发明内容
本发明的目的是提供一种CNF/MXene-银纳米线复合薄膜的制备方法,解决了现有技术中薄膜电磁屏蔽性能低的问题。
本发明所采用的技术方案是,一种CNF/MXene-银纳米线复合薄膜的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1,根据蚀刻和分层的方法,采用HCl/LiF合成分层的MXene分散液;
步骤2,将CNF超声分散在去离子水中,得到分散均匀的CNF分散液;
步骤3,向经步骤2后得到的CNF分散液中加入MXene分散液,超声分散,之后再机械搅拌,得到均匀的MXene/CNF混合分散液;
步骤4,将AgNWs溶液分散在纤维素纳米纤维分散液中,得到均匀的AgNWs/CNF混合分散液;
步骤5,利用真空辅助过滤,将AgNWs/CNF混合分散液和MXene/CNF混合分散液依次过滤到混合纤维膜上,得到多层CNF/MXene-银纳米线复合薄膜。
本发明的特点还在于,
步骤1中,具体为:将MAX粉末缓慢加入LiF和HCl的均匀混合物中,在35℃的条件下搅拌24h,得到充分反应后的混合溶液;之后以3500rpm的离心速度用去离子水洗涤上述混合溶液,直至上层清液的pH达到6.0为止,在180W下超声处理20min,最后在3500rpm的速率下离心1h,得到MXene分散液。
步骤2中,超声分散时间为10min,纤维素纳米纤维与去离子水的质量比为1:499。
步骤3中,纤维素纳米纤维分散液与MXene分散液的质量比为2:1;超声分散和机械搅拌的时间均为10min。
步骤4中,银纳米线溶液的质量浓度为1mg/ml;银纳米线溶液与纤维素纳米纤维分散液的质量比为1:2。
步骤5中,具体步骤如下:
步骤5.1,将5-10ml的MXene/CNF混合分散液,进行真空抽滤,直到混合分散液过滤到混合纤维膜上,得到CNF/MXene层;
步骤5.2,向CNF/MXene层上加入3.75-7.5ml的CNF分散液,进行真空抽滤,直到分散液完全过滤,得到CNF/MXene、CNF双层膜;
步骤5.3,向CNF/MXene、CNF双层膜上加入5-10ml的AgNWs/CNF混合分散液,直到混合分散液过滤完成,得到CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs三层复合薄膜;
步骤5.4,向CNF、CNF/MXene、CNF/AgNWs三层复合薄膜上加入5-10ml的MXene/CNF混合分散液,进行真空抽滤,直到混合分散液过滤完成,得到CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs、CNF/MXene四层复合薄膜;
步骤5.5,向CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs、CNF/MXene四层复合薄膜上加入3.75-7.5ml的CNF分散液,进行真空抽滤,直到分散液完全过滤,得到CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs、CNF/MXene、CNF五层复合薄膜;
步骤5.6,向CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs、CNF/MXene、CNF五层复合薄膜上加入5-10ml的AgNWs/CNF混合分散液,直到混合分散液过滤完成,得到CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs、CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs六层复合薄膜,干燥2-4h,即可得到多层CNF/MXene-银纳米线复合薄膜。
本发明的有益效果是,通过层状结构的设计,制备出了超薄、低填充、高效电磁屏蔽性能的薄膜;同时,该制备方法简便可行,具有较低的生产成本,易于批量化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种CNF/MXene-银纳米线复合薄膜的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1,根据蚀刻和分层的方法,采用HCl/LiF合成分层的Ti3C2TxMxene;
具体为:将Ti3AlC2(MAX)粉末缓慢加入LiF和HCl的均匀混合物中,在35℃的条件下搅拌24h,得到充分反应后的混合溶液;之后以3500rpm的离心速度用去离子水洗涤上述混合溶液,直至上层清液的pH达到6.0为止,在180W下超声处理20min,最后在3500rpm的速率下离心1h,得到MXene分散液,将所得溶液用保鲜膜封装冷藏备用;
Ti3AlC2粉末、LiF与HCl的质量比为1:1:6.57;
步骤2,将纤维素纳米纤维(CNF)超声分散在去离子水中,得到分散均匀的纤维素纳米纤维(CNF)分散液;
超声分散时间为10min,纤维素纳米纤维与去离子水的质量比为1:499;
步骤3,向经步骤2后得到的纤维素纳米纤维分散液中加入MXene分散液,超声分散10min,之后再机械搅拌10min,得到均匀的MXene/CNF混合分散液;
纤维素纳米纤维分散液与MXene分散液的质量比为2:1;
步骤4,将银纳米线(AgNWs)溶液分散在纤维素纳米纤维分散液中,得到均匀的AgNWs/CNF混合分散液;
银纳米线溶液的质量浓度为1mg/ml;
银纳米线溶液与纤维素纳米纤维分散液的质量比为1:2;
步骤5,利用真空辅助过滤,将AgNWs/CNF混合分散液和MXene/CNF混合分散液依次过滤到混合纤维膜上,得到多层CNF/MXene-银纳米线复合薄膜,具体步骤如下:
步骤5.1,将5-10ml的MXene/CNF混合分散液,进行真空抽滤,直到混合分散液过滤到混合纤维膜上,得到CNF/MXene层;
步骤5.2,向CNF/MXene层上加入3.75-7.5ml的CNF分散液,进行真空抽滤,直到分散液完全过滤,得到CNF/MXene、CNF双层膜;
步骤5.3,向CNF/MXene、CNF双层膜上加入5-10ml的AgNWs/CNF混合分散液,直到混合分散液过滤完成,得到CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs三层复合薄膜;
步骤5.4,向CNF、CNF/MXene、CNF/AgNWs三层复合薄膜上加入5-10ml的MXene/CNF混合分散液,进行真空抽滤,直到混合分散液过滤完成,得到CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs、CNF/MXene四层复合薄膜;
步骤5.5,向CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs、CNF/MXene四层复合薄膜上加入3.75-7.5ml的CNF分散液,进行真空抽滤,直到分散液完全过滤,得到CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs、CNF/MXene、CNF五层复合薄膜;
步骤5.6,向CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs、CNF/MXene、CNF五层复合薄膜上加入5-10ml的AgNWs/CNF混合分散液,直到混合分散液过滤完成,得到CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs、CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs六层复合薄膜,干燥,即可得到多层CNF/MXene-银纳米线复合薄膜;
干燥时间为2-4h,干燥温度为20-25℃。
实施例1
一种CNF/MXene-银纳米线复合薄膜的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1,根据蚀刻和分层的方法,采用HCl/LiF合成分层的Ti3C2TxMxene;
具体为:将1g Ti3AlC2(MAX)粉末缓慢加入1g LiF和20ml浓度为9mol/L的HCl的均匀混合物中,在35℃的条件下搅拌24h,得到充分反应后的混合溶液;之后以3500rpm的离心速度用去离子水洗涤上述混合溶液,直至上层清液的pH达到6.0为止,在180W下超声处理20min,最后在3500rpm的速率下离心1h,得到MXene分散液,将所得溶液用保鲜膜封装冷藏备用;
步骤2,将纤维素纳米纤维(CNF)超声分散在去离子水中,得到分散均匀的纤维素纳米纤维(CNF)分散液;
超声分散时间为10min,纤维素纳米纤维与去离子水的质量比为1:499;
步骤3,向经步骤2后得到的纤维素纳米纤维分散液中加入MXene分散液,超声分散10min,之后再机械搅拌10min,得到均匀的MXene/CNF混合分散液;
纤维素纳米纤维分散液与MXene分散液的质量比为2:1;
步骤4,将银纳米线(AgNWs)溶液分散在纤维素纳米纤维分散液中,得到均匀的AgNWs/CNF混合分散液;
银纳米线溶液的质量浓度为1mg/ml;
银纳米线溶液与纤维素纳米纤维分散液的质量比为1:2;
步骤5,利用真空辅助过滤,将AgNWs/CNF混合分散液和MXene/CNF混合分散液依次过滤到混合纤维膜上,得到多层CNF/MXene-银纳米线复合薄膜,具体步骤如下:
步骤5.1,将7.5ml的MXene/CNF混合分散液,进行真空抽滤,直到混合分散液过滤到混合纤维膜上,得到CNF/MXene层;
步骤5.2,向CNF/MXene层上加入5.625ml的CNF分散液,进行真空抽滤,直到分散液完全过滤,得到CNF/MXene、CNF双层膜;
步骤5.3,向CNF/MXene、CNF双层膜上加入7.5ml的AgNWs/CNF混合分散液,直到混合分散液过滤完成,得到CNF、CNF/MXene、CNF/AgNWs三层复合薄膜;
步骤5.4,向CNF、CNF/MXene、CNF/AgNWs三层复合薄膜上加入7.5ml的MXene/CNF混合分散液,进行真空抽滤,直到混合分散液过滤完成,得到CNF、CNF/MXene、CNF/AgNWs、CNF/MXene四层复合薄膜;
步骤5.5,向CNF、CNF/MXene、CNF/AgNWs、CNF/MXene四层复合薄膜上加入5.625ml的CNF分散液,进行真空抽滤,直到分散液完全过滤,得到CNF、CNF/MXene、CNF/AgNWs、CNF/MXene、CNF五层复合薄膜;
步骤5.6,向CNF、CNF/MXene、CNF/AgNWs、CNF/MXene、CNF五层复合薄膜上加入7.5ml的AgNWs/CNF混合分散液,直到混合分散液过滤完成,得到CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs、CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs六层复合薄膜,干燥,即可得到多层CNF/MXene-银纳米线复合薄膜;
干燥时间为2-4h,干燥温度为20℃。
相比于商用的电磁屏蔽材料(20dB),实施例1制备的CNF/MXene-银纳米线复合薄膜的电磁屏蔽效能为55.7dB,相应的提高了178.5%。
实施例2
一种CNF/MXene-银纳米线复合薄膜的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1,根据蚀刻和分层的方法,采用HCl/LiF合成分层的Ti3C2TxMxene;
具体为:将1g Ti3AlC2(MAX)粉末缓慢加入1g LiF和20ml浓度为9mol/L的HCl的均匀混合物中,在35℃的条件下搅拌24h,得到充分反应后的混合溶液;之后以3500rpm的离心速度用去离子水洗涤上述混合溶液,直至上层清液的pH达到6.0为止,在180W下超声处理20min,最后在3500rpm的速率下离心1h,得到MXene分散液,将所得溶液用保鲜膜封装冷藏备用;
步骤2,将纤维素纳米纤维(CNF)超声分散在去离子水中,得到分散均匀的纤维素纳米纤维(CNF)分散液;
超声分散时间为10min,纤维素纳米纤维与去离子水的质量比为1:499;
步骤3,向经步骤2后得到的纤维素纳米纤维分散液中加入MXene分散液,超声分散10min,之后再机械搅拌10min,得到均匀的MXene/CNF混合分散液;
纤维素纳米纤维分散液与MXene分散液的质量比为2:1;
步骤4,将银纳米线(AgNWs)溶液分散在纤维素纳米纤维分散液中,得到均匀的AgNWs/CNF混合分散液;
银纳米线溶液的质量浓度为1mg/ml;
银纳米线溶液与纤维素纳米纤维分散液的质量比为1:2;
步骤5,利用真空辅助过滤,将AgNWs/CNF混合分散液和MXene/CNF混合分散液依次过滤到混合纤维膜上,得到多层CNF/MXene-银纳米线复合薄膜,具体步骤如下:
步骤5.1,将10ml的MXene/CNF混合分散液,进行真空抽滤,直到混合分散液过滤到混合纤维膜上,得到CNF/MXene层;
步骤5.2,向CNF/MXene层上加入7.5ml的CNF分散液,进行真空抽滤,直到分散液完全过滤,得到CNF/MXene、CNF双层膜;
步骤5.3,向CNF/MXene、CNF双层膜上加入10ml的AgNWs/CNF混合分散液,直到混合分散液过滤完成,得到CNF、CNF/MXene、CNF/AgNWs三层复合薄膜;
步骤5.4,向CNF、CNF/MXene、CNF/AgNWs三层复合薄膜上加入10ml的MXene/CNF混合分散液,进行真空抽滤,直到混合分散液过滤完成,得到CNF、CNF/MXene、CNF/AgNWs、CNF/MXene四层复合薄膜;
步骤5.5,向CNF、CNF/MXene、CNF/AgNWs、CNF/MXene四层复合薄膜上加入7.5ml的CNF分散液,进行真空抽滤,直到分散液完全过滤,得到CNF、CNF/MXene、CNF/AgNWs、CNF/MXene、CNF五层复合薄膜;
步骤5.6,向CNF、CNF/MXene、CNF/AgNWs、CNF/MXene、CNF五层复合薄膜上加入10ml的AgNWs/CNF混合分散液,直到混合分散液过滤完成,得到CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs、CNF/MXene、CNF、CNF/AgNWs六层复合薄膜,干燥,即可得到多层CNF/MXene-银纳米线复合薄膜;
干燥时间为2-4h,干燥温度为25℃。
相比于商用的电磁屏蔽材料(20dB),实施例2制备的CNF/MXene-银纳米线复合薄膜的电磁屏蔽效能为51.0dB,相应的提高了155.0%。
对比实施例
一种CNF/MXene-银纳米线复合薄膜的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1,根据蚀刻和分层的方法,采用HCl/LiF合成分层的Ti3C2TxMxene;
具体为:将1g Ti3AlC2(MAX)粉末缓慢加入1g LiF和20ml浓度为9mol/L HCl的均匀混合物中,在35℃的条件下搅拌24h,得到充分反应后的混合溶液;之后以3500rpm的离心速度用去离子水洗涤上述混合溶液,直至上层清液的pH达到6.0为止,在180W下超声处理20min,最后在3500rpm的速率下离心1h,得到MXene分散液,将所得溶液用保鲜膜封装冷藏备用;
步骤2,将纤维素纳米纤维(CNF)超声分散在去离子水中,得到分散均匀的纤维素纳米纤维(CNF)分散液;
超声分散时间为10min,纤维素纳米纤维与去离子水的质量比为1:499;
步骤3,向经步骤2后得到的纤维素纳米纤维分散液中加入MXene分散液,超声分散10min,之后再机械搅拌10min,得到均匀的MXene/CNF混合分散液;
纤维素纳米纤维分散液与MXene分散液的质量比为2:1;
步骤4,将银纳米线(AgNWs)溶液分散在纤维素纳米纤维分散液中,得到均匀的AgNWs/CNF混合分散液;
银纳米线溶液的质量浓度为1mg/ml;
银纳米线溶液与纤维素纳米纤维分散液的质量比为1:2;
步骤5,利用真空辅助过滤,将AgNWs/CNF混合分散液和MXene/CNF混合分散液依次过滤到混合纤维膜上,得到多层CNF/MXene-银纳米线复合薄膜,具体步骤如下:
步骤5.1,将5ml的MXene/CNF混合分散液,进行真空抽滤,直到混合分散液过滤到混合纤维膜上,得到CNF/MXene层;
步骤5.2,向CNF/MXene层上加入3.75ml的CNF分散液,进行真空抽滤,直到分散液完全过滤,得到CNF/MXene、CNF双层膜;
步骤5.3,向CNF/MXene、CNF双层膜上加入5ml的AgNWs/CNF混合分散液,直到混合分散液过滤完成,得到CNF、CNF/MXene、CNF/AgNWs三层复合薄膜;干燥,即可得到三层CNF/MXene-银纳米线复合薄膜;
干燥时间为2-4h,干燥温度为25℃。
相比于商用的电磁屏蔽材料(20dB),对比实施例制备的三层CNF/MXene-银纳米线复合薄膜的电磁屏蔽效能为42dB,相应的提高了110%。
本发明方法制备得到的六层CNF/MXene-银纳米线复合薄膜展现出了优异的电磁屏蔽效能达到55.7dB,由于层数的增多,入射的电磁波会通过更多的介电损耗被中间夹层吸收和散射。而且高导电层的存在能够有效的反射和衰减电磁。相比对比实施例中的三层CNF/MXene-银纳米线复合薄膜,六层的复合薄膜使得入射的电磁波在整个过程中经历更多的“吸收-反射-再吸收”过程,从而获得较为优异的电磁屏蔽性能。
在本发明中,通过真空辅助过滤的方法制备了一种多层CNF/MXene-银纳米线复合薄膜。这种多层柔性复合薄膜的独特设计使电磁波能够在内部进行多次的反射耗散,从而获得优异的电磁屏蔽性能。并且在相同的填料含量下随着层数的增多,复合薄膜的电磁屏蔽效能再一次得到提高。制备的CNF/MXene-银纳米线复合薄膜在MXene含量为11.1wt%、AgNWs含量为11.1wt%、厚度为30μm时,电磁屏蔽效能为55.7dB,SSE为1856.7dB/mm。在弯曲变形的情况下,制备的复合薄膜的有效电磁屏蔽效能也是可靠的。这为制作具有优异柔韧性和低厚度的多层电磁屏蔽材料提供了可行方案。
本发明一种CNF/MXene-银纳米线复合薄膜的制备方法,利用真空辅助过滤的方法制备得到具有高效电磁屏蔽性能的CNF-MXene/AgNWs多层复合薄膜,制备过程安全环保,制备工艺简单且成本低廉,具有广泛的实用性和推广价值;本发明制备方法,制备得到的轻质超薄CNF-MXene/AgNWs多层复合薄膜电磁屏蔽性能优异,并且具有良好的机械柔韧性,能够满足柔性电子、航空航天、电子包装等领域的应用要求。