一种MXene/改性聚合物气凝胶及其制备方法和应用

本发明涉及气凝胶制备领域，具体涉及一种mxene/改性聚合物气凝胶及其制备方法，同时，还涉及该制备方法制备的mxene/改性聚合物气凝胶的应用。

背景技术：

1、近年来，随着第五代(5g)通信技术和便携设备的快速发展，电磁辐射污染已经成为一个全球性的问题，引起了世界各国研究人员的广泛关注。开发高效的电磁干扰屏蔽材料对于保护精密设备和人体健康免受外界辐射是必要和迫切的。目前，国内电磁屏蔽材料存在密度大、易损坏、难加工等问题。

2、过渡金属碳/氮化物(mxene)是一种新兴的二维材料，自从2011年被发现以来，受到了广泛的关注与研究。mxene因其金属般的高电导率而对电磁波具有很高的反射率被广泛应用到电磁屏蔽领域。但是一般mxene材料是以粉状或者薄膜的形式宏观存在的，其结构极其致密导致密度较大，并且mxene的自组装能力弱，无法独立形成结构稳定的三维结构，严重的影响了mxene在电磁屏蔽领域中的应用。气凝胶具有比表面积大、孔径可调、骨架可调、表面性质特殊等独特优点使得其成为理想的电磁屏蔽材料。将mxene作为分散相与聚合物组装是目前制备mxene气凝胶的有效方法。

3、目前已报道的利用聚合物来与mxene悬浮液混合的材料有：明胶、聚丙烯酸、海藻酸钠等。但是mxene在黏度较大的体系中分散性较差，无法形成有效导电网络，从而影响电磁屏蔽性能。并且mxene易氧化，在与其他材料混合时搅拌时间不宜过长，在完全混合的前提下需要控制时间。同时，mxene在材料中的含量会影响工艺条件，要控制mxene比例具有一定难度。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供了一种mxene/改性聚合物气凝胶及其制备方法，利用多巴胺改性的透明质酸钠和四硼酸钠作为骨架支撑材料，单层mxene为导电填料，制备得到的mxene气凝胶具有质轻、高导电性和优秀的电磁屏蔽性能，且力学性能良好。

2、本发明还有一个目的在于提供了一种上述方法制备的mxene/改性聚合物气凝胶在电磁干扰屏蔽方面的应用，电磁屏蔽效果好。

3、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种mxene/改性聚合物气凝胶的制备方法，包括：

4、首先取3ml 10mg/ml mxene分散液，然后加入15～60mg多巴胺接枝透明质酸钠(hac)，待其完全溶解后加入12～48mg四硼酸钠，继续搅拌30min，再将其放入盛有液氮的容器中，使模具金属底座与液氮接触进行定向冷冻，并置于-10℃下冷冻2h，然后再置于冷冻干燥机中进行冷冻干燥，即可得到mxene/改性聚合物气凝胶。

5、可选的，所述多巴胺接枝透明质酸钠的制备步骤包括：

6、第一步、配制0.01mol/l的pbs缓冲溶液(1l)：

7、称取7.9g氯化钠、0.2g氯化钾、0.24g磷酸二氢钾和1.8g磷酸氢二钾加入装有300ml去离子水的500ml烧杯中，在常温下磁力搅拌溶解，然后转移到1l的容量瓶中，加入去离子水定容，即可得到0.01mol/l的pbs缓冲溶液，溶液配置完成后置于4℃冰箱中保存；

8、第二步、多巴胺接枝透明质酸钠的制备：

9、1)在室温下，称取1g透明质酸钠，装入三口烧瓶中，再加入100ml1mol/l的pbs缓冲溶液，搅拌至透明质酸钠完全溶解，然后调节溶液的ph为5左右，再依次加入0.286g n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)和催化剂0.476g 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(edc)，待其充分搅拌溶解后，再通氮气30min防止多巴胺被氧化，加入多巴胺0.566g，在冰浴下反应12h；

10、2)将反应后粗产物置于截留分子量为14kda的透析袋中，用去离子水透析2天，每隔12h换一次去离子水，除去溶液中残留的催化剂和未反应的单体得到接枝产物，将透析后的溶液进行冷冻干燥，即可得到多巴胺接枝透明质酸钠。

11、其反应如下所示：

12、

13、由上，本发明采用mxene与聚合物掺杂制作成气凝胶，来降低复合材料的密度；将mxene与hac(多巴胺接枝到透明质酸钠上)材料进行掺杂，hac上的酚羟基会优先氧化，从而保护mxene，减缓mxene在空气中的氧化，为mxene基复合气凝胶提供了一种抗氧化能力。解决了mxene堆积不易成型、mxene容易氧化、材料整体密度高问题。

14、相应的，本发明还要求保护一种前述的制备方法制备的mxene/改性聚合物气凝胶。mxene/改性聚合物气凝胶密度低，具有良好的机械性能，抗氧化能力，良好的导电性和优秀的电磁屏蔽性能。

15、相应的，本发明还要求保护一种前述的制备方法制备的mxene/改性聚合物气凝胶在电磁干扰屏蔽方面的应用，电磁屏蔽效果好。

16、与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

17、1.选择单层mxene作为导电填料。

18、mxene是一种新兴的二维材料，独特结构使其在电化学能量存储和转换应用中特别有吸引力。单层mxene其表面上有-oh，-o以及-f等官能团，可以作为各种有机或无机物种的结合位点，为构建复杂和功能多样的三维mxene体系结构提供了机会。并且表面多种官能团的存在，赋予了mxene很好的亲水性，这使得mxene具有良好的加工性能。

19、2.选择多巴胺接枝透明质酸钠。

20、海洋中贻贝的足腺细胞能够分泌出一种具有超强粘附性能的足丝蛋白，其富含二羟基苯丙氨酸，将贻贝牢牢固定在礁石、船体、绳缆等固体表面。透明质酸钠是人体内一种固有的成分，是一种葡聚糖醛酸，具有线性单链结构，分子中存在大量的羟基。因其独特的理化性质被广泛的应用于生物医药、美容品等领域。本发明通过酰胺化反应将多巴胺接枝到透明质酸钠的主链上，对其进行改性，再用于气凝胶骨架，并且制作出来的气凝胶密度低，力学性能良好。

21、3.利用共价硼酸酯键减缓mxene氧化。

22、利用四硼酸钠与顺式二羟基之间缩合反应形成的共价硼酯键作为保护剂，减缓mxene在空气中易氧化的问题，从而达到抗氧化的效果，从而保持整个mxene气凝胶的性能。硼酸酯键如下所示：

23、

技术特征：

1.一种mxene/改性聚合物气凝胶的制备方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的mxene/改性聚合物气凝胶的制备方法，其特征在于，所述多巴胺接枝透明质酸钠的制备步骤包括：

3.一种如权利要求1或2所述的制备方法制备的mxene/改性聚合物气凝胶。

4.一种如权利要求3所述的mxene/改性聚合物气凝胶在电磁干扰屏蔽方面的应用。

技术总结
本发明公开了一种MXene/改性聚合物气凝胶及其制备方法和应用，制备方法包括：首先取3ml 10mg/ml MXene分散液，然后加入15～60mg多巴胺接枝透明质酸钠，待其完全溶解后加入12～48mg四硼酸钠，继续搅拌30min，再将其放入盛有液氮的容器中，使模具金属底座与液氮接触进行定向冷冻，并置于‑10℃下冷冻2h，然后置于冷冻干燥机中进行冷冻干燥，即可得到MXene/改性聚合物气凝胶。本发明利用多巴胺改性的透明质酸钠和四硼酸钠作为骨架支撑材料，单层MXene为导电填料，制备得到的MXene气凝胶具有质轻、高导电性和优秀的电磁屏蔽性能，且力学性能良好。

技术研发人员：曹一平,李世兴,朱超,蔡少君,赵东
受保护的技术使用者：江汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15