[发明专利]金属化开孔泡沫和纤维基材

说明书

技术领域

本发明涉及金属化开孔泡沫或金属化纤维基材、其制备方法及其应用。

背景技术

开孔泡沫和纤维基材提供了宽范围的特性，这使其在许多领域中受到关注。金属在技术应用中也是不可或缺的。开孔、二维和三维金属结构是已知的，但其具有与块体金属相似的特性。如果将金属和聚合物组合，则可以使金属的特性(如导电性)与聚合物的特性(如其弹性或可成形性)相结合。

开孔泡沫和纤维基材的金属化可以为多种应用提供具有非常值得关注的特性的新聚合物/金属复合材料，所述应用例如燃料电池中的电极、膜、过滤、隔热、加热、超轻重量结构和催化。公认的用于聚合物材料的金属化技术包括物理或化学气相沉积和电镀(Eaves,D.Handbook of Polymer Foams 2004,Smither Rapra Press)。由于聚合物开孔泡沫复杂的三维结构，这些技术不适用于其均匀金属化。具体的问题是使金属进入开孔泡沫和纤维基材的孔内并在基材上形成连续的金属层。选择的方法可以是湿法金属化，也称为化学镀。根据不同的概念，有许多关于聚合物表面的湿法金属化的报道。聚合物镀铜的主要途径是基于用铜盐和甲醛进行的处理(Nakahara,S.；Okinaka,Y.Ann.Rev.Mater.Sci.1991,21,93)。例如，通过在碱性条件下使用PdCl₂作为活化剂用CuSO₄和甲醛处理开孔聚氨酯开孔泡沫来实现铜的湿法化学沉积(Tian,Q-h；Guo,X-y Trans.Nonferrous Met.Soc.China 2010,153,s283)。根据简洁的方法，同样使用CuSO₄和甲醛还有四氯金钠在硅烷化玻璃载片上制备等离子体铜纳米颗粒涂层(Susman,M.D.；Feldman,Y.,Vaskevich,A.Rubinstein,I.Chem.Mater.2012,24,2501)。做出了许多努力使用超声波用于快速化学镀(Cobley,A.J.；Mason,T.J.；Saez,V.Trans.Inst.Metal Fin.2011,89,303)。然而，超声辅助化学镀需要小心调节超声频率，以避免由微射流引起的金属表面的点蚀，这也可能是在没有超声的情况下由于析出氢气泡而引起的主要问题(Park,Y.S.；Kim,M.H.；Kwon,S.C.Surf.Coat.Technol.2002,20,245)。通过化学镀获得的金属层的品质对聚合物基材的重要性直接对应于其电特性。断裂和颗粒状金属层或点蚀表面将显著降低其导电性。然而，在合适的镀覆条件下，用聚氨酯泡沫制造镍电极(Inazawa,S.；Hosoe,A.；Majima,M.；Nitta,K.Sei Techn.Rew.2010,71,23)。聚氨酯泡沫用作牺牲模板。因此，获得了孔隙率高达98％且孔径为数百微米的高导电性镍开孔泡沫，其在金属氢化物电池中用作阴极集电体。

通过各种不同的材料来制备具有泡沫结构的开孔聚合物结构。例如，通过用超临界CO₂进行发泡来获得高度多孔的聚(苯乙烯-共-丙烯腈)(SAN)开孔泡沫(Kyung-Nam,L；Lee,H.-J.；Kim,J.-H.Polym.Intern.2000,49,712)。通过微波辅助的三聚氰胺甲醛(MF)树脂合成实现了用于超轻、高度多孔的开孔泡沫的高度通用且技术上已实现的方法(Wang,D.；Zhang,X.；Luo,S.；Li,S.Adv.Mater.Phys.Chem.2012,2,63)。在取决于乳化剂的使用的适当条件下，获得了表观密度低至5.53mg cm^-3且具有良好的抗压强度的海绵。用AgNO₃和PdCl₂作为活化剂进行的开孔三聚氰胺甲醛泡沫的化学镀得到了具有良好导电性(σ＝1.6*10³S m^-1)和良好电子屏蔽特性的银涂覆的开孔泡沫(Xu,Y；Li,Y.；Xu,W.,Bao,J.J.Mater.Sci.Electron.2015,26,1159)。

已知的金属化方法的问题在于，如果需要高品质的金属化，则其通常需要复杂或费力的工序和/或受限于某些聚合物表面。提供比电阻R<50Ωmm²m^-1的导电性开孔三聚氰胺甲醛泡沫的开孔三聚氰胺甲醛(MF)泡沫的金属化是未知的。