CN115418029B - 一种宽波段电磁波管理的气凝胶基材料及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽波段电磁波管理的气凝胶基材料及其制备和应用，所述气凝胶基材料为多孔气凝胶基材料，其中孔隙呈各向异性的层状孔结构，孔壁上均匀分布有机‑无机交联成分。该发明是一种具有宽波段电磁波管理功能的高孔隙率超轻气凝胶基织物材料，它可衰减99.9999％的X波段入射电磁波，兼具出色的保温性能，几乎为0的红外透过率和高达70％的红外反射率，及卓著的热伪装效果。这种宽波段电磁波管理功能的气凝胶基织物可作为复合纺织品的夹层，用于制备高性能气凝胶服装，进而应用于电磁屏蔽防护、低温保暖及军事伪装等领域，将具有极广阔的市场前景。

Description

一种宽波段电磁波管理的气凝胶基材料及其制备和应用
技术领域
本发明属于功能性气凝胶材料领域，特别涉及一种宽波段电磁波管理的气凝胶基材料及其制备和应用。
背景技术
我们生活的空间中充斥着各种波段的电磁波，如可见光(360nm～780nm)，紫外线(200nm～400nm)，红外波段(0.75μm～300μm)，及X波段(8.2GHz～12.4GHz)。尤其是随着电子通讯技术的蓬勃发展，空间中的电磁波日益泛滥，严重干扰着我们的健康、生活及设备仪器的正常运行，甚至引起了一系列社会、国防和环境问题，如电磁波污染、电磁信息泄露、军事热目标暴露、人体健康损害等。被动干预和调节多个波段电磁波的宽波段电磁波管理技术应运而生。为了避免电磁波对人体造成干扰，个人宽波段电磁波管理技术的实现还需开发可穿戴电磁波管理服装系统，它可i)避免人体暴露于电磁波辐射环境中；ii)确保便携式无线设备的操作和隐私安全，iii)屏蔽热目标并逃避军事跟踪。iiii)加强个人热管理，降低全球能源消耗。因此，可以预见宽波段电磁波管理服在未来将占据不可估量的市场份额。
“智能可穿戴”已经从概念走向了现实。大量潮流服装企业热衷于引入智能可穿戴技术，尝试生产智能可穿戴服装，并与当地的传统服装企业对接与融合。有专家预测，随着电子商务迅猛发展，以纺织服装为主的时尚产业急需构建新的服装理念，而未来附加值高、利润率高的智能化服装将成时代潮流。
然而，现有的电磁波管理服装或布料非常有限，主要有金属/碳导电服、电热复合服、气凝胶复合服。但存在调控波段窄、应用场景单一、穿戴舒适性受限，及能耗高等问题，还有待解决。基于人体工程学原理，宽波段电磁波管理织物应具有高于商业标准的电磁干扰屏蔽效能、低热导率和低红外透射率。其次，还应考虑柔韧性、薄度、弹性、疏水性、透气性和透湿性，这要求材料本身具有高孔隙率和轻质的基本特性。在众多服装材料(如薄膜、织物、纤维、羽绒和气凝胶等)中，气凝胶作为目前最节能的保温材料，完全符合上述特点，因此是宽带电磁波管理服装的良好候选者。
人们利用仿生学的原理，将对不同电磁波段进行调控的电磁管理概念引入特种服装中，无论是作战士兵隐藏自己躲避敌军，还是高辐射环境下作业防止电磁辐射对人体造成伤害，又或是低温作业下提升个人保温性能，对于个人还是对于社会，都具有极其重要的现实意义。目前,伴随着气凝胶材料制备技术和电磁波管理理论概念的成熟化，气凝胶面料和电磁波管理理论的结合是市场所需，已经有诸多研究者研发不同品种，对不同波段进行管理调控的气凝胶材料，而宽波段管理调控的气凝胶材料还有待发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种宽波段电磁波管理的气凝胶基材料及其制备和应用，对未来的宽波段电磁波管理服装提供一种新思路。
本发明的一种宽波段电磁波管理的气凝胶基材料，所述气凝胶基材料为多孔气凝胶基材料，其中孔隙呈各向异性的层状孔结构，孔壁上均匀分布有机-无机交联成分，其中有机-无机交联成分包括细菌纤维素、银纳米线、掺杂氧化锡锑纳米颗粒及-Si-O-Si-溶胶交联结构。
所述有机-无机交联为银纳米线与细菌纤维素形成牢固氢键，而疏水性-Si-O-Si-溶胶充当纳米胶带把交联的银纳米线-细菌纤维素的弱界面牢固焊接，形成有机-无机交联结构，掺杂氧化锡锑纳米颗粒均匀粘附在上述有机-无机交联结构中。
所述细菌纤维素、银纳米线、掺杂氧化锡锑纳米颗粒及-Si-O-Si-溶胶的质量比为(16～20):(10-14):(0.3～2.7):(0.06～0.08)。
本发明的一种宽波段电磁波管理的气凝胶基材料的制备方法，包括：
(1)将甲基三甲氧基硅烷溶胶置于乙酸水溶液中，搅拌至完全水解，得到甲基三甲氧基硅烷水溶胶；
(2)细菌纤维素水凝胶、掺杂氧化锡锑水性分散液混匀，然后加入银纳米线水性分散液，搅拌，最后加入甲基三甲氧基硅烷水溶胶，搅拌，得到分散液前驱体；
(3)将分散液前驱体冷冻、干燥、退火，得到宽波段电磁波管理的气凝胶基材料。
上述制备方法的优选方式如下：
所述步骤(2)中细菌纤维素水凝胶的添加量为52.70wt％～65.85wt％；掺杂氧化锡锑水性分散液的添加量为0.99wt％～8.24wt％；银纳米线水性分散液的添加量为30.51wt％～46.11wt％；甲基三甲氧基硅烷硅烷水溶胶的添加量为0.21wt％～0.22wt％。
所述步骤(2)中细菌纤维素水凝胶的质量分数为0.3wt％；掺杂氧化锡锑水性分散液的质量分数为10wt％；银纳米线水性分散液的浓度为5mg mL-1；甲基三甲氧基硅烷硅烷水溶胶的质量分数为25wt％。
所述步骤(2)中掺杂氧化锡锑水性分散液为掺杂氧化锡锑纳米颗粒水性分散液；银纳米线长径比为800～1200。
在银纳米线的制备方法：(a)将乙二醇溶液加热至145～170℃，保持7～15min；(b)将CuCl2/乙二醇溶液加入步骤(a)的乙二醇溶液中再次加热至145～170℃，保持7～15min；(c)最后加入AgNO3/聚乙烯吡咯烷酮/乙二醇溶液，继续加热至145～170℃，反应15～60min，待反应物温度冷却至室温后，加入倒入三倍体积的去离子水，避光放置一周，倒掉上清液，除去游离PVP、离子和银颗粒等，再倒入去离子水，避光放置，重复3～5次，最后将沉淀物用丙酮和蒸馏水各洗涤3～6次。
标定所得银纳米线水分散液的浓度，如用水稀释至5mg mL-1。
其中CuCl2、AgNO3及聚乙烯吡咯烷酮的质量比为：(0.0031～0.011):(0.5～1.2):(1.3～2.2)。
步骤(a)乙二醇溶液和步骤(b)CuCl2/乙二醇溶液的质量比为70～130：10。
其中步骤(b)中将CuCl2与乙二醇搅拌1～3h得到CuCl2/乙二醇溶液，其中CuCl2/乙二醇溶液中CuCl2和乙二醇的质量比为0.04-0.08：70～130。
步骤(c)中AgNO3、聚乙烯吡咯烷酮溶解在乙二醇中搅拌1～3h得到AgNO3/聚乙烯吡咯烷酮/乙二醇溶液，其中AgNO3/聚乙烯吡咯烷酮/乙二醇溶液中AgNO3、聚乙烯吡咯烷酮、乙二醇的质量比为0.5～1.2：1.3～2.2：70～130。
所述步骤(1)、(2)中搅拌均为摇床搅拌，温度为室温，转速为125rpm，搅拌时间为2～4h。
所述步骤(3)中分散液前驱体在冷冻前要于4℃的环境下预冷3～12h。
所述步骤(3)中冷冻采用保温泡沫箱、不锈钢金属板搭建的“自下而上”液氮冷冻装置(如图1所示)进行冷冻，其中冷冻金属板的表面温度为-60～-80℃。
所述液氮冷冻装置为自行设计搭建，组装材料分别为保温箱，金属板，和盛放分散液前驱体的模具，其中金属板在保温箱内居中放置，模具置于金属板上表面，金属板的长宽尺寸略小于保温箱内侧长宽尺寸，确保金属板与保温箱内壁之间设有2～8cm的间隔，方便向保温箱里注入液氮。
所述液氮冷冻装置的保温箱口径外径约为340mm×275mm×130mm，内径约为292mm×227mm×76mm。金属板尺寸约为220mm×220mm×60mm。模具口径外径为180mm×180mm×10mm，内径约为160mm×160mm×5mm。
所述步骤(3)中冷冻方法为使用自下而上的定向冷冻法，使冷源金属板上表面的温度保持在-60～-80℃，将盛放分散液前驱体的模具水平放置于该冷源金属板上表面，冷冻时长为30min～2h。
所述步骤(3)中冷冻方法为自下而上的定向冷冻法，冷台(或冷源)上表面的温度为-60～-80℃，冷却结束时，置于冷台(或冷源)上表面的模具内的样品上下温度差为20～30℃，冷冻时间30min～2h。
其中样品接近冷台的为下表面，远离冷台的为上表面，其中下表面温度低于上表面温度。
所述步骤(3)中干燥方式为冷冻干燥，干燥时长36～84h；退火为90℃退火6～20h。
步骤(3)中在室温为20℃以下的环境温度中放置于冷冻干燥机中。
本发明的一种所述宽波段电磁波管理的气凝胶基材料在智能服装领域中的应用，如电磁屏蔽防护、低温保暖、保温隔热、军事伪装、红外热隐身，也可作为复合纺织品的夹层，用于制备高性能气凝胶服装。
本发明利用-Si-O-Si-纳米胶带强大的耦合作用将高导电银纳米线和红外遮蔽元件掺杂氧化锡锑纳米颗粒在柔性纤维素基底内均匀分散且相互接触。他们良好且紧密的接触可赋予最终获得的气凝胶基织物具有优异的宽波段电磁波管理功能。银纳米线长径比高达800～1200，具有极高的柔性和导电性，可赋予气凝胶优异的电磁屏蔽效能；掺杂氧化锡锑纳米颗粒稳定性好，具有优异的红外热遮蔽特征，可赋予气凝胶产品优异的保温隔热及红外热伪装性能。此外甲基三甲氧基硅烷水解溶胶作为纳米胶带把上述成分坚固焊接在一起，从而赋予气凝胶基织物优异的机械性能(可恢复的压缩应变≥95％)。
本发明为具有宽波段电磁波管理功能的超柔性、超弹性和超疏水性的多孔气凝胶基织物。
有益效果
(1)本发明的宽波段电磁波管理的气凝胶基织物具有优异的电磁屏蔽效能(60dB)，能衰减99.9999％的X频段电磁波，兼具出色的保温性能(热导率约为0.025W m-1K-1)，还具有几乎为0的红外透过率，进而具有优异的红外热遮蔽性能。其次，由于气凝胶基织物内部的各向异性多孔结构的存在，入射电磁波在孔壁上产生多级反射效应，这能进一步增益气凝胶基织物的宽波段电磁波管理效能。而-Si-O-Si-溶胶的参与能赋予气凝胶基织物超疏水性能，这将避免水汽对气凝胶基织物的多功能性产生不良影响。宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的特点在于，可根据人们所设定的织物特征，自由地设计气凝胶基织物的厚度、面积及结构，从而设计出理想化实用性的宽波段电磁波管理的气凝胶基织物。可作为复合纺织品的夹层，用于制备高性能气凝胶服装，进而应用于电磁屏蔽防护、低温保暖及军事伪装等领域，将具有极广阔的市场前景。
(2)本发明的制备方法具有高效、可行、适于大规模高孔隙率孔径均一的功能性气凝胶基织物的制备等优势。
(3)本发明可以得到一种超柔性，超疏水性(155°)，高电磁屏蔽效益，高隔热性能，及红外热伪装的宽波段电磁波管理的气凝胶基织物。
附图说明
图1为保温泡沫箱、不锈钢金属板及模具搭建的自下而上冷冻装置示意图；
图2为实施例1中大面积宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的数码照片；
图3(a)、(b)为实施例1中宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的扫描电镜图片；
图4为实施例2中宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的压缩性能数码照片(图4a)，不同形变量下的压缩应力-应变曲线(图4b)，及其在1000次循环压缩下，应变为60％时的应力-应变曲线(图4c)；
图5为实施例3中宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的超柔韧性能，其最大屈曲应变≥85％(图5c)；
图6为实例3中宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的超疏水性能，接触角为155°(图6a)，拒水能力优异(图6b)；
图7为实例1、实例2、实例3、实例4及实例5中宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的电导率数据；
图8为实例2、实例3、实例4及实例5的电磁屏蔽效能数据；
图9为实例3中宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的热导率数据(热导率约为0.025Wm-1K-1)；
图10为实例3中宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的红外热伪装性能。其中在2.5～15μm波段内，红外反射率高于70％以上(图10a)，红外透过率为0(图10b)。因此该织物展现出卓越的红外热伪装效果(图10c)。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。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。
细菌纤维素水凝胶购置于桂林奇宏科技有限公司，牌号为CB08678425；
掺杂氧化锡锑纳米颗粒水性分散液购置于英国凯琳沃克公司，型号为VK-G06W；
银纳米线水性分散液为自制。银纳米线长径比为800～1200。银纳米线的制备方法为：
(a)配置溶液：将0.04g CuCl2与70g乙二醇搅拌2h，得到CuCl2/乙二醇溶液；将0.5gAgNO3和1.3g聚乙烯吡咯烷酮溶解在70g乙二醇中搅拌2h，得到AgNO3/聚乙烯吡咯烷酮/乙二醇溶液。(b)将70g乙二醇溶液倒入三口烧瓶中，加热至150℃，保持10min。(c)随后将10gCuCl2/乙二醇溶液加入该三口烧瓶中再次加热至150℃，保持10min。(d)最后在上述三口烧瓶中倒入71.8gAgNO3/聚乙烯吡咯烷酮/乙二醇溶液，继续加热至150℃，反应30min。待反应物温度冷却至室温后，将反应物缓慢倒入大玻璃瓶中，再倒入三倍体积的去离子水，避光放置一周，倒掉上清液，除去游离PVP、离子和银颗粒等，再倒入去离子水，避光放置，重复5次。最后将沉淀物用丙酮和蒸馏水各洗涤5次，标定所得银纳米线水分散液的浓度，用水稀释至5mg mL-1。
甲基三甲氧基硅烷购置于阿拉丁化学试剂有限公司，EINECS号：214-685-0。
实施例1
(1)将8.3g甲基三甲氧基硅烷溶胶置于25g乙酸水溶液(50mmol/L)中，快速搅拌到完全水解。
(2)16g细菌纤维素水凝胶(0.3wt％)与0.3g掺杂氧化锡锑水性分散液(10wt％)加入试剂瓶中搅拌至均匀，随后加入14g银纳米线水性分散液(5mg mL-1)，轻柔搅拌直至再次均匀。最后加入0.06g甲基三甲氧基硅烷水解溶胶，再次轻柔缓慢搅拌2个小时。
(3)使用保温泡沫箱、不锈钢金属板搭建的自下而上冷冻装置结构如说明书附图1所示。
(4)将步骤(2)中的分散液前驱体倒入模具中，放置在4℃的环境下预冷3h。随后放在步骤(3)冷冻装置上自下而上冷冻30min。
(5)将步骤(4)所得冻结前驱体样品置于冷冻干燥机中干燥36h，之后取出，再放于90℃的真空烘箱中退火6h，即得宽波段电磁波管理的气凝胶基织物。
如图2所示，表明：宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的数码照片，宽波段电磁波管理的气凝胶基织物具有优异的垂顺度和柔韧性。
如图3所示，表明：宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的扫描电镜图片。在微观尺度上，宽波段电磁波管理的气凝胶基织物具有高的孔隙率，空隙呈层状的各向异性。在孔壁上，细菌纤维素纳米纤维呈束状，牢牢包裹着银纳米线，掺杂氧化锡锑纳米颗粒均匀粘附在上述有机-无机交联结构中。
图1为保温泡沫箱、不锈钢金属板及模具搭建的自下而上冷冻装置示意图。由图可知，该冷冻装置搭建起来非常简单方便，有利于后续量产。
图2为大面积宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的数码照片。由图2可知，通过使用自行搭建的自下而上冷冻装置，可成功制备出大面积的，柔性的气凝胶材料。
图3为宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的扫描电镜图片。通过SEM图像，我们观察到杂化气凝胶基织物具有高度各向异性的孔结构和相对均匀的孔径(图3a)。孔壁上均匀分布着银纳米线网络，银纳米线网络上粘附有均匀散落的掺杂氧化锡锑纳米粒子。而被-Si-O-Si-纳米胶带粘结的细菌纤维素束强有力地把银纳米线和掺杂氧化锡锑紧密包裹成统一体，这样可更好地应对外界的载荷(图3b)。
图7为宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的电导率数据。由图7可知，当ATO水性分散液含量维持在1wt％时，宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的电导率为50S m-1。
实施例2
(1)将8.3g甲基三甲氧基硅烷溶胶置于25g乙酸水溶液(50mmol/L)中，快速搅拌到完全水解。
(2)17g细菌纤维素水凝胶(0.3wt％)与0.9g掺杂氧化锡锑水性分散液(10wt％)加入试剂瓶中搅拌至均匀，随后加入13g银纳米线水性分散液(5mg mL-1)，轻柔搅拌直至再次均匀。最后加入0.07g甲基三甲氧基硅烷水解溶胶，再次轻柔缓慢搅拌3h。
(3)使用保温泡沫箱、不锈钢金属板搭建的自下而上冷冻装置结构如说明书附图1所示。
(4)将步骤(2)中的分散液前驱体倒入模具中，放置在4℃的环境下预冷6h。随后放在步骤(3)冷冻装置上自下而上冷冻30min。
(5)将步骤(4)所得冻结前驱体样品置于冷冻干燥机中干燥48h，之后取出，再放于90℃的真空烘箱中退火8h，即得宽波段电磁波管理的气凝胶基织物。
图4为宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的压缩性能数码照片(图4a)，不同形变量下的压缩应力-应变曲线(图4b)，及其在1000次循环压缩下，应变为60％时的应力-应变曲线(图4c)。与传统脆性SiO2气凝胶显著不同的是，宽波段电磁波管理的气凝胶基织物样品(8.7mg cm-3,12.56mm×10.12mm×7.09mm)可以轻松应对大应变下的多次压缩，并且结构不仅不会塌陷，而且具有极快的恢复性(图4a)。图4a、b揭示了杂化气凝胶基织物在压缩-释放过程中的超弹性。与其他弹性蜂窝网络结构一样，可以在加载和卸载的应力-应变(σ-ε)曲线(图4b)中确定三个特征变形阶段：i)ε<9％的线性弹性区域，代表细胞壁的弹性弯曲，ii)9％<ε<67％的相对平坦的应力平台，这是由于细胞壁的弹性屈曲，以及iii)ε>67％的致密化状态，σ迅速增加。在95％的应变下，杂化气凝胶基织物所承受的最大应力约为130KPa。这表明杂化气凝胶基织物可以承受超过自身重量1.5×104倍的载荷，并且表现出快速的可恢复性，这是在其他有机-无机复合气凝胶中很少观察到的特性。杂化气凝胶基织物在大变形下经受1000次压缩循环时，在1000次加载-卸载循环(ε＝60％)后，滞后曲线显示几乎没有塑性变形(<1％)(图4c)。这表明-Si-O-Si-3D交联网络在有机-无机复合骨架上的沉积是有效的。这种强大的界面焊接使复合框架组成的蜂窝结构能够像微型弹簧一样发挥作用，可以提供有效的应力传递和载荷传递，从而防止压缩和弯曲断裂。因此卓越的结构坚固性保证了宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的耐用性。
图7为宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的电导率数据。由图7可知，当ATO水性分散液含量维持在3wt％时，宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的电导率为200S m-1。
图8为宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的总电磁屏蔽效能数据。图8显示，无银纳米线参与条件下，当添加3wt％掺杂氧化锡锑纳米颗粒时，杂化气凝胶基织物在12.4GHz的总电磁屏蔽效能为8dB，为入射电磁波提供84.2％的屏蔽效率。无掺杂氧化锡锑参与条件下，掺入33.33wt％银纳米线时，杂化气凝胶基面料在12.4GHz处的总电磁屏蔽效能为30dB，屏蔽了约99.9％的入射电磁波。而掺入33.33wt％银纳米线和3wt％的掺杂氧化锡锑纳米颗粒时，该杂化气凝胶基面料的电导率和总电磁屏蔽效能均大幅度提高，其中总电磁屏蔽效能为50dB，可以衰减99.999％的入射电磁波，完全满足防护服的商业需求。由此可知，适当掺杂氧化锡锑掺量对杂化气凝胶基织物的电磁屏蔽效能具有协同增益效应。
实施例3
(1)将8.3g甲基三甲氧基硅烷溶胶置于25g乙酸水溶液(50mmol/L)中，快速搅拌到完全水解。
(2)20g细菌纤维素水凝胶(0.9wt％)与1.5g掺杂氧化锡锑水性分散液(10wt％)加入试剂瓶中搅拌至均匀，随后加入10g银纳米线水性分散液(5mg mL-1)，轻柔搅拌直至再次均匀。最后加入0.07g甲基三甲氧基硅烷水解溶胶，再次轻柔缓慢搅拌4h。
(3)使用保温泡沫箱、不锈钢金属板搭建的自下而上冷冻装置结构如说明书附图1所示。
(4)将步骤(2)中的分散液前驱体倒入模具中，放置在4℃的环境下预冷8h。随后放在步骤(3)冷冻装置上自下而上冷冻1h。
(5)将步骤(4)所得冻结前驱体样品置于冷冻干燥机中干燥60h，之后取出，再放于90℃的真空烘箱中退火12h，即得宽波段电磁波管理的气凝胶基织物。
图5为宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的超柔韧性能。图5a表明杂化气凝胶基织物具有与传统织物相同的褶皱和纹理，表明它具有出色的柔韧性。该杂化气凝胶基织物的动态屈曲测试也表明它具有优异的抗屈曲性(图5b)。为了进一步展示杂化气凝胶基织物的屈曲性能，将杂化气凝胶基织物折叠一次、两次和多次后展开，它很容易恢复到原来的形状而没有任何痕迹，表现出惊人的柔韧性和可折叠性(图5c)，在此过程中，其最大屈曲应变≥85％。所有这些结果表明，该宽波段电磁波管理的气凝胶基织物具有非凡的超弹性和超柔韧性，为气凝胶智能服装的成功孵化提供了机械支撑。
图6为宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的超疏水性能，表观水接触角为155°(图6a)，此外，水滴几乎不能粘附在杂化气凝胶基织物的表面，表现出超疏水性和极低的水粘附性(图6b)。
图7为在不同掺杂氧化锡锑纳米粒子的掺量下，宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的电导率数据。当掺入33.33wt％银纳米线和5wt％的掺杂氧化锡锑纳米颗粒时，该杂化气凝胶基面料的电导率达到了最大值，为502.46S m-1。
图8为在不同掺杂氧化锡锑纳米粒子的掺量下，宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的电磁屏蔽效能数据。当掺入33.33wt％银纳米线和5wt％的掺杂氧化锡锑纳米颗粒时，该杂化气凝胶基面料的总电磁屏蔽效能均达到了最大值，为60dB，可以衰减99.9999％的入射电磁波，完全满足防护服的商业需求。
图9为宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的热导率数据。气凝胶本身具有优越的隔热性能，其高孔隙率导致极低的热导率。杂化气凝胶基织物在室温(RH＝50％)下表现出的最低热导率为0.025W m-1K-1，远低于静置空气的热导率(0.026W m-1K-1)或传统绝缘材料(>0.030W m-1K-1)。这种优异的低导热性将使杂化气凝胶基织物成为热伪装材料的良好候选者。
图10为宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的红外热伪装性能。其中在2.5～15μm波段内，红外反射率高于70％以上(图10a)，红外透过率为0(图10b)。因此该织物在理论上将展现出卓越的红外热伪装效果。为了实现热伪装，热目标和背景之间的温差应该足够小，以至于红外热像仪无法检测到。作为概念验证，把杂化气凝胶基织物和工业样品均覆盖在手臂上(图10c)。而杂化气凝胶基织物的表面温度非常接近背景，这使得它在红外热像仪下几乎不可见，因此杂化气凝胶基织物可对人体实现完美的红外热伪装。因此，这种多孔杂化气凝胶基织物在热管理或红外热伪装领域具有巨大潜力。
实施例4
(1)将8.3g甲基三甲氧基硅烷溶胶置于25g乙酸水溶液(50mmol/L)中，快速搅拌到完全水解。
(2)18g细菌纤维素水凝胶(0.9wt％)与2.1g掺杂氧化锡锑水性分散液(10wt％)加入试剂瓶中搅拌至均匀，随后加入12g银纳米线水性分散液(5mg mL-1)，轻柔搅拌直至再次均匀。最后加入0.08g甲基三甲氧基硅烷水解溶胶，再次轻柔缓慢搅拌2h。
(3)使用保温泡沫箱、不锈钢金属板搭建的自下而上冷冻装置结构如说明书附图1所示。
(4)将步骤(2)中的分散液前驱体倒入模具中，放置在4℃的环境下预冷10h。随后放在步骤(3)冷冻装置上自下而上冷冻1h。
(5)将步骤(4)所得冻结前驱体样品置于冷冻干燥机中干燥72h，之后取出，再放于90℃的真空烘箱中退火16h，即得宽波段电磁波管理的气凝胶基织物。
图7为在不同掺杂氧化锡锑纳米粒子的掺量下，宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的电导率数据。当掺入33.33wt％银纳米线和7wt％的掺杂氧化锡锑纳米颗粒时，该杂化气凝胶基面料的电导率为450S m-1。
图8为在不同掺杂氧化锡锑纳米粒子的掺量下，宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的电磁屏蔽效能数据。当掺入33.33wt％银纳米线和7wt％的掺杂氧化锡锑纳米颗粒时，该杂化气凝胶基面料的总电磁屏蔽效能为44dB，可以衰减99.996％的入射电磁波。
实施例5
(1)将8.3g甲基三甲氧基硅烷溶胶置于25g乙酸水溶液(50mmol/L)中，快速搅拌到完全水解。
(2)19g细菌纤维素水凝胶(0.9wt％)与2.7g掺杂氧化锡锑水性分散液(10wt％)加入试剂瓶中搅拌至均匀，随后加入11g银纳米线水性分散液(5mg mL-1)，轻柔搅拌直至再次均匀。最后加入0.08g甲基三甲氧基硅烷水解溶胶，再次轻柔缓慢搅拌2h。
(3)使用保温泡沫箱、不锈钢金属板搭建的自下而上冷冻装置结构如说明书附图1所示。
(4)将步骤(2)中的分散液前驱体倒入模具中，放置在4℃的环境下预冷12h。随后放在步骤(3)冷冻装置上自下而上冷冻1h。
(5)将步骤(4)所得冻结前驱体样品置于冷冻干燥机中干燥84h，之后取出，再放于90℃的真空烘箱中退火20h，即得宽波段电磁波管理的气凝胶基织物。
图7为在不同掺杂氧化锡锑纳米粒子的掺量下，宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的电导率数据。当掺入33.33wt％银纳米线和9wt％的掺杂氧化锡锑纳米颗粒时，该杂化气凝胶基面料的电导率为450S m-1。
图8为在不同掺杂氧化锡锑纳米粒子的掺量下，宽波段电磁波管理的气凝胶基织物的电磁屏蔽效能数据。当掺入33.33wt％银纳米线和9wt％的掺杂氧化锡锑纳米颗粒时，该杂化气凝胶基面料的总电磁屏蔽效能为36dB，可以衰减99.97％的入射电磁波。

Claims (9)

1.一种宽波段电磁波管理的气凝胶基材料，其特征在于，所述气凝胶基材料为多孔气凝胶基材料，其中孔隙呈各向异性的层状孔结构，孔壁上均匀分布有机-无机交联成分，其中有机-无机交联成分包括细菌纤维素、银纳米线、掺杂氧化锡锑纳米颗粒及-Si-O-Si-溶胶交联结构；
其中所述宽波段电磁波管理的气凝胶基材料的制备方法，包括：
（1）将甲基三甲氧基硅烷溶胶置于乙酸水溶液中，搅拌至完全水解，得到甲基三甲氧基硅烷水溶胶；
（2）细菌纤维素水凝胶、掺杂氧化锡锑水性分散液搅拌混匀，然后加入银纳米线水性分散液，搅拌，最后加入甲基三甲氧基硅烷水溶胶，搅拌，得到分散液前驱体；所述细菌纤维素水凝胶的添加量为52.70 wt %~65.85 wt %；掺杂氧化锡锑水性分散液的添加量为0.99 wt%~8.24 wt %；银纳米线水性分散液的添加量为30.51 wt %~46.11 wt %；甲基三甲氧基硅烷硅烷水溶胶的添加量为0.21 wt %~0.22 wt %；
（3）将分散液前驱体冷冻、干燥、退火，得到宽波段电磁波管理的气凝胶基材料。
2.根据权利要求1所述气凝胶基材料，其特征在于，所述有机-无机交联为银纳米线与细菌纤维素形成牢固氢键，而疏水性-Si-O-Si-溶胶充当纳米胶带把交联的银纳米线-细菌纤维素的弱界面牢固焊接，形成有机-无机交联结构，掺杂氧化锡锑纳米颗粒均匀粘附在有机-无机交联结构中。
3.根据权利要求1所述气凝胶基材料，其特征在于，所述细菌纤维素、银纳米线、掺杂氧化锡锑纳米颗粒及-Si-O-Si-溶胶的质量比为（16~20）:（10-14）:（0.3~2.7）:（0.06~0.08）。
4.一种权利要求1所述宽波段电磁波管理的气凝胶基材料的制备方法，包括：
（1）将甲基三甲氧基硅烷溶胶置于乙酸水溶液中，搅拌至完全水解，得到甲基三甲氧基硅烷水溶胶；
（2）细菌纤维素水凝胶、掺杂氧化锡锑水性分散液搅拌混匀，然后加入银纳米线水性分散液，搅拌，最后加入甲基三甲氧基硅烷水溶胶，搅拌，得到分散液前驱体；
（3）将分散液前驱体冷冻、干燥、退火，得到宽波段电磁波管理的气凝胶基材料。
5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述步骤 (2) 中掺杂氧化锡锑水性分散液为掺杂氧化锡锑纳米颗粒水性分散液；银纳米线长径比为800~1200。
6.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述步骤 (1)、(2) 中搅拌温度为室温，转速为125 rpm，搅拌时间为2~4 h。
7.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述步骤 (3) 中冷冻方法为自下而上的定向冷冻法，冷源上表面的温度为-60 ~ -80 ℃，冷冻时间30 min~2 h，冷冻结束时，置于冷源上表面的模具内的样品上下温度差为20 ~ 30 ℃；干燥为冷冻干燥，时长36~84 h；退火为90 ℃，退火6~20 h。
8.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤 (3) 中在室温为20 ℃以下的环境温度中放置于冷冻干燥机中。
9.一种权利要求1所述宽波段电磁波管理的气凝胶基材料在智能服装领域中的应用。
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