[发明专利]水性聚氨酯-MXene电磁屏蔽仿生纳米复合材料膜及制备方法

说明书

本发明涉及一种水性聚氨酯‑MXene电磁屏蔽仿生纳米复合材料膜及制备方法，通过聚四氢呋喃醚二醇与二异氰酸酯预聚反应，再经亲水性扩链剂扩链，然后加入中和剂，随后加入去离子水乳化分散，得到水性聚氨酯乳液；将水性聚氨酯和MXene水分散液，在搅拌作用下向水性聚氨酯中加入MXene，持续搅拌使得水性聚氨酯大分子充分且均匀地吸附在MXene纳米片上，从而获得水性聚氨酯‑MXene复合分散液；通过真空抽滤法、溶剂挥发法或者涂布法制备出一系列纳米复合材料膜。所制备的纳米复合材料薄膜在微纳米尺度上具有仿生贝壳层状有序的“砖‑墙”结构，其力学性能优异且具备良好的柔韧性，电磁屏蔽效能卓越，制备方法多样，厚度可控，适用面广阔。

技术领域

本发明属于电磁屏蔽材料领域，涉及一种水性聚氨酯-MXene电磁屏蔽仿生纳米复合材料膜及制备方法，是一种在微纳米尺度上具有仿生贝壳层状有序结构的电磁屏蔽纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

随着无线电子设备的蓬勃发展，电磁辐射已经成为了一种不可忽视的污染，它不仅影响到人们的健康，同时还对电子设备的正常运转产生了一定的影响。具有高电磁屏蔽效能的材料可以有效地解决这种污染问题。作为磁屏蔽材料的先决条件之一是优异的导电性，这是由于阻抗不匹配可以使入射电磁波被导电材料反射回去。早些年使用的电磁屏蔽材料通常是金属材料，但高密度、易腐蚀及易弯折性差等缺点限制了金属材料的应用。碳基复合材料，如石墨烯、还原氧化石墨烯和碳纳米管等具有低密度及出色的机械性能从而被广泛用于制备电磁屏蔽材料。然而，石墨烯和碳纳米管表面没有官能团，它们很难在溶剂和聚合物基体中分散开来而形成均一体系，同时也不能与聚合物分子链之间形成强的结合力。虽然氧化石墨烯表面拥有一些端基，但是氧化石墨烯和还原氧化石墨烯的电导率却远远低于石墨烯。这些不足也限制了进一步开发高性能的碳基电磁屏蔽复合材料。

MXene作为一种型的二维材料，尤其是应用最为广泛的Ti₃C₂T_x和Ti₂CT_x，其展现出超高的导电性。同时通过湿化学法制备的Ti₃C₂T_x及Ti₂CT_x纳米片表面含有-OH、＝O及-F等端基，这些官能团的存在赋予了Ti₃C₂T_x/Ti₂CT_x在许多极性溶剂中优异的分散性能。因此，Ti₃C₂T_x/Ti₂CT_x-聚合物复合材料在电磁屏蔽材料领域拥有广阔的应用前景。目前，Ti₃C₂T_x/Ti₂CT_x基电磁屏蔽复合材料主要为泡沫状、块状及毫米级薄膜，它们无法被应用于新兴的柔性电子、可穿戴电子设备及微小电子设备上。与此同时，现有的Ti₃C₂T_x/Ti₂CT_x-聚合物电磁屏蔽复合材料的力学性能和柔韧性也均处于较差水平。

天然贝壳由不少于95vol％的无机霰石纳米片和不超过5vol％的蛋白质大分子组成，其具有精妙的“砖-墙”层状有序结构，同时无机霰石纳米片与蛋白质大分子间存在的丰富相互作用使其展现出协同的机械性能。通过贝壳仿生策略可以构筑强度和韧性协同的纳米复合材料，同时具有层状有序微观结构的导电复合材料不仅可以反射电磁波，而且未被反射回去的电磁波进入到材料的层间能够形成多次反射而被最终耗散。因此，通过贝壳仿生策略，使用Ti₃C₂T_x/Ti₂CT_x MXene和带有氨基甲酸酯基团的水性聚氨酯(WPU)为原料，它们通过氢键超分子相互作用结合组装，从而构筑具有良好机械性能的高效能电磁屏蔽复合材料薄膜成为了可能。

发明内容