CN107801367A - 一种疏水多孔聚合物导电材料、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种疏水多孔聚合物导电材料的制备方法，包括：惰性气氛下，高温炭化生物基材料得到多孔碳基骨架；将所述多孔碳基骨架紧密平铺于粗糙结构模版上，且利用疏水性聚合物溶液浸润所述多孔碳基骨架后进行微相分离、干燥、剥离处理，得到疏水多孔聚合物导电材料。该制备方法简单、方便操作，且制备得到的疏水多孔聚合物导电材料质轻、疏水性优和屏蔽性高，广泛应用于电磁屏蔽领域。

Description

一种疏水多孔聚合物导电材料、制备方法及应用
技术领域
本发明属于电磁屏蔽材料领域，具体涉及一种疏水多孔聚合物导电材料、制备方法及应用。
背景技术
由于电磁设备的广泛应用，电磁污染日益激烈，有害的电磁波不仅使电子器件的正常功能受到干扰甚至会引起故障，同时对人体健康也有不利的影响，因此开发电磁屏蔽材料已成为必要。
传统的电磁屏蔽材料多为金属基屏蔽材料，如将Ni、Ag、Fe等金属或者金属氧化物分散在聚氨酯、聚碳酸酯等基体材料中得到的。金属基电磁屏蔽材料具有电导率高、力学性能优异等优点，其电磁屏蔽主要依赖于表面的反射，但金属基屏蔽材料具有密度高、加工困难而且易腐蚀等等缺点，因此在生活应用方面有很大局限性，尤其是在于航空和移动电子应用中，质轻尤为重要。
现在将纳米碳材料作为电磁屏蔽材料，如石墨烯和碳纳米管不仅具有较低的密度、较大的比表面积，还具有较高的电导率或较大的长径比，因此将石墨烯或者碳纳米管分散于聚氨酯、聚偏氟乙烯基体中即可得到含有纳米碳材料的聚合物导电材料。含有纳米碳材料的聚合物导电材料具有质轻、易加工、耐化学腐蚀和宽频吸波等优点，其在用于电磁屏蔽方面有其独特的优势，故含有纳米碳材料的聚合物导电材料现已是金属基屏蔽材料的替代品，已广泛用于研究电磁屏蔽应用，但其制备方法较繁琐、不够简便。
发明内容
为解决现有电磁屏蔽材料因水污染或者酸雨的腐蚀导致电磁屏蔽效果下降问题，本发明提供了一种疏水多孔聚合物导电材料、制备方法及应用。本发明将采用具有疏水性的聚合物溶液浸润炭烧后的生物基材料，通过一步法制备得到疏水多孔聚合物导电材料，该制备方法简单、方便操作，且制备得到的疏水多孔聚合物导电材料质轻、疏水性优和屏蔽性高，广泛应用于电磁屏蔽领域。
本发明的第一实施方式提供一种疏水多孔聚合物导电材料的制备方法，包括以下步骤：
惰性气氛下，高温炭化生物基材料得到多孔碳基骨架；
将所述多孔碳基骨架紧密平铺于粗糙结构模版上，且利用疏水性聚合物溶液浸润所述多孔碳基骨架后进行微相分离、干燥、剥离处理，得到疏水多孔聚合物导电材料。
作为优选，所述惰性气氛为氦气、氩气、高纯氮气等中至少一种，惰性气氛下，生物基材料可以在高温下充分碳化，避免和氧气接触而氧化。
作为优选，所述生物基材料为木头、棉花、丝瓜、面扑、化妆棉、面包中至少一种。这些生物基材料成本低，且在耐受高温炭烧以后可以得到类似于石墨烯的物质，具有很高的电磁屏蔽效能。
疏水多孔聚合物导电材料的厚度会影响聚合物导电材料的电磁屏蔽性能，一般来说，同一条件下，聚合物导电材料越厚，聚合物导电材料的电导率越高，电磁屏蔽效能越好。作为优选，所述疏水多孔聚合物导电材料厚度为1～10mm。
碳化温度的选择直接影响疏水多孔聚合物导电材料屏蔽效果。温度太高，生物基材料将被烧成灰，不能得到完整的多孔碳基骨架，进而屏蔽效果较低，温度太低，生物基材料又不能得到很好地碳化，也会导致屏蔽效果较低，因此，本发明优选碳化温度为300～3000℃。且碳化温度依赖于生物基材料，不同的生物基材料因其所含的碳含量不同所需的碳化温度也不尽相同，但是对于某一固定生物基材料，在一定碳化温度范围内，随着碳化温度的升高，碳化后得到的多孔碳基骨架的质量越高，相应地，最终得到的疏水多孔聚合物导电材料的屏蔽效果也会越优。
在惰性气氛中，将生物基材料置于炉子中，匀速升温炉子到碳化温度，完成高温碳化过程。
模版的粗糙度会直接影响疏水多孔聚合物导电材料的疏水性，粗糙度越高，疏水性聚合物溶液与粗糙结构模版的接触角越大，进而提高最终聚合物导电材料的疏水性；粗糙度越低，疏水性聚合物溶液与粗糙结构模版的接触角越小，进而会降低最终聚合物导电材料的疏水性。因此，作为优选，所述粗糙结构可以为沟槽、纹路、砂纹等，以增大聚合物导电材料表面粗糙度。进一步优选，所述粗糙结构模版为砂纸、带有纹路的铁片、磨砂塑料片、木片、荷叶、粗布、无纺布或蝉类昆虫翅。
作为优选，在疏水性聚合物溶液中，聚合物基体为聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、三氟甲烷中的至少一种，溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、磷酸三乙酯、N-甲基吡咯烷酮中至少一中。
作为优选，所述疏水性聚合物溶液浓度为10～50wt.％。随着聚合物溶液浓度的增大，疏水性能呈现先增大后减小的趋势，进一步优选，所述疏水性聚合物溶液浓度为10wt.％～20wt.％。
在浸润的过程中，多孔碳基骨架内外均涂覆有疏水基质，在赋予多孔聚合物导电材料疏水性的同时，还能够弥补多孔碳基骨架强度低的缺陷，提升最终材料的强度。
作为优选，对浸润后的多孔碳基骨架于一定湿度的空气中或非溶剂中进行微相分离。所述空气的湿度为20～99％，非溶剂为甲醇、乙醇中至少一种。微相分离是利用水或非溶剂置换聚合物溶液中的溶剂，以得到具有三维网络结构的聚合物导电材料。
本发明的第二实施方式提供了一种由第一实施方式提供的制备方法制备得到的疏水多孔聚合物导电材料。
作为优选，所述疏水多孔聚合物导电材料为片状，且第一表面的接触角为130～160°，具有超疏水性；第二表面的接触角为100～130°，具有疏水性。
本发明的第三实施方式提供了一种第二实施方式提供的疏水多孔聚合物导电材料在电磁屏蔽领域的应用。
当所述疏水多孔聚合物导电材料应用到电磁屏蔽领域时，因该材料类似于石墨烯，具有很高的电磁屏蔽效能，且因聚合物导电材料具有超高疏水性，能够在屏蔽电磁的同时起到自清洁作用，有效地解决因水污染或者酸雨的腐蚀导致电磁屏蔽效果下降问题。
附图说明
图1是实施例1制备得到的聚合物导电材料的微观形貌图，其中，(a)为贴近粗糙结构模版面微观形貌图，(b)为蒸发面微观形貌图；图中白色虚线处为粗糙模版构造的沟槽。
图2是实施例1制备得到的疏水多孔聚合物导电材料断面处的电镜图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
首先，将丝瓜丝压平，切成10cm×10cm×2cm块状，置于石墨板上，放在炉子中炭烧到500℃，并将炭烧后得到的多孔碳基骨架铺在砂纸上；然后，将1g聚偏氟乙烯溶于10mL N,N-二甲基甲酰胺中，在80℃下机械搅拌2h，至完全溶解得到均匀的聚合物溶液；接下来，将聚合物溶液涂覆于多孔碳基骨架上，保证多孔碳基骨架紧贴在砂纸上，且被聚合物溶液浸润10min后，将多孔碳基骨架置于常温下进行水蒸气微相分离，最后放入80℃烘箱中烘6h，得到厚度为2mm的聚合物导电材料。
图1所示本实施例制备得到的聚合物导电材料的表面微观形貌图，其中，(a)为贴近粗糙结构模版面微观形貌图，(b)为蒸发面微观形貌图。通过对比图1(a)和图1(b)可知，聚合物导电材料贴近砂纸面的粗糙度明显高于蒸发面，且测得贴近砂纸面的静态水接触角为146.1±2°，蒸发面静态水接触角为137.8±2°，该材料表现出优异的超疏水性。图2所示本实施例制备得到的疏水多孔聚合物导电材料的断面微观形貌图。分析图2可得，该导电材料内部是由三维网络结构构成。
本实施例制备的聚合物导电材料对U波段电磁屏蔽效能为30.1dB到41.9dB之间变换，该电磁屏蔽效能相比于现有的电磁屏蔽效能提高了5dB～10dB。
实施例2
本实施例的制备方法与实施例1的制备方法基本相同，不同的是将丝瓜炭烧到1000℃。
经测试，本实施例制备得到的聚合物导电材料贴近砂纸面的静态水接触角为148.2±2°，蒸发面静态水接触角为134.1±2°，该材料表现出优异的超疏水性。该聚合物导电材料对U波段电磁屏蔽效能为34.6dB到43.8dB之间变换。
实施例3
本实施例的制备方法与实施例1的制备方法基本相同，不同的是将丝瓜炭烧到1500℃。
经测试，本实施例制备得到的聚合物导电材料贴近砂纸面的静态水接触角为148.7±2°，蒸发面静态水接触角为135.2±2°，该材料表现出优异的超疏水性。该聚合物导电材料对U波段电磁屏蔽效能为37.2dB到46.7dB之间变换。
实施例4
本实施例的制备方法与实施例1的制备方法基本相同，不同的是将丝瓜炭烧到2000℃。
经测试，本实施例制备得到的聚合物导电材料贴近砂纸面的静态水接触角为148.5±2°，蒸发面静态水接触角为135.7±2°，该材料表现出优异的超疏水性。该聚合物导电材料对U波段电磁屏蔽效能为39.2dB到49.4dB之间变换。
实施例5
本实施例的制备方法与实施例3的制备方法基本相同，不同的是将砂纸替换成木片。
经测试，本实施例制备得到的聚合物导电材料贴近木片面的静态水接触角为149.3±2°，蒸发面静态水接触角为131.3±2°，该材料表现出优异的超疏水性。该聚合物导电材料对U波段电磁屏蔽效能为35.7dB到43.9dB之间变换。
实施例6
本实施例的制备方法与实施例3的制备方法基本相同，不同的是将砂纸替换成磨砂塑料片。
经测试，本实施例制备得到的聚合物导电材料贴近磨砂塑料面的静态水接触角为151.3±2°，蒸发面静态水接触角为136.4±2°，该材料表现出优异的超疏水性。该聚合物导电材料对U波段电磁屏蔽效能为36.2dB到42.1dB之间变换。
实施例7
本实施例的制备方法与实施例3的制备方法基本相同，不同的是得到厚度为4mm的聚合物导电材料。
经测试，本实施例制备得到的聚合物导电材料贴近砂纸面的静态水接触角为154.3±2°，蒸发面静态水接触角为140.2±2°，该材料表现出优异的超疏水性。该聚合物导电材料对U波段电磁屏蔽效能为42.7dB到55.6dB之间变换。
实施例8
本实施例的制备方法与实施例3的制备方法基本相同，不同的是将1g聚偏氟乙烯溶于44mL N,N-二甲基甲酰胺中，在80℃下机械搅拌2h，至完全溶解得到均匀的聚合物溶液。
经测试，本实施例制备得到的聚合物导电材料贴近砂纸面的静态水接触角为153.3±2°，蒸发面静态水接触角为140.4±2°，该材料表现出优异的超疏水性。该聚合物导电材料对U波段电磁屏蔽效能为30.6dB到43.3dB之间变换。
实施例9
本实施例的制备方法与实施例1的制备方法基本相同，不同的是将11g聚二甲基硅氧烷溶于16.5mL正庚烷中中，在80℃下机械搅拌2h，至完全溶解得到均匀的聚合物溶液。
经测试，本实施例制备得到的聚合物导电材料贴近荷叶面的静态水接触角为156.6±2°，蒸发面静态水接触角为142.2±2°，该材料表现出优异的超疏水性。该聚合物导电材料对U波段电磁屏蔽效能为39.4dB到45.8dB之间变换。
以上实施例的水接触角数据均测量13次得到平均值。
实施例1～4表明随着炭烧温度的增大，其静态水接触角变化在误差范围之内。接触粗糙模版一面的接触角大于蒸发面的接触角，其原因是模版表面比较作粗糙，制造了表面的沟槽，增大了粗糙度，所以静态水接触角会较大。电磁屏蔽性能会增大，是因为碳化温度越高，样品表面的含氧基团会减少，电磁屏蔽性能好越好。
实施例3,5,6表明粗糙结构模板的粗糙程度会对导电材料的疏水性带来很大的影响，随着粗糙程度的增加，接触粗糙模版一面的接触角逐渐增大，导致导电材料的疏水性逐渐提高。
实施例3,7表明导电材料的厚度也会影响电磁屏蔽性能，聚合物导电材料越厚，聚合物导电材料的电导率越高，电磁屏蔽效能越好。
实施例3,8表明疏水性聚合物溶液浓度会影响导电材料的疏水性能。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种疏水多孔聚合物导电材料的制备方法，包括以下步骤：
惰性气氛下，高温炭化生物基材料得到多孔碳基骨架；
将所述多孔碳基骨架紧密平铺于粗糙结构模版上，且利用疏水性聚合物溶液浸润所述多孔碳基骨架后进行微相分离、干燥、剥离处理，得到疏水多孔聚合物导电材料。
2.如权利要求1所述的疏水多孔聚合物导电材料的制备方法，其特征在于，所述生物基材料为木头、棉花、丝瓜、面扑、化妆棉、面包中至少一种。
3.如权利要求1所述的疏水多孔聚合物导电材料的制备方法，其特征在于，所述炭化温度为300～3000℃。
4.如权利要求1所述的疏水多孔聚合物导电材料的制备方法，其特征在于，所述粗糙结构模版为砂纸、带有纹路的铁片、磨砂塑料片、木片、荷叶、粗布、无纺布或蝉类昆虫翅。
5.如权利要求1所述的疏水多孔聚合物导电材料的制备方法，其特征在于，在疏水性聚合物溶液中，聚合物基体为聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、三氟甲烷中的至少一种，溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、磷酸三乙酯、N-甲基吡咯烷酮中至少一中。
6.如权利要求1所述的疏水多孔聚合物导电材料的制备方法，其特征在于，所述疏水性聚合物溶液浓度为10～50wt.％。
7.如权利要求1所述的疏水多孔聚合物导电材料的制备方法，其特征在于，对浸润后的多孔碳基骨架于一定湿度的空气中或非溶剂中进行微相分离，所述空气的湿度为20～99％，非溶剂为甲醇、乙醇中至少一种。
8.一种权利要求1～7任一所述的制备方法制备得到的疏水多孔聚合物导电材料。
9.如权利要求8所述的疏水多孔聚合物导电材料，其特征在于，所述疏水多孔聚合物导电材料厚度为1～10mm。
10.一种如权利要求9所述的疏水多孔聚合物导电材料在电磁屏蔽领域的应用。
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