CN115506156B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料，包括Ti3C2TxMXene导电功能材料、纤维布增强材料与电加热膜特种高分子基体。本发明还公开了上述柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料的制备方法，该方法制得的柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料具有发热效率高、散热条件好、表面功率密度高、电磁屏蔽性能优越、加工工艺简单、成本低且柔韧性好等优点，可广泛应用于航空航天、武器装备、汽车工业、人工智能、电子通信和可穿戴电子设备等领域电加热与电磁屏蔽系统。
Description
技术领域
本发明属于电加热与电磁屏蔽复合材料制备技术领域，涉及一种柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料，本发明还设计上述复合材料的制备方法。
背景技术
电加热材料是一种可实现瞬间电热转换的功能材料，具有加热效率高、散热条件好、表面功率密度高等优点，在航空航天、武器装备、汽车工业、人工智能、电子通信和可穿戴电子设备等领域具有广泛的应用价值。聚合物基柔性电加热材料兼具柔性、易加工成型和耐化学腐蚀等优异性能，在电加热领域具有重要的应用前景，能够克服传统无机电加热膜和金属电加热膜电热转化效率低、加热速率小、柔韧性较差、不易弯曲且制备工艺复杂的问题。此外，具有电磁屏蔽功能的电加热材料在航空航天、武器装备、汽车工业、人工智能、电子通信和可穿戴电子设备等领域也有重要的用途，不仅能够保证精密电子元器件在低温和电磁辐射环境下的正常运行，还能有效保护人体健康。
目前聚合物基柔性电加热与电磁屏蔽复合材料主要以炭黑、石墨烯、碳纳米管、金属纳米线、金属颗粒和导电聚合物等为导电填料，以柔性聚合物(如聚烯烃、聚酯、聚乙烯醇、橡胶弹性体等)为基体复合而成，制备方法主要包括共混法、浸涂法、旋涂法、喷涂法、刮涂法和气相沉积法等。导电填料对聚合物基柔性电加热与电磁屏蔽复合材料发热性能和电磁屏蔽性能的影响主要包括导电填料的用量和几何特征(如形态、各向异性比、尺寸分布等)。例如一维纳米材料(如金属纳米线、碳纳米管)和二维纳米材料(如石墨烯)具有极高的各向异性比和电导率，在新型聚合物基柔性电加热和电磁屏蔽复合材料的开发中备受青睐。然而，上述常用聚合物基体的耐热性和力学性能较低，大大限制了导电填料发热潜力的发挥，难以达到高温和高强度柔性电加热与电磁屏蔽复合材料的应用需求。此外，所制备的复合材料电阻较大、施加电压高、发热温度低、响应时间长且电磁屏蔽效能低，且聚合物与导电材料之间的相互作用较弱易造成导电材料脱落，从而影响电加热与电磁屏蔽材料的发热稳定性和使用寿命。
因此，目前急需在低导电材料含量下简单有效地制备高柔性、低电压、宽发热温度范围、高电磁屏蔽效能且力学性能优异的聚合物基电加热与电磁屏蔽复合材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料，该复合材料具有良好的柔性、宽的发热温度范围、快速响应、高电磁屏蔽效能及优异的耐热性和力学性能，满足在航空航天、武器装备、汽车工业、人工智能、电子通信和可穿戴电子设备领域电加热与电磁屏蔽系统的应用。
本发明的另一目的是提供一种柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料的制备方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，一种柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料，包括Ti3C2Tx MXene导电功能材料、芳纶纤维布与高分子聚酰亚胺。
本发明另一种技术方案的特点还在于：
Ti3C2Tx MXene导电功能材料是以200～400目的Ti3AlC2粉末作为原料，在盐酸和氟化锂混合溶液中制备而成，片层大小为100～300nm。
本发明所采用的第二种技术方案是，一种柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，配制Ti3C2Tx MXene分散液；
步骤2，采用聚多巴胺对芳纶纤维布进行改性；
步骤3，将步骤2改性的芳纶纤维布浸入步骤1所得Ti3C2Tx MXene分散液中，取出于50～90℃烘箱中烘干，得到包覆Ti3C2Tx MXene的芳纶纤维布复合材料；
步骤4，重复步骤3共1～3次，得到不同Ti3C2Tx MXene包覆量的芳纶纤维布复合材料；
步骤5，在步骤4所得芳纶纤维布复合材料上植入铜箔或铝箔电极；
步骤6，将步骤5所得芳纶纤维布复合材料浸入聚酰胺酸溶液，取出后在160℃/6小时-180℃/2小时下固化使聚酰胺酸转化为聚酰亚胺，得到柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料。
本发明第二种技术方案的特点还在于：
步骤1的具体过程为：
将Ti3AlC2粉末加入到盐酸和氟化锂混合溶液中磁力搅拌，然后反复离心清洗直至上清液至中性，超声并离心处理，取上清液配制得到浓度为2-6mg/mL的Ti3C2Tx MXene分散液。
步骤2的具体过程为：
将芳纶纤维布放入三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液中，搅拌均匀后，加入多巴胺继续搅拌均匀，然后将芳纶纤维布取出用去离子水反复清洗，置于电热恒温鼓风干燥箱中烘干，得到聚多巴胺功能化改性的芳纶纤维布。
本发明的有益效果是，本发明制备的一种可实现快速电热转换和电磁屏蔽的新型功能材料，主要由Ti3C2Tx MXene导电功能材料、芳纶纤维布与特种高分子聚酰亚胺组成，所制备的柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料不仅具有Ti3C2Tx MXene的高电导率，又拥有芳纶纤维布的超柔性和高力学性能，从而赋予复合材料优异的电加热性能、高电磁屏蔽效能和高力学性能。表面涂覆的特种高分子材料聚酰亚胺能够有效保护Ti3C2Tx MXene在湿热环境下不被氧化，从而保持导电网络的结构稳定性的材料的服役寿命。另外，Ti3C2Tx MXene表面的羟基与功能化改性的芳纶纤维布及聚酰亚胺中的羰基之间形成强的氢键作用，也有利于提升复合材料的界面相互作用和高力学性能。本发明所采用的制备方法简单有效，操作可控性强，可大规模化制造且易于商业化生产，具有极大的市场潜力。所制备的柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料与传统材料相比，具有发热效率高、散热条件好、表面功率密度高、电磁屏蔽性能优越、加工工艺简单、成本低且柔韧性好等优点，可广泛应用于航空航天、武器装备、汽车工业、人工智能、电子通信和可穿戴电子设备等领域电加热与电磁屏蔽系统。
附图说明
图1是本发明一种柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料的制备方法的实施例3所得柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料的数码照片；
图2是本发明一种柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料的制备方法的实施例3所得柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料在2.5V外施电压下的发热温度曲线。
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。
本发明一种柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料，包括Ti3C2Tx MXene导电功能材料、芳纶纤维布与特种高分子聚酰亚胺。
Ti3C2Tx MXene是以200～400目的Ti3AlC2粉末作为原料，在盐酸和氟化锂混合溶液中制备而成，片层大小为100～300nm。
芳纶纤维布经聚多巴胺表面无损功能化改性。
特种高分子聚酰亚胺由前驱体聚酰胺酸在高温下固化得到。
本发明一种柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，将Ti3AlC2粉末加入到盐酸和氟化锂混合溶液中磁力搅拌24小时，然后在3500rpm转速下反复离心清洗直至上清液接近中性，超声处理5分钟后以3500rpm的转速离心1小时，取上清液配制得到浓度为2-6mg/mL的Ti3C2Tx MXene分散液。
步骤2，将芳纶纤维布放入500mL三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液中，搅拌30分钟后加入多巴胺继续搅拌8小时，然后将芳纶纤维布取出用去离子水反复清洗，置于60℃电热恒温鼓风干燥箱中烘干，得到聚多巴胺功能化改性的芳纶纤维布。
步骤3，将功能化改性的芳纶纤维布浸入步骤1所得Ti3C2Tx MXene分散液中，取出于50～90℃烘箱中烘干，得到包覆Ti3C2Tx MXene的芳纶纤维布复合材料。
步骤4，重复步骤3共1～3次，得到不同Ti3C2Tx MXene包覆量的芳纶纤维布复合材料。
步骤5，在步骤4所得芳纶纤维布复合材料上植入铜箔或铝箔电极。
步骤6，将步骤5所得芳纶纤维布复合材料浸入聚酰胺酸溶液，取出后在160℃/6小时-180℃/2小时下固化使聚酰胺酸转化为聚酰亚胺，得到柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料。
实施例1
一种柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料的制备方法，包括如下过程：将Ti3AlC2粉末加入到盐酸和氟化锂混合溶液中磁力搅拌24小时，然后在3500rpm转速下反复离心清洗直至上清液接近中性，超声处理5分钟后以3500rpm的转速离心1小时，取上清液配制得到浓度为2mg/mL的Ti3C2Tx MXene分散液。将芳纶纤维布放入500mL三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液中，搅拌30分钟后加入多巴胺继续搅拌8小时，然后将芳纶纤维布取出用去离子水反复清洗，置于60℃电热恒温鼓风干燥箱中烘干，得到聚多巴胺功能化改性的芳纶纤维布。将功能化改性的芳纶纤维布浸入Ti3C2Tx MXene分散液中，取出于50℃烘箱中烘干，得到包覆Ti3C2Tx MXene的芳纶纤维布复合材料。在所得芳纶纤维布复合材料上植入铜箔或铝箔电极。将芳纶纤维布复合材料浸入聚酰胺酸溶液，取出后在160℃/6小时-180℃/2小时下固化使聚酰胺酸转化为聚酰亚胺，得到柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料。所得柔性电加热与电磁屏蔽复合材料的电磁屏蔽效能为35dB，在2.5V外施电压下的发热温度为83℃。
实施例2
一种柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料的制备方法，包括如下过程：将Ti3AlC2粉末加入到盐酸和氟化锂混合溶液中磁力搅拌24小时，然后在3500rpm转速下反复离心清洗直至上清液接近中性，超声处理5分钟后以3500rpm的转速离心1小时，取上清液配制得到浓度为5mg/mL的Ti3C2Tx MXene分散液。将芳纶纤维布放入500mL三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液中，搅拌30分钟后加入多巴胺继续搅拌8小时，然后将芳纶纤维布取出用去离子水反复清洗，置于60℃电热恒温鼓风干燥箱中烘干，得到聚多巴胺功能化改性的芳纶纤维布。将功能化改性的芳纶纤维布浸入Ti3C2Tx MXene分散液中，取出于75℃烘箱中烘干，得到包覆Ti3C2Tx MXene的芳纶纤维布复合材料。重复浸涂2次，在所得芳纶纤维布复合材料上植入铜箔或铝箔电极。将芳纶纤维布复合材料浸入聚酰胺酸溶液，取出后在160℃/6小时-180℃/2小时下固化使聚酰胺酸转化为聚酰亚胺，得到柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料。所得柔性电加热与电磁屏蔽复合材料的电磁屏蔽效能为63dB，在2.5V外施电压下的发热温度为106.3℃。
实施例3
一种柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料的制备方法，包括如下过程：将Ti3AlC2粉末加入到盐酸和氟化锂混合溶液中磁力搅拌24小时，然后在3500rpm转速下反复离心清洗直至上清液接近中性，超声处理5分钟后以3500rpm的转速离心1小时，取上清液配制得到浓度为6mg/mL的Ti3C2Tx MXene分散液。将芳纶纤维布放入500mL三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液中，搅拌30分钟后加入多巴胺继续搅拌8小时，然后将芳纶纤维布取出用去离子水反复清洗，置于60℃电热恒温鼓风干燥箱中烘干，得到聚多巴胺功能化改性的芳纶纤维布。将功能化改性的芳纶纤维布浸入Ti3C2Tx MXene分散液中，取出于90℃烘箱中烘干，得到包覆Ti3C2Tx MXene的芳纶纤维布复合材料。重复浸涂3次，在所得芳纶纤维布复合材料上植入铜箔或铝箔电极。将芳纶纤维布复合材料浸入聚酰胺酸溶液，取出后在160℃/6小时-180℃/2小时下固化使聚酰胺酸转化为聚酰亚胺，得到柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料。所得柔性电加热与电磁屏蔽复合材料的电磁屏蔽效能为89dB，在2.5V外施电压下的发热温度为125℃。图1是实施例3所得柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料的数码照片。图2是实施例3所得柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料在2.5V外施电压下的发热温度曲线。
Claims (1)
1.一种柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料，其特征在于：包括Ti3C2Tx MXene导电功能材料、芳纶纤维布与高分子聚酰亚胺；
所述Ti3C2Tx MXene导电功能材料是以200~400目的Ti3AlC2粉末作为原料，在盐酸和氟化锂混合溶液中制备而成，片层大小为100~300 nm；
所述柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
将Ti3AlC2粉末加入到盐酸和氟化锂混合溶液中磁力搅拌24小时，然后在3500 rpm转速下反复离心清洗直至上清液接近中性，超声处理5分钟后以3500 rpm的转速离心1小时，取上清液配制得到浓度为6 mg/mL的Ti3C2Tx MXene分散液，将芳纶纤维布放入 500 mL三（羟甲基）氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液中，搅拌30分钟后加入多巴胺继续搅拌8小时，然后将芳纶纤维布取出用去离子水反复清洗，置于60℃电热恒温鼓风干燥箱中烘干，得到聚多巴胺功能化改性的芳纶纤维布；将功能化改性的芳纶纤维布浸入Ti3C2Tx MXene分散液中，取出于90℃烘箱中烘干，得到包覆Ti3C2Tx MXene的芳纶纤维布复合材料；重复浸涂3次，在所得芳纶纤维布复合材料上植入铜箔或铝箔电极；将芳纶纤维布复合材料浸入聚酰胺酸溶液，取出后在160℃/6小时-180℃/2小时下固化使聚酰胺酸转化为聚酰亚胺，得到柔性高强度电加热与电磁屏蔽复合材料。
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