CN114635282A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

Info

Publication number
CN114635282A
CN114635282A CN202210127581.XA CN202210127581A CN114635282A CN 114635282 A CN114635282 A CN 114635282A CN 202210127581 A CN202210127581 A CN 202210127581A CN 114635282 A CN114635282 A CN 114635282A
Authority
CN
China
Prior art keywords
aramid fiber
mxene
titanium carbide
solution
preparation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210127581.XA
Other languages
English (en)
Inventor
高欢
王茜璇
赵润
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu New Vision Advanced Functional Fiber Innovation Center Co ltd
Original Assignee
Jiangsu New Vision Advanced Functional Fiber Innovation Center Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu New Vision Advanced Functional Fiber Innovation Center Co ltd filed Critical Jiangsu New Vision Advanced Functional Fiber Innovation Center Co ltd
Priority to CN202210127581.XA priority Critical patent/CN114635282A/zh
Publication of CN114635282A publication Critical patent/CN114635282A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M11/00—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising
    • D06M11/73—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising with carbon or compounds thereof
    • D06M11/74—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising with carbon or compounds thereof with carbon or graphite; with carbides; with graphitic acids or their salts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/90—Carbides
    • C01B32/914—Carbides of single elements
    • C01B32/921—Titanium carbide
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M15/00—Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment
    • D06M15/19—Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment with synthetic macromolecular compounds
    • D06M15/37—Macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D06M15/61—Polyamines polyimines
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K9/00—Screening of apparatus or components against electric or magnetic fields
    • H05K9/0073—Shielding materials
    • H05K9/0081—Electromagnetic shielding materials, e.g. EMI, RFI shielding
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M2101/00—Chemical constitution of the fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, to be treated
    • D06M2101/16—Synthetic fibres, other than mineral fibres
    • D06M2101/30—Synthetic polymers consisting of macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D06M2101/34—Polyamides
    • D06M2101/36—Aromatic polyamides

Abstract

本发明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。

Description

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
技术领域
本发明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-MXene复合材料的制备方法。
背景技术
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。
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。
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)。
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。
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-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。
将MXene和芳纶纤维混合制备的复合材料已有公开发明专利，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，公开发明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。
因此，本发明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-MXene电磁屏蔽材料。
发明内容
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，本发明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-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。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明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：
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-MXene复合材料。
作为优选的技术方案：
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。
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。
如上所述的方法，步骤三中，在去离子水中加入盐酸多巴胺粉末，所述多巴胺溶液的盐酸多巴胺溶液的浓度为2mg/mL
如上所述的方法，步骤四中，所述二维碳化钛薄片分散液的浓度为1～5mg/mL，多巴胺与二维碳化钛的质量比为2：1～5，二维碳化钛与芳纶纤维的质量比为1～5:100。
如上所述的方法，步骤五中，在磁力搅拌下加入pH缓冲液使得溶液pH值上升至8～8.5，最后向溶液中持续的通入空气，反应时间24小时以上；其中pH缓冲液包括但不限于三羟甲基氨基甲烷水溶液，硼酸-氢氧化钠水溶液，磷酸氢钾-柠檬酸水溶液，卡莫第缓冲溶液，N-三-(羟甲基)甲基氨基乙酸水溶液以及三羟甲基甲胺基丙磺酸水溶液，浓度范围为1％wt～20％wt。
如上所述的方法，步骤六中，取出芳纶纤维用清水反复漂洗十次以上，直至无黑色残渣流出；烘干温度为80～160℃，烘干时间为8～12小时。
如上所述的方法，制成的芳纶-MXene复合材料在X波段(8.2～12.4GHz)的电磁屏蔽效能在20～85dB之间。
本发明中制备稳定的二维碳化钛薄片分散水溶液的机理：通过化学处理，有选择性的腐蚀钛碳化铝粉末中的铝元素，破坏钛碳化铝晶体的结构从而形成稳定的碳化钛薄片结构，由于亲水羟基的存在以及电荷作用，被剥离的碳化钛薄片之间无法重新聚合，因而可以在水中形成稳定的二维碳化钛薄片分散体系。
本发明中由于碳化钛薄片较高的杨氏模量，表面惰性，难以枝接功能基团的特性，极难将其均匀的附着于芳纶纤维表面，因此本发明创造性的利用多巴胺高粘，并且在碱性条件下自聚合的特性，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，最终使得二维碳化钛薄片均匀的附着在芳纶纤维表面。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的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，制备工艺简单，得益于多巴胺聚合物强大的粘性，枝接上的MXene薄片均匀分布、不易脱落，具有良好的导电性能和X波段电磁屏蔽效能。
(2)本发明的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，制备过程简单，安全环保，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。
(3)本发明的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，制备的芳纶-MXene复合材料兼具超柔性、高强且宽频高电磁屏蔽效能，可进一步加工制成不同形态的柔性电磁屏蔽制品。
附图说明
图1为本发明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的实施例2所得的(a)超声清洁过的芳纶纤维表面的扫描电镜(SEM)图；对比例1所得的(b)多巴胺表面改性之后的芳纶纤维表面扫描电镜(SEM)图。
图2为本发明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的实施例2所得的(a)芳纶纤维表面均匀附着了一层二维碳化钛薄片的扫描电镜(SEM)图；(b)在水中使用高功率超声(500W、100mins)破坏碳化钛镀层之后的的扫描电镜(SEM)图。
图3为本发明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的实施例2所得的芳纶-MXene复合材料钛和碳元素含量比例的X射线能量色散谱。
图4为本发明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的实施例2所得的芳纶-MXene复合材料X射线能量色散谱(a)钛元素含量扫描图(与扫描电镜图重叠)；(b)碳元素含量扫描图；(c)钛元素含量扫描图。
图5:为本发明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的实施例1-5及对比例1所得的芳纶-MXene复合材料在不同碳化钛浓度(0～5mg/mL)反应后的改性芳纶纤维在X波段波导中的S21测量结果。
图6:为本发明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的实施例1-5及对比例1所得的芳纶-MXene复合材料在不同碳化钛浓度(0～5mg/mL)反应后的改性芳纶纤维根据其S21以及S11的测量结果计算出不同浓度(0～5mg/mL)碳化钛反应后的改性芳纶纤维在X波段波导中的屏蔽有效性。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例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，具体如下：
(1)制备稳定的二维碳化钛薄片分散水溶液
(1.1)取1g的钛碳化铝粉末(100um)在100℃烘箱中干燥24小时，并准备10mL混酸溶液(6mL12M的盐酸，3mL 49％浓度的氢氟酸以及1mL去离子水)。在通风橱中缓慢的把干燥后的钛碳化铝加入混酸溶液中，并在剧烈搅拌中反应24小时。待反应完成之后，将所有液体倒入塑料离心管中，用3500转的速度离心2min，分离沉淀物；
(1.2)在沉淀物加入10mL去离子水，将此混合物倒入塑料离心管后以3500转的速度离心2min，取出沉淀物。此步骤重复六次，测的pH值为6.5；
(1.3)取出沉淀物，加入含有20％氯化锂的水溶液10mL，在冰水浴条件下剧烈搅拌10min，后静置4小时，使用离心机以3500转的速度离心2min分离出二维碳化钛薄片分散水溶液，最终将二维碳化钛薄片分散水溶液的浓度调整为1mg/mL
(2)清洗芳纶纤维
将5g对位芳纶纤维分别用丙酮溶液、去离子水、异丙醇各超声清洗5分钟，然后烘干。
(3)芳纶纤维枝接二维碳化钛(MXene)薄片
(3.1)在50mL去离子水中配置加入0.1g盐酸多巴胺粉末，制得浓度为的2mg/mL的多巴胺溶液；
(3.2)在50mL浓度为2mg/mL的多巴胺溶液中加入清洗之后的5g芳纶纤维及50mL二维碳化钛薄片分散水溶液，在磁力搅拌下加入三羟甲基氨基甲烷水溶液使得混合溶液pH值上升至8，最后向溶液中持续的通入空气，反应24小时。
(4)清洗芳纶纤维，烘干制成芳纶-MXene复合材料
取出芳纶纤维用清水反复漂洗直至无黑色残渣流出，清洗后的纤维在80℃烘箱中干燥12小时，得到芳纶-MXene复合材料。
本发明提供的芳纶-MXene复合材料使用强力测试仪对本实施例制备的芳纶-MXene纤维进行强度测试，使用Key sight N9918A型矢量网络分析仪以及Flann X波段波导管对本实施例制备的芳纶-MXene纤维进行电磁屏蔽效能测试(芳纶-MXene纤维在波导管中被压紧，厚度为1mm，使用时域门消除多次反射)，结果显示，所述芳纶-MXene纤维在X频段电磁屏蔽效能超过20dB。
实施例2
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，具体如下：
(1)制备稳定的二维碳化钛薄片分散水溶液
(1.1)取1g的钛碳化铝粉末(100um)在100℃烘箱中干燥24小时，并准备10mL混酸溶液(4mL12M的盐酸，5mL 49％浓度的氢氟酸以及1mL去离子水)。在通风橱中缓慢的把干燥后的钛碳化铝加入混酸溶液中，并在剧烈搅拌中反应48小时。待反应完成之后，将所有液体倒入塑料离心管中，用5500转的速度离心3min，分离沉淀物；
(1.2)在沉淀物加入100mL去离子水，将此混合物倒入塑料离心管后以5500转的速度离心5min，取出沉淀物。此步骤重复六次，测的pH值为6.5；
(1.3)取出沉淀物，加入含有20％氯化锂的水溶液20mL，在冰水浴条件下剧烈搅拌10min，后静置4小时，使用离心机以5500转的速度离心5min分离出二维碳化钛薄片分散水溶液，最终将二维碳化钛薄片分散水溶液的浓度调整为2mg/mL
(2)清洗芳纶纤维
将5g对位芳纶纤维分别用丙酮溶液、去离子水、异丙醇各超声清洗5分钟，然后烘干。
(3)芳纶纤维枝接二维碳化钛(MXene)薄片
(3.1)在50mL去离子水中配置加入0.2g盐酸多巴胺粉末，制得浓度为的4mg/mL的多巴胺溶液；
(3.2)在50mL浓度为4mg/mL的多巴胺溶液中加入清洗之后的5g芳纶纤维及50mL二维碳化钛薄片分散水溶液，在磁力搅拌下加入硼酸-氢氧化钠水溶液，使得溶液pH值上升至8.3，最后向溶液中持续的通入空气，反应48小时。
(4)清洗芳纶纤维，烘干制成芳纶-MXene复合材料
取出芳纶纤维用清水反复漂洗直至无黑色残渣流出，清洗后的纤维在100℃烘箱中干燥11小时，得到芳纶-MXene复合材料。
本发明提供的芳纶-MXene复合材料使用强力测试仪对本实施例制备的芳纶-MXene纤维进行强度测试，使用Key sight N9918A型矢量网络分析仪以及Flann X波段波导管对本实施例制备的芳纶-MXene纤维进行电磁屏蔽效能测试(芳纶-MXene纤维在波导管中被压紧，厚度为1mm，使用时域门消除多次反射)，结果显示，所述芳纶-MXene纤维在X频段电磁屏蔽效能超过50dB。
实施例3
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，具体如下：
(1)制备稳定的二维碳化钛薄片分散水溶液
(1.1)取1g的钛碳化铝粉末(100um)在100℃烘箱中干燥24小时，并准备10mL混酸溶液(3mL12M的盐酸，6mL 49％浓度的氢氟酸以及1mL去离子水)。在通风橱中缓慢的把干燥后的钛碳化铝加入混酸溶液中，并在剧烈搅拌中反应48小时。待反应完成之后，将所有液体倒入塑料离心管中，用2500转的速度离心20min，分离沉淀物；
(1.2)在沉淀物加入10mL去离子水，将此混合物倒入塑料离心管后以2500转的速度离心20min，取出沉淀物。此步骤重复六次，测的pH值为6.5；
(1.3)取出沉淀物，加入含有20％氯化锂的水溶液100mL，在冰水浴条件下剧烈搅拌10min，后静置24小时，使用离心机以2500转的速度离心20min分离出二维碳化钛薄片分散水溶液，最终将二维碳化钛薄片分散水溶液的浓度调整为3mg/mL
(2)清洗芳纶纤维
将5g对位芳纶纤维分别用丙酮溶液、去离子水、异丙醇各超声清洗5分钟，然后烘干。
(3)芳纶纤维枝接二维碳化钛(MXene)薄片
(3.1)在50mL去离子水中配置加入0.2g盐酸多巴胺粉末，制得浓度为的4mg/mL的多巴胺溶液；
(3.2)在50mL浓度为2mg/mL的多巴胺溶液中加入清洗之后的5g芳纶纤维及50mL二维碳化钛薄片分散水溶液，在磁力搅拌下加入磷酸氢钾-柠檬酸水溶液使得溶液pH值上升至8.4，最后向溶液中持续的通入空气，反应48小时。
(4)清洗芳纶纤维，烘干制成芳纶-MXene复合材料
取出芳纶纤维用清水反复漂洗直至无黑色残渣流出，清洗后的纤维在120℃烘箱中干燥10小时，得到芳纶-MXene复合材料。
本发明提供的芳纶-MXene复合材料使用强力测试仪对本实施例制备的芳纶-MXene纤维进行强度测试，使用Key sight N9918A型矢量网络分析仪以及Flann X波段波导管对本实施例制备的芳纶-MXene纤维进行电磁屏蔽效能测试(芳纶-MXene纤维在波导管中被压紧，厚度为1mm，使用时域门消除多次反射)，结果显示，所述芳纶-MXene纤维在X频段电磁屏蔽效能超过75dB。
实施例4
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，具体如下：
(1)制备稳定的二维碳化钛薄片分散水溶液
(1.1)取1g的钛碳化铝粉末(100um)在100℃烘箱中干燥24小时，并准备10mL混酸溶液(8mL12M的盐酸，1mL 49％浓度的氢氟酸以及1mL去离子水)。在通风橱中缓慢的把干燥后的钛碳化铝加入混酸溶液中，并在剧烈搅拌中反应48小时。待反应完成之后，将所有液体倒入塑料离心管中，用1500转的速度离心60min，分离沉淀物；
(1.2)在沉淀物加入10mL去离子水，将此混合物倒入塑料离心管后以1500转的速度离心60min，取出沉淀物。此步骤重复六次，测的pH值为6.5；
(1.3)取出沉淀物，加入含有20％氯化锂的水溶液50mL，在冰水浴条件下剧烈搅拌100min，后静置24小时，使用离心机以1500转的速度离心60min分离出二维碳化钛薄片分散水溶液，最终将二维碳化钛薄片分散水溶液的浓度调整为4mg/mL
(2)清洗芳纶纤维
将5g对位芳纶纤维分别用丙酮溶液、去离子水、异丙醇各超声清洗5分钟，然后烘干。
(3)芳纶纤维枝接二维碳化钛(MXene)薄片
(3.1)在50mL去离子水中配置加入0.3g盐酸多巴胺粉末，制得浓度为的6mg/mL的多巴胺溶液；
(3.2)在50mL浓度为6mg/mL的多巴胺溶液中加入清洗之后的5g芳纶纤维及50mL二维碳化钛薄片分散水溶液，在磁力搅拌下加入卡莫第缓冲溶液使得溶液pH值上升至8，最后向溶液中持续的通入空气，反应48小时。
(4)清洗芳纶纤维，烘干制成芳纶-MXene复合材料
取出芳纶纤维用清水反复漂洗直至无黑色残渣流出，清洗后的纤维在140℃烘箱中干燥9小时，得到芳纶-MXene复合材料。
本发明提供的芳纶-MXene复合材料使用强力测试仪对本实施例制备的芳纶-MXene纤维进行强度测试，结果显示，所述芳纶-MXene纤维的断裂强力为我不知道啊；使用Key sight N9918A型矢量网络分析仪以及Flann X波段波导管对本实施例制备的芳纶-MXene纤维进行电磁屏蔽效能测试(芳纶-MXene纤维在波导管中被压紧，厚度为1mm，使用时域门消除多次反射)，结果显示，所述芳纶-MXene纤维在X频段电磁屏蔽效能超过80dB。
实施例5
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，具体如下：
(1)制备稳定的二维碳化钛薄片分散水溶液
(1.1)取1g的钛碳化铝粉末(100um)在100℃烘箱中干燥24小时，并准备10mL混酸溶液(6mL12M的盐酸，3mL 49％浓度的氢氟酸)。在通风橱中缓慢的把干燥后的钛碳化铝加入混酸溶液中，并在剧烈搅拌中反应24小时。待反应完成之后，将所有液体倒入塑料离心管中，用1000转的速度离心120min，分离沉淀物；
(1.2)在沉淀物加入100mL去离子水，将此混合物倒入塑料离心管后以1000转的速度离心120min，取出沉淀物。此步骤重复六次，测的pH值为6.5；
(1.3)取出沉淀物，加入含有20％氯化锂的水溶液5mL，在冰水浴条件下剧烈搅拌10min，后静置48小时，使用离心机以1000转的速度离心120min分离出二维碳化钛薄片分散水溶液，最终将二维碳化钛薄片分散水溶液的浓度调整为5mg/mL
(2)清洗芳纶纤维
将5g对位芳纶纤维分别用丙酮溶液、去离子水、异丙醇各超声清洗5分钟，然后烘干。
(3)芳纶纤维枝接二维碳化钛(MXene)薄片
(3.1)在50mL去离子水中配置加入0.4g盐酸多巴胺粉末，制得浓度为的8mg/mL的多巴胺溶液；
(3.2)在50mL浓度为8mg/mL的多巴胺溶液中加入清洗之后的5g芳纶纤维及50mL二维碳化钛薄片分散水溶液，在磁力搅拌下加入N-三-(羟甲基)甲基氨基乙酸水溶液使得溶液pH值上升至8.3，最后向溶液中持续的通入空气，反应48小时。
(4)清洗芳纶纤维，烘干制成芳纶-MXene复合材料
取出芳纶纤维用清水反复漂洗直至无黑色残渣流出，清洗后的纤维在160℃烘箱中干燥8小时，得到芳纶-MXene复合材料。
本发明提供的芳纶-MXene复合材料使用强力测试仪对本实施例制备的芳纶-MXene纤维进行强度测试，使用Key sight N9918A型矢量网络分析仪以及Flann X波段波导管对本实施例制备的芳纶-MXene纤维进行电磁屏蔽效能测试(芳纶-MXene纤维在波导管中被压紧，厚度为1mm，使用时域门消除多次反射)，结果显示，所述芳纶-MXene纤维在X频段电磁屏蔽效能超过95dB。
对比例1
一种基于MAX相二维碳化钛(MXene)与芳纶纤维复合材料对比组的制备方法，具体如下：
(1)清洗芳纶纤维
将5g对位芳纶纤维分别用丙酮溶液、去离子水、异丙醇各超声清洗5分钟，然后烘干。
(2)芳纶纤维枝接多巴胺
(2.1)在50mL去离子水中配置加入0.2g盐酸多巴胺粉末，制得浓度为的4mg/mL的多巴胺溶液；
(2.2)在50mL浓度为4mg/mL的多巴胺溶液中加入清洗之后的5g芳纶纤维及50mL去离子水，在磁力搅拌下加入三羟甲基甲胺基丙磺酸水溶液使得溶液pH值上升至8.4，最后向溶液中持续的通入空气，反应24小时。
(3)清洗芳纶纤维，烘干制成芳纶-多巴胺复合材料
取出芳纶纤维用清水反复漂洗，清洗后的纤维在120℃烘箱中干燥10小时，得到芳纶-多巴胺复合材料。
使用Key sight N9918A型矢量网络分析仪以及Flann X波段波导管对本实施例制备的芳纶-多巴胺纤维进行电磁屏蔽效能测试(芳纶-多巴胺纤维在波导管中被压紧，厚度为1mm，使用时域门消除多次反射)，结果显示，所述芳纶-多巴胺纤维在X频段几乎无电磁屏蔽效能(接近0dB)。
Figure BDA0003501120610000101
实例3，4，5可以实现良好的电磁屏蔽效果，同时芳纶纤维的单丝断裂强度没有明显下降，说明芳纶纤维内部结构稳定，未在实例的化学处理中改变其结构。

Claims (12)

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-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，其特征在于，洗净酸液操作需重复离心五次以上，直至pH值在6至7之间。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述芳纶纤维种类涵盖对位芳纶、间位芳纶及杂环芳纶；所述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。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤三中，在去离子水中加入盐酸多巴胺粉末，所述盐酸多巴胺溶液的浓度为2mg/mL。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述二维碳化钛薄片分散液的浓度为1～5mg/mL，多巴胺与二维碳化钛的质量比为2∶1～5，二维碳化钛与芳纶纤维的质量比为1～5∶100～500。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤五中，在磁力搅拌下加入pH缓冲液使得溶液pH值上升至8.2～8.5，最后向溶液中持续的通入空气并保持强力搅拌，反应时间24小时以上。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，pH缓冲液包括但不限于三羟甲基氨基甲烷水溶液，硼酸-氢氧化钠水溶液，磷酸氢钾-柠檬酸水溶液，卡莫第缓冲溶液，N-三-(羟甲基)甲基氨基乙酸水溶液以及三羟甲基甲胺基丙磺酸水溶液。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤六中，取出芳纶纤维用清水反复漂洗十次以上，直至无黑色残渣流出；烘干温度为80～160℃，烘干时间为8～12小时。
12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述芳纶-MXene复合材料在X波段(8.2GHz～12.4GHz)的电磁屏蔽效能在20～85dB之间。
CN202210127581.XA 2022-02-11 2022-02-11 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 Pending CN114635282A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210127581.XA CN114635282A (zh) 2022-02-11 2022-02-11 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

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210127581.XA CN114635282A (zh) 2022-02-11 2022-02-11 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

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114635282A true CN114635282A (zh) 2022-06-17

Family

ID=81946048

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210127581.XA Pending CN114635282A (zh) 2022-02-11 2022-02-11 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

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114635282A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115467082A (zh) * 2022-10-08 2022-12-13 哈尔滨工业大学 轻质高效电磁屏蔽用MXene纤维无纺布的制备方法
CN115506156A (zh) * 2022-08-31 2022-12-23 西北工业大学 一种柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料及其制备方法
CN115787286A (zh) * 2022-11-14 2023-03-14 福建星海通信科技有限公司 一种用于电磁屏蔽的导电棉织物的制备方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115506156A (zh) * 2022-08-31 2022-12-23 西北工业大学 一种柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料及其制备方法
CN115467082A (zh) * 2022-10-08 2022-12-13 哈尔滨工业大学 轻质高效电磁屏蔽用MXene纤维无纺布的制备方法
CN115787286A (zh) * 2022-11-14 2023-03-14 福建星海通信科技有限公司 一种用于电磁屏蔽的导电棉织物的制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114635282A (zh) 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
CN111809439B (zh) 柔性高强MXene基电磁屏蔽复合薄膜及其制备方法
CN105399959B (zh) 一种基于聚磷腈微球的酚醛树脂模塑料添加剂及其制备方法
Chen et al. Fabricating robust soft-hard network of self-healable polyvinyl alcohol composite films with functionalized cellulose nanocrystals
CN1791322A (zh) 一种兼具电磁屏蔽及雷达吸波功能的复合材料及制备方法
Kim et al. Preparation and characterization of polyimide/carbon-nanotube composites
WO2012088759A1 (zh) 一种可熔性聚酰亚胺模塑料及其制备方法
CN111574667A (zh) 一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料及其制法
Zhang et al. High-transparency polysilsesquioxane/glycidyl-azide-polymer resin and its fiberglass-reinforced composites with excellent fire resistance, mechanical properties, and water resistance
CN113249819B (zh) 一种碳纳米管-纳米Fe3O4-聚酰亚胺复合纤维及其制备方法
Sahoo et al. Synthesis and study of mechanical and fire retardant properties of (carboxymethyl cellulose-g-polyacrylonitrile)/montmorillonite biodegradable nanocomposite
CN113773688A (zh) 一种功能化纳米复合电磁屏蔽涂料及制备方法和应用
CN110885419B (zh) 超高频低介电性羧基化石墨烯增强聚(苯并噁嗪-氨酯)纳米复合树脂及其制备方法
CN114150496A (zh) 一种具有电磁屏蔽和压阻传感性能的柔性纳米纤维膜及其制备方法
Mo et al. Synthesis and characterization of polyimide/multi‐walled carbon nanotube nanocomposites
Alshahrani et al. Electromagnetic interference shielding behavior of hybrid nano Fe3O4/lychee biomass carbon quantum dots-PVA composite at high-frequency bands
CN108264765B (zh) 一种增韧导热绝缘氰酸酯树脂基复合材料的制备方法
Zou et al. Near-infrared light-responsive shape memory hydrogels with remolding and excellent mechanical performance
Zhang et al. Preparation and mechanism of toughening and flame retardance of epoxy resin using novel silsesquioxane molecules
CN113845751B (zh) 一种环氧树脂基电磁屏蔽复合材料及其制备方法和用途
KR101040728B1 (ko) 가교된 탄소나노튜브 볼 및 폴리스티렌/가교된 탄소나노튜브 볼 복합체 제조 방법
CN110655748A (zh) 一种富勒醇改性pmma/pc复合材料的制备方法
CN113174090B (zh) 一种绿色纳米纤维素高导热复合膜的制备及应用
Zhang et al. Water-soluble polyvinyl alcohol composite films with nanodiamond particles modified with polyethyleneimine
CN115260766A (zh) 一种铝镀银导电橡胶及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination