一种三维多孔功能复合材料及其制备方法

本发明属于功能复合材料，具体涉及一种多孔功能复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着人类社会的科技的发展和进步，现代工业对材料的要求也日益提高。各种具有特殊功能（如导电、导热、光热、电磁屏蔽、传感等）的功能复合薄膜材料被开发出来应用于建筑、环保、医疗、军事、机械等领域。这些功能复合薄膜材料具有结构致密、功能填料含量高、力学性能优异等优点。以mxene/纤维素纳米纤维（cnf）复合膜为例，高mxene含量的mxene/cnf薄膜不仅拥有高的电导率和电磁屏蔽性能，还具有超低的红外发射率带来的红外隐身性能。

2、然而，对于致密的薄膜材料，其隔热、隔音、吸波等能力与三维泡沫状材料相比较差。例如mxene/cnf薄膜相对隔热能力较差，然而，斯蒂芬-波耳兹曼定律 ( e= εσt4, e代表热辐射能量 (w m-2), ε代表红外发射率, σ代表斯蒂芬-波耳兹曼常数, t代表表面温度 (k))，材料的辐射能量与表面温度的4次方成正比，因此较差的隔热性能难以隔绝热源与样品表面之间的热量，从而导致表面温度偏高，使辐射能偏大，从而影响材料的红外隐身效果。而三维多孔材料与薄膜复合材料相比，其三维的多孔结构势必会影响材料的导热、导电和机械强度等性能。因此，如何获得一种材料兼顾功能复合薄膜和三维多孔泡沫优点仍然是工程领域的难点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种三维多孔功能复合材料及其制备方法，有效结合二维功能复合薄膜和三维多孔泡沫材料的优点，获得到兼具功能复合薄膜和三维多孔材料的优点的多孔功能复合材料。

2、一种三维多孔功能复合材料，由功能薄膜、热塑性膜和三维多孔泡沫材料组成，且按照功能薄膜-热塑性膜-三维泡沫-热塑性膜-功能薄膜的方式堆叠复合在一起。

3、上述三维多孔功能复合材料，进一步地，所述功能薄膜选用的材料包括但不限于石墨烯、mxene、碳纳米管、纤维素、银纳米线中的一种。功能薄膜的厚度为20-50微米。

4、上述三维多孔功能复合材料，进一步地，所述热塑性薄膜包括但不限于聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、热塑性聚氨酯薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚苯乙烯薄膜等中的一种。热塑性膜一般在20～100微米。

5、上述三维多孔功能复合材料，进一步地，所述三维多孔泡沫包括但不限于聚氨酯泡沫、密胺泡沫、聚苯乙烯泡沫等中的一种。

6、本发明提供的上述三维多孔功能复合材料的制备方法，包括以下步骤：

7、（1）选取或根据所需功能制备出功能薄膜；

8、（2）将功能薄膜、热塑性膜和三维多孔泡沫材料水平堆叠，堆叠方式按照由下至上依次为功能薄膜-热塑性膜-三维泡沫-热塑性膜-功能薄膜的方式；

9、（3）对堆叠好的材料进行热压处理，得到“三明治”结构的三维多孔功能复合材料。

10、由于二维薄膜和三维多孔泡沫之间的结构差异，很难通过粘结剂或者喷涂的方法将二者有效结合而得到具有良好稳定性的复合材料。本发明首先制备了功能薄膜和三维泡沫，然后在二维和三维界面之间引入热塑性薄膜。在热压过程中，热塑性树脂会快速塑化，并在随后的冷却过程中快速定型，从而有效地连接了二维功能薄膜和三维泡沫，从而得到了三明治结构的多孔功能复合材料。对于功能薄膜，可根据不同的应用需求选取不同的功能材料，利用不同的成型工艺制备出具有不同功能的薄膜。热塑性薄膜置于功能薄膜和多孔泡沫之间，热塑性薄膜经历塑化和冷却固化过程，粘合二维薄膜和三维多孔泡沫。

11、上述方法中，进一步地，所述功能薄膜选用的材料包括但不限于石墨烯、mxene、碳纳米管、纤维素、银纳米线中的一种或两种；当为两种时，最上层和最下层的功能薄膜为不同

12、上述方法中，进一步地，功能薄膜的制备方法包括但不限于抽滤、溶液浇筑、流延成膜、双轴拉伸、吹塑、喷涂等中的一种。

13、上述方法中，进一步地，所述热塑性薄膜包括但不限于聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、热塑性聚氨酯薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚苯乙烯薄膜等中的一种。

14、上述方法中，进一步地，所述三维多孔泡沫包括但不限于聚氨酯泡沫、密胺泡沫、聚苯乙烯泡沫等中的一种。泡沫厚度为4～6mm。

15、上述方法中，进一步地，所述热压的温度为25～320 ℃，热压时间为0～120 min，热压压力为0～30 mpa。

16、上述方法中，进一步地，所述热压采用平板硫化仪进行。

17、本发明还提供了一种mxene/三维多孔泡沫复合材料，其结构为“三明治”式的多层结构，上次到下依次为mxene/纤维素纳米纤维复合薄膜-热塑性膜-三维多孔泡沫-热塑性膜-mxene/纤维素纳米纤维复合薄膜，所述mxene/纤维素纳米纤维复合薄膜和三维多孔泡沫通过热塑性薄膜的塑化和冷却固化作用粘合。

18、上述种mxene/三维多孔泡沫复合材料，进一步地，所述三维多孔泡沫包括但不限于聚氨酯泡沫、密胺泡沫、聚苯乙烯泡沫等中的一种，优选为废弃聚氨酯泡沫；泡沫厚度为4～6mm。

19、本发明还提供了一种提高mxene/cnf薄膜的电磁屏蔽和红外隐身性能的方法，将mxene/cnf薄膜、热塑性膜和三维多孔泡沫按照mxene/纤维素纳米纤维复合薄膜-热塑性膜-三维多孔泡沫-热塑性膜-mxene/纤维素纳米纤维复合薄膜的方式堆叠后热压。

20、本发明还提供mxene/三维多孔泡沫复合材料在电磁屏蔽和红外隐身相关领域中的应用。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、1.本发明通过效结合二维功能复合薄膜和三维多孔泡沫材料的优点，获得到兼具功能复合薄膜和三维多孔材料的优点的多孔功能复合材料。

23、2.本发明通过将mxene/纤维素纳米纤维复合薄膜与三维多孔泡沫复合，显著提升了mxene的电磁屏蔽和红外隐身效果，拓宽了mxene/纤维素纳米纤维材料的应用领域。

技术特征：

1.一种三维多孔功能复合材料，其特征在于，由功能薄膜、热塑性膜和三维多孔泡沫材料组成，且按照功能薄膜-热塑性膜-三维泡沫-热塑性膜-功能薄膜的方式堆叠复合在一起。

2.根据权利要求1所述三维多孔功能复合材料，其特征在于，所述功能薄膜选用的材料包括但不限于石墨烯、mxene、碳纳米管、纤维素和银纳米线中的一种或两种。

3.根据权利要求1所述三维多孔功能复合材料，其特征在于，所述热塑性薄膜包括但不限于聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、热塑性聚氨酯薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚苯乙烯薄膜等中的一种；所述三维多孔泡沫包括但不限于聚氨酯泡沫、密胺泡沫、聚苯乙烯泡沫等中的一种。

4.权利要求1所述三维多孔功能复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述功能薄膜选用的材料包括但不限于石墨烯、mxene、碳纳米管、纤维素、银纳米线中的一种或两种；当为两种时，最上层和最下层的功能薄膜为不同；功能薄膜的制备方法包括但不限于抽滤、溶液浇筑、流延成膜、双轴拉伸、吹塑、喷涂等中的一种。

6.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述热塑性薄膜包括但不限于聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、热塑性聚氨酯薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚苯乙烯薄膜等中的一种；所述三维多孔泡沫包括但不限于聚氨酯泡沫、密胺泡沫、聚苯乙烯泡沫等中的一种。

7. 根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述热压的温度为25～320 ℃，热压时间为0～120 min，热压压力为0～30 mpa；所述热压采用平板硫化仪进行。

8.一种mxene/三维多孔泡沫复合材料，其特征在于，其结构为“三明治”式的多层结构，从上层到下层依次为mxene/纤维素纳米纤维复合薄膜-热塑性膜-三维多孔泡沫-热塑性膜-mxene/纤维素纳米纤维复合薄膜，所述mxene/纤维素纳米纤维复合薄膜和三维多孔泡沫通过热塑性薄膜的塑化和冷却固化作用粘合在一起。

9.一种提高mxene/cnf薄膜红外隐身性能的方法，其特征在于，将mxene/cnf薄膜、热塑性膜和三维多孔泡沫按照mxene/纤维素纳米纤维复合薄膜-热塑性膜-三维多孔泡沫-热塑性膜-mxene/纤维素纳米纤维复合薄膜的方式堆叠后热压。

10.权利要求1所述mxene/三维多孔泡沫复合材料在电磁屏蔽和红外隐身相关领域中的应用。

技术总结
本发明公开了一种三维多孔功能复合材料及其制备方法，由功能薄膜、热塑性膜和三维多孔泡沫材料组成，且按照功能薄膜‑热塑性膜‑三维泡沫‑热塑性膜‑功能薄膜的方式堆叠复合在一起。通过在二维和三维界面之间引入热塑性薄膜，利用在热压过程中热塑性树脂的快速塑化和冷却，连接二维功能薄膜和三维泡沫，从而得到兼具功能复合薄膜和三维多孔材料的优点的多孔功能复合材料。如将MXene/纤维素纳米纤维复合薄膜和三维多孔泡沫通过热塑性薄膜的塑化和冷却固化作用粘合得到MXene/三维多孔泡沫复合材料，从而提升了材料的电磁屏蔽和红外隐身性能，并具有有益的隔热性能，拓宽了该材料的应用领域。

技术研发人员：张伟,卢灿辉,王群豪,张健
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15