CN110258105B - 多功能复合织物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能复合织物及其制备方法。所述方法先对商用聚丙烯织物进行氧气等离子亲水改性处理，再在其表面化学镀上一层银层，然后通过喷涂，在镀银的织物表面喷涂Fe3O4和PDMS的混合分散液，最终固化得到多功能复合织物。本发明的多功能复合织物具有优异的电磁屏蔽效能、超疏水性、电热和光热响应，能够应用于极端环境下的电磁屏蔽服、智能响应织物、光热转换、电热转换或柔性可穿戴器件领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种多功能复合织物及其制备方法，属于功能高分子材料制备技术领域。
背景技术
5G时代逐步临近，高频率的引入、硬件零部件的升级以及联网设备及天线数量的成倍增长，设备与设备之间及设备本身内部的电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)无处不在。电磁干扰和电磁辐射对电子设备和人类的危害也日益严重。
传统的金属基材料以其优良的导电性被广泛应用于电磁干扰屏蔽中，但是由于其密度大、耐腐蚀性差、柔韧性差等缺点，限制了进一步应用。与传统金属基材料相比，导电高分子复合材料(Conductive Polymer Composites，CPC)具有重量轻、柔韧性好、加工性能好等独特的性能，其中尤以导电高分子复合织物在电磁屏蔽方面受到广泛关注。
现有的电磁屏蔽的高分子复合织物主要通过调控材料的结构和导电填料的种类与用量来提高其电磁屏蔽性能，其仍以反射为主，然而极高的反射占比易导致电磁波的二次污染，即反射的电磁波仍然会影响电子器件和人体，并且应用范围受限。文献1通过对锦纶织物进行多巴胺表面改性，采用化学镀银方法制备出高性能的电磁屏蔽织物，其电磁屏蔽效能最高可达到76.7dB(朱丽丽.镀银织物的制备及其电磁屏蔽性能研究[D].天津工业大学,2017.)。该方法虽然取得了良好的效果，但是仍然忽视了电磁屏蔽材料受环境影响的应用问题。当导电磁屏蔽织物被应用于较为潮湿的环境时，水汽将会侵入材料内部，大幅影响电磁屏蔽织物的电导率进而影响其电磁屏蔽效能；又如当电磁屏蔽织物应用在一些较为低温的环境时(-20℃)，高分子基体会变得硬而脆，大大影响其日常使用，这些缺点极大地限制了导电高分子复合织物类电磁屏蔽材料的应用范围。文献2通过在商用针织织物上滴涂银纳米线分散液后，超疏水化处理制得耐用的超疏水电磁屏蔽织物，电磁屏蔽性能可达到51.5dB，多次水中超声处理，酸液浸泡，弯折和拉伸后仍然能保持优秀的电磁屏蔽效能(Jia,L.C.；et al.Robustly Superhydrophobic Conductive Textile for EfficientElectromagnetic Interference Shielding.ACS ApplMater Interfaces 2019,11,1680-1688.)，通过该方法可以使电磁屏蔽材料在潮湿环境下正常工作，但是仍然无法克服在极寒环境下(环境温度低于玻璃化转变温度)用作电磁屏蔽CPC的高分子基体变脆的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种具有电磁屏蔽、多重热响应的超疏水多功能复合织物及其制备方法。
实现本发明目的的技术方案如下：
多功能复合织物的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将聚丙烯(PP)织物进行O2等离子处理，得到表面改性的PP织物；
步骤2，将表面改性的PP织物浸泡在三氟乙酸银(STA)的乙醇溶液中，浸泡完全后，取出干燥，加入水合肼进行还原，干燥，得到表面镀银的PP织物；
步骤3，用浓度均为0.5wt.％～1.0wt.％的四氧化三铁(Fe3O4)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)的混合分散液对表面镀银的PP织物进行表面喷涂，80±10℃下固化，得到多功能复合织物材料。
优选地，步骤1中，所述的O2等离子处理时间为10～20分钟。O2等离子处理后的织物表面富有丰富的亲水基团，易与三氟乙酸银结合，将水合肼还原后Ag纳米粒子牢固地固定在纤维表面。
优选地，步骤2中，所述的三氟乙酸银的乙醇溶液的质量分数为20wt.％～25wt.％，该浓度范围制得的复合织物的电磁屏蔽效能较好。
优选地，步骤2中，所述的浸泡时间为10～50min。
优选地，步骤3中，所述的喷涂压力为50～70kPa，喷涂距离为20～30cm，单次喷涂时间为3～8s，喷涂次数为1～7次，通过调控喷涂次数控制复合织物的性能。
本发明还提供上述制备方法制得的多功能复合织物。
进一步地，本发明提供上述多功能复合织物作为电磁屏蔽材料，电热转换材料或光热转换材料的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明制备工艺简单，反应条件温和可控，能耗低，无污染，适于大规模制造；
(2)本发明制备的多功能复合织物电导率最高可达到160S/cm，具有65～70dB的电磁屏蔽效能，超疏水性能优秀，接触角可至151°，在0.6V负载电压和0.6W/cm2的能量密度下便可升温至60℃，具有优异的电热与光热转换性能；
(3)本发明制备的多功能复合织物适用于极端环境，通过多功能复合织物施加外部电压和/或光照，所述多功能织物便可升高温度，在极端寒冷环境便可提供一定热量，实现电热光热除冰，维持体温，同时兼具有电磁屏蔽功能。能够应用于极端环境下的电磁屏蔽服、智能响应织物、光热转换、电热转换或柔性可穿戴器件领域。
附图说明
图1为多功能复合织物的制备流程示意图。
图2a为未喷涂前的浸泡25wt.％STA的镀银织物的扫面电镜图；图2b、2c、2d分别为喷涂次数为1次、3次、5次的多功能复合织物表面的扫描电镜图；图2e为实施例6制备的多功能复合织物的扫描电镜图。
图3为浸泡25wt.％STA的多功能复合织物的接触角与不同喷涂次数的变化关系图。
图4a为浸泡25wt.％STA的多功能复合织物的电磁屏蔽效能与喷涂次数之间的关系图；图4b为多功能复合织物的吸收系数与喷涂次数之间的关系图。
图5为实施例3的多功能复合织物在施加0.2V、0.4V、0.6V和0.8V的电压时的温度-时间的关系图。
图6为实施例3的多功能复合织物在0.6W/cm2的能量密度的光照下多次光照-冷却循环下的温度-时间的关系图。
图7为实施例6制备的多功能复合织物的接触角。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步描述。
实施例1
(1)对商用聚丙烯无纺布进行O2气氛的等离子处理10分钟后待用。称取三氟乙酸银溶于乙醇制成25wt.％的STA溶液。将上述表面改性的PP无纺布浸泡于25wt.％的STA溶液中40分钟，取出干燥后用水合肼还原30分钟，用去离子水反复冲洗多次后，60℃下烘干，获得表面镀银的PP织物。制备过程如图1所示，制得的多功能复合织物的微观形态用扫描电子显微镜观察如图2a。
(2)测试：接触角测试，利用OCA20接触角测量仪测试镀银的PP织物的接触角，将5μL蒸馏水滴滴于织物表面，为保证结果的准确性，测试5次，取平均值，测试结果见图3；电磁屏蔽测试，将织物制成直径为13mm的小圆片，利用安捷伦N5230矢量网络分析仪测试镀银织物的S11和S21，并通过公式计算其电磁屏蔽效能，电磁屏蔽测试结果见图4a，吸收系数结果见图4b。
R＝|Sl1|2
T＝|S2l|2
A+R十T＝l
SEtotal (dB)＝-10 log(Pout/Pin)＝10 log T
SEreflection (dB)＝-10 log(1-R)
SEabsorption (dB)＝SEtotal -SEreflection，
其中A，R和T分别是吸收，反射和透射系数。Pout和Pin分别是传输和入射功率。SEtotal，SEreflection和SEabsorption分别是总屏蔽效能，反射效能和吸收效能。
实施例2
(1)对商用聚丙烯无纺布进行O2气氛的等离子处理10分钟后待用。称取三氟乙酸银溶于乙醇制成25wt.％的STA溶液。将上述表面改性的PP无纺布浸泡于25wt.％的STA溶液中40分钟，取出干燥后用水合肼还原30分钟，用去离子水反复冲洗多次后，60℃下烘干，获得表面镀银的PP织物。将PDMS与Fe3O4加入正庚烷中，滴入0.1g油胺，超声分散1h，Fe3O4质量分数为0.8wt.％，PDMS质量分数为0.8wt.％。设置喷涂参数：喷涂压力为60kPa，喷涂距离为25cm，用混合分散液对镀银织物两面各喷涂1次，每次喷涂时间为5s，80℃下固化3h获得具有电磁屏蔽、多重热响应的超疏水多功能织物，制备过程如图1所示，制得的多功能复合织物的微观形态用扫描电子显微镜观察如图2b。
(2)测试：接触角测试，利用OCA20接触角测量仪测试多功能复合织物的接触角，将5μL蒸馏水滴滴于织物表面，为保证结果的准确性，测试5次，取平均值，测试结果见图3；电磁屏蔽测试，将织物制成直径为13mm的小圆片，利用安捷伦N5230矢量网络分析仪测试复合织物的S11和S21，并通过上述公式计算其电磁屏蔽效能，电磁屏蔽测试结果见图4a，吸收系数结果见图4b。
实施例3
(1)对商用聚丙烯无纺布进行O2气氛的等离子处理10分钟后待用。称取三氟乙酸银溶于乙醇制成25wt.％的STA溶液。将上述表面改性的PP无纺布浸泡于25wt.％的STA溶液中40分钟，取出干燥后用水合肼还原30分钟，用去离子水反复冲洗多次后，60℃下烘干，获得表面镀银的PP织物。将PDMS与Fe3O4加入正庚烷中，滴入0.1g油胺，超声分散1h，Fe3O4质量分数为0.8wt.％，PDMS质量分数为0.8wt.％。设置喷涂参数：喷涂压力为60kPa，喷涂距离为25cm，用混合分散液对镀银织物两面各喷涂3次，每次喷涂时间为5s，每次喷涂完后固化20分钟，3次结束后80℃下固化3h获得具有电磁屏蔽、多重热响应的超疏水多功能织物，制备过程如图1所示，制得的多功能复合织物的微观形态用扫描电子显微镜观察如图2c。
(2)测试应用：接触角测试，利用OCA20接触角测量仪测试多功能复合织物的接触角，将5μL蒸馏水滴滴于织物表面，为保证结果的准确性，测试5次，取平均值，测试结果见图3；电导率测试，将制得的复合织物用四探针电导率测试仪测试表面5个不同的区域，取平均值，结果为100S/cm。电磁屏蔽测试，将织物制成直径为13mm的小圆片，利用安捷伦N5230矢量网络分析仪测试复合织物的S11和S21，并通过上述公式计算其电磁屏蔽效能，电磁屏蔽测试结果见图4a，吸收系数结果见图4b；电热性能测试：对多功能复合织物一面的2侧封上银浆，接入铜线制成电极，在2个电极上分别负载0.2V、0.4V、0.6V和0.8V的电压，3分钟内观察其升温情况，绘制成温度时间曲线，测试结果见图5，可见多功能复合织物在低能耗情况下便拥有较好的电热效果；光热性能测试：对多功能复合织物上施加0.6W/cm2的能量密度的光照，记录其温度上升情况，撤去光照，记录材料冷却情况，重复5次，绘制温度时间曲线，结果见图6，可以看出多功能复合织物具有优异的光热性能和光热循环稳定性。
实施例4
(1)对商用聚丙烯无纺布进行O2气氛的等离子处理10分钟后待用。称取三氟乙酸银溶于乙醇制成25wt.％的STA溶液。将上述表面改性的PP无纺布浸泡于25wt.％的STA溶液中40分钟，取出干燥后用水合肼还原30分钟，用去离子水反复冲洗多次后，60℃下烘干，获得表面镀银的PP织物。将PDMS与Fe3O4加入正庚烷中，滴入0.1g油胺，超声分散1h，Fe3O4质量分数为0.8wt.％，PDMS质量分数为0.8wt.％。设置喷涂参数：喷涂压力为60kPa，喷涂距离为25cm，用混合分散液对镀银织物两面各喷涂5次，每次喷涂时间为5s，80℃下固化3h获得具有电磁屏蔽、多重热响应的超疏水多功能织物，制备过程如图1所示。
(2)测试：接触角测试，利用OCA20接触角测量仪测试多功能复合织物的接触角，将5μL蒸馏水滴滴于织物表面，为保证结果的准确性，测试5次，取平均值，测试结果见图3；电磁屏蔽测试，将织物制成直径为13mm的小圆片，利用安捷伦N5230矢量网络分析仪测试复合织物的S11和S21，并通过上述公式计算其电磁屏蔽效能，结果如图4a所示，喷涂5次后，复合织物电磁屏蔽效能降为49dB，但是吸收占比上升至30％，可见喷涂Fe3O4纳米粒子与PDMS的量随着喷涂次数的增加而增加，虽然在一定程度上降低了多功能复合织物的表面电导率，但对其电磁屏蔽效能产生了一定的影响，增加了材料的吸收电磁波的能力(图4b吸收占比上升)。
实施例5
(1)对商用聚丙烯无纺布进行O2气氛的等离子处理10分钟后待用。称取三氟乙酸银溶于乙醇制成25wt.％的STA溶液。将上述表面改性的PP无纺布浸泡于25wt.％的STA溶液中40分钟，取出干燥后用水合肼还原30分钟，用去离子水反复冲洗多次后，60℃下烘干，获得表面镀银的PP织物。将PDMS与Fe3O4加入正庚烷中，滴入0.1g油胺，超声分散1h，Fe3O4质量分数为0.8wt.％，PDMS质量分数为0.8wt.％。设置喷涂参数：喷涂压力为60kPa，喷涂距离为25cm，用混合分散液对镀银织物两面各喷涂7次，每次喷涂时间为5s，80℃下固化3h获得具有电磁屏蔽、多重热响应的超疏水多功能织物，制备过程如图1所示，制得的多功能复合织物的微观形态用扫描电子显微镜观察如图2d
(2)测试：接触角测试，利用OCA20接触角测量仪测试多功能复合织物的接触角，将5μL蒸馏水滴滴于织物表面，为保证结果的准确性，测试5次，取平均值，测试结果见图3；电磁屏蔽测试，将织物制成直径为13mm的小圆片，利用安捷伦N5230矢量网络分析仪测试复合织物的S11和S21，并通过上述公式计算其电磁屏蔽效能，电磁屏蔽测试结果见图4a，喷涂7次的复合织物的电磁屏蔽效能已经降至39dB，电磁吸收占比已经达到35％，与上述实施例对比可以很明显的看出Fe3O4纳米粒子含量的增加会导致织物电磁屏蔽效能的降低，同时会带来吸收占比的增加。
实施例6
对商用聚丙烯无纺布进行O2气氛的等离子处理10分钟后待用，称取一定质量三氟乙酸银溶于乙醇制成25wt.％的STA溶液，将上述表面改性的PP无纺布浸泡于25wt.％的STA溶液中40分钟，取出干燥后用水合肼还原30分钟，用去离子水反复冲洗多次后，60℃下烘干，获得表面镀银的PP织物。将一定量PDMS与Fe3O4加入正庚烷中，滴入0.1g油胺，超声分散1h，Fe3O4质量分数为0.5wt.％，PDMS质量分数为0.5wt.％。设置喷涂参数：喷涂压力为60kPa，喷涂距离为25cm，用混合分散液对镀银织物两面各喷涂3次，每次喷涂时间为5s，80℃下固化3h获得具有电磁屏蔽、多重热响应的超疏水多功能织物。本实施例制得的多功能复合织物的微观形貌用扫描电子显微镜观察如图2e所示，Fe3O4纳米粒子的数量要明显的少于上述实施例(喷涂1.0wt.％的Fe3O4纳米粒子和1.0wt.％PDMS混合分散液)，接触角如图7所示，可以看出其接触角远大于150°，水珠仍可以在织物表面滚动。
对比例1
对商用聚丙烯无纺布进行O2气氛的等离子处理10分钟后待用。称取三氟乙酸银溶于乙醇制成25wt.％的STA溶液。将上述表面改性的PP无纺布浸泡于25wt.％的STA溶液中40分钟，取出干燥后用水合肼还原30分钟，用去离子水反复冲洗多次后，60℃下烘干，获得表面镀银的PP织物。将PDMS与Fe3O4加入正庚烷中，滴入0.1g油胺，超声分散1h，Fe3O4质量分数为0.3wt.％，PDMS质量分数为0.3wt.％。设置喷涂参数：喷涂压力为60kPa，喷涂距离为25cm，用混合分散液对镀银织物两面各喷涂3次，每次喷涂时间为5s，80℃下固化3h获得复合织物。经过接触角和电导率测试，发现此复合织物无法满足超疏水要求，接触角仅为130°，且水珠无法在表面进行滚动，不满足超疏水功能。
对比例2
对商用聚丙烯无纺布进行O2气氛的等离子处理10分钟后待用。称取三氟乙酸银溶于乙醇制成15wt.％的STA溶液。将上述表面改性的PP无纺布浸泡于25wt.％的STA溶液中40分钟，取出干燥后用水合肼还原30分钟，用去离子水反复冲洗多次后，60℃下烘干，获得表面镀银的PP织物。将PDMS与Fe3O4加入正庚烷中，滴入0.1g油胺，超声分散1h，Fe3O4质量分数为2.0wt.％，PDMS质量分数为2.0wt.％。设置喷涂参数：喷涂压力为60kPa，喷涂距离为25cm，用混合分散液对镀银织物两面各喷涂3次，每次喷涂时间为5s，80℃下固化3h获得复合织物。对此实施例制备的复合织物进行电导率测试，结果表明其电导率仅为34S/cm，远小于实施例3制备的多功能复合织物(100S/cm)，电磁屏蔽效能小于20dB。进而对此织物进行接触角测试，所得接触角仅为135°，远远小于超疏水公认定义(接触角≥150°)，对结果进行分析，PDMS浓度过大导致同样条件下复合织物表面PDMS负载量过大，粗糙的纤维表面结构被破坏，因为PDMS将层级结构填满，表面相对于实施例得到的复合织物更加平整，无法满足超疏水的要求。
Claims (10)
1.多功能复合织物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将PP织物进行O2等离子处理，得到表面改性的PP织物；
步骤2，将表面改性的PP织物浸泡在三氟乙酸银的乙醇溶液中，浸泡完全后，取出干燥，加入水合肼进行还原，干燥，得到表面镀银的PP织物；
步骤3，用浓度均为0.5wt.％～1.0wt.％的Fe3O4和PDMS的混合分散液对表面镀银的PP织物进行表面喷涂，80±10℃下固化，得到多功能复合织物材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的O2等离子处理时间为10～20分钟。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的三氟乙酸银的乙醇溶液的质量分数为20wt.％～25wt.％。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的浸泡时间为10～50min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的喷涂压力为50～70kPa。
6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的喷涂距离为20～30cm。
7.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的单次喷涂时间为3～8s。
8.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的喷涂次数为1～7次。
9.根据权利要求1至8任一所述的制备方法制得的多功能复合织物。
10.根据权利要求9所述的多功能复合织物作为电磁屏蔽材料，电热转换材料或光热转换材料的应用。
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