利技术提供了一种基于二维碳化钛(MXene)与芳纶纤维复合的柔性电磁屏蔽材料的制备方法，简单有效地制备兼具超柔性、高强且宽频高电磁屏蔽效能的芳纶
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MXene电磁屏蔽材料，可进一步加工制成不同形态的柔性电磁屏蔽制品，广泛应用航空航天、军事工程、人工智能和柔性可穿戴电子设备等领域。
[0010]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0011]本专利技术提供了一种基于二维碳化钛(MXene)与芳纶纤维复合的柔性电磁屏蔽材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012]步骤一：制得稳定的二维碳化钛薄片分散液；
[0013]步骤二：清洗芳纶纤维；
[0014]步骤三：在水中溶解盐酸多巴胺粉末制得一定浓度的盐酸多巴胺溶液；
[0015]步骤四：在多巴胺溶液中加入清洗之后的芳纶纤维以及二维碳化钛薄片分散液；
[0016]步骤五：加入pH缓冲液，调整体系pH值，使得多巴胺通过自由基聚合形成线型高分子，最终使得芳纶纤维枝接上二维碳化钛(MXene)薄片；
[0017]步骤六：清洗芳纶纤维，烘干制成芳纶
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MXene复合材料。
[0018]作为优选的技术方案：
[0019]如上所述的方法，步骤一中，钛碳化铝粉末在混酸溶液中剧烈搅拌发生反应，离心取出沉淀物；沉淀物中加入去离子水后再离心，洗净酸液：洗净酸液操作需重复五次以上，直至pH值在6至7之间；沉淀物中加入浓度为20％的氯化锂水溶液，在冰水浴条件下剧烈搅
拌，多次离心使得pH大于6，离心取上层清液，分离出二维碳化钛薄片分散水溶液。其中，混酸溶液为12M的盐酸、49％浓度的氢氟酸、去离子水的混合溶液，12M的盐酸、49％浓度的氢氟酸、去离子水的体积比为(3～8)：(1～4)：1，钛碳化铝粉末、混酸溶液、氯化锂水溶液的比例为1g：100～200mL：500～1000mL。
[0020]如上所述的方法，步骤二中，芳纶纤维为对位芳纶、间位芳纶或者杂环芳纶；清洗方法为将芳纶纤维分别用丙酮、去离子水、异丙醇超声清洗，并烘干。
[0021]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维碳化钛(MXene)与芳纶纤维复合的柔性电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于：以芳纶纤维为原料进行化学改性，枝接二维碳化钛(MXene)薄片，包括如下步骤：步骤一：制得稳定的二维碳化钛薄片分散液；步骤二：清洗芳纶纤维；步骤三：在水中溶解盐酸多巴胺粉末制得一定浓度的盐酸多巴胺溶液；步骤四：在多巴胺溶液中加入清洗之后的芳纶纤维以及二维碳化钛薄片分散液；步骤五：加入pH缓冲液，调整体系pH值，使得多巴胺通过自由基聚合形成线型高分子，最终使得芳纶纤维枝接上二维碳化钛(MXene)薄片；步骤六：清洗芳纶纤维，烘干制成芳纶
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MXene复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤一中，钛碳化铝粉末在混酸溶液中剧烈搅拌发生反应，离心取出沉淀物；沉淀物中加入去离子水后再离心，洗净酸液；沉淀物中加入氯化锂水溶液，在冰水浴条件下剧烈搅拌，最后多次离心使得pH大于6，取上层清液，分离出二维碳化钛薄片分散水溶液。3.根据权利要求2所述的制备方法，二维碳化钛薄片分散水溶液不得进行干燥或蒸馏，会造成碳化钛薄片团聚，无法再次分散，正确做法为取少量二维碳化钛水溶液干燥后称量，计算浓度，根据实际浓度进行离心浓缩或者加入去离子水稀释，二维碳化钛薄片分散液的浓度为1～5mg/mL。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，混酸溶液为12M的盐酸、49％浓度的氢氟酸、去离子水的混合溶液，12M的盐酸、49％浓度的氢氟酸、去离子水的体积比为(3～8)∶(1～4)∶1，氯化锂水溶液的浓度为20％，钛碳化铝粉末、混酸溶液、氯化锂水溶液的比例为1g∶100～200mL∶500～1000mL。5.根据权利要求2所述的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：高欢，王茜璇，赵润，
申请(专利权)人：江苏新视界先进功能纤维创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：