一种轻质多孔MXene聚酰亚胺复合薄膜及其制备方法与应用

本发明属于新材料，具体涉及一种轻质多孔mxene聚酰亚胺复合薄膜及其制备方法与应用。

背景技术：

1、电磁干扰屏蔽材料通常用于电子设备、通信设备、航空航天等领域，但是这些设备对于材料的重量和负荷都有严格的限制，选择轻质的电磁干扰屏蔽材料可以大大减少设备的负荷，导致设备的重量降低，这极大地提高电子设备和通信设备的使用便利性和适应性。同时，许多精密的电子元器件和设备对温度变化非常敏感，温度过高或过低都会严重影响其性能和使用寿命。具有良好隔热性的电磁屏蔽材料可以最大限度减少外界热量的传递，确保电子设备在广泛的环境温度下正常、高效且稳定地运行，这个性能可以有效避免温度变化对设备性能和可靠性的不利影响。

2、mxene是一种新型的二维过渡金属碳氮化物，其具有高的比表面积、优异的亲水性和金属导电性，在电磁屏蔽领域有着广泛的应用。现阶段，为了赋予mxene更多功能，如热管理、防腐蚀、抗氧化和卓越的力学性能等，研究人员通常将其与聚合物材料复合，以提高综合性能。然而，复合材料致密的结构使其具有较高的密度，难以实现轻质化，为了避免电磁屏蔽材料的重量成为限制其应用的瓶颈，急需开发一种轻质且高效的电磁屏蔽材料。

3、为此，能够提供一种集轻量化、隔热性和屏蔽性于一体的柔性电磁屏蔽材料是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种轻质多孔mxene聚酰亚胺复合薄膜及其制备方法与应用。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种轻质多孔mxene聚酰亚胺复合薄膜，所述复合薄膜的结构由上至下依次为聚酰亚胺纳米纤维膜层、多孔mxene层和聚酰亚胺纳米纤维膜层。

4、优选的，所述聚酰亚胺纳米纤维膜层的厚度为50-70μm，所述多孔mxene层的厚度为50-70μm。

5、优选的，所述多孔mxene层通过mxene和乙酸钴反应制备。

6、优选的，所述mxene和所述乙酸钴的质量比为1:5-5:1，优选为1:5，1:3，1:1，3:1，5:1，多孔mxene溶液制备过程中，保持mxene的量不变在mxene溶液中加入不同比例的乙酸钴进行反应，洗涤离心后得到多孔mxene溶液。

7、优选的，所述多孔mxene包含大量的介孔，孔径为4nm，以及少量的微孔，孔径为1-2nm。

8、优选的，所述聚酰亚胺纳米纤维膜层是将聚酰胺酸溶液通过静电纺丝法制备后热酰亚胺化处理得到。

9、根据上述所述的一种轻质多孔mxene聚酰亚胺复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

10、(1)将mxene溶液与乙酸钴反应得到多孔mxene溶液，备用；

11、(2)将聚酰胺酸溶液通过静电纺丝法制备得到聚酰胺酸纳米纤维膜；

12、(3)将多孔mxene溶液以聚酰胺酸纳米纤维膜为底进行真空抽滤，待水分即将抽干时，将聚酰胺酸纳米纤维膜置于多孔mxene上方继续抽滤后得到复合薄膜，然后热酰亚胺化处理后即为轻质多孔mxene聚酰亚胺复合薄膜。

13、优选的，步骤(1)中所述多孔mxene溶液的1-10mg/ml，所述mxene溶液的浓度为1-10mg/ml。

14、优选的，步骤(1)中所述mxene溶液的制备方法为：在盐酸/氟化锂的混合溶液中加入ti3alc2粉末进行刻蚀，超声离心后得到mxene溶液。

15、优选的，步骤(2)中所述静电纺丝法的参数为：注入速度为0.4-1ml/h，纺丝电压为10-20kv，距离为10-20cm，纺丝时间为8-20h。

16、优选的，所述聚酰胺酸溶液由二酐和二胺缩聚得到。

17、优选的，所述聚酰胺酸溶液的制备方法为：将二胺溶解在非质子极性溶剂后，在冰浴中加入二酐搅拌反应4-8h得到聚酰胺酸溶液。

18、优选的，所述二酐包括均苯四甲酸二酐(pmda)、联苯四甲酸二酐(bpda)、二苯甲酮四甲酸二酐(bpda)、4,4'-氧双邻苯二甲酸酐(odpa)中的至少一种；所述二胺包括4,4'-二氨基二苯醚(oda)、对苯二胺(pda)中的至少一种。

19、优选的，所述二胺和所述二酐的摩尔比为1:1。

20、优选的，所述非质子型极性溶剂为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、n,n-二甲基甲酰胺(dmac)、n-甲基吡咯烷酮(nmp)、二甲基亚砜(dmso)中的至少一种。

21、优选的，步骤(3)中所述热酰亚胺化反应的温度为280-350℃，反应时间为2-10h，反应升温速率为1-2℃/min；热酰亚胺化一方面可以使聚酰胺酸脱水环化成聚酰亚胺，另一方面可以去除mxene层间的水分子，提高复合薄膜的导电性。

22、优选的，步骤(3)中所述热酰亚胺化升温速度为1℃/min，在80℃，120℃，180℃，250℃，300℃，350℃分别保温30-50min。

23、优选的，步骤(3)中所述轻质多孔mxene聚酰亚胺复合薄膜的聚酰亚胺纤维层和多孔mxene层是通过真空负压的推动力以及氢键的相互作用进行复合。

24、上述所述的复合薄膜或上述所述的制备方法制备的复合薄膜在屏蔽电磁波中的应用。

25、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

26、本发明提供了一种轻质多孔mxene聚酰亚胺复合薄膜及其制备方法与应用，本发明将mxene与乙酸钴反应，mxene表面产生多孔结构，增加了电磁波的多次反射，pi/p-mxene/pi复合薄膜早x波段具有优异的电磁干扰屏蔽性能；且由于多层多孔结构的设计，pi/p-mxene/pi复合薄膜展现出了轻量化的特点；

27、此外，由于聚酰亚胺纳米纤维的存在，pi/p-mxene/pi复合薄膜具有优异的隔热性能，本发明所制备的轻质聚酰亚胺mxene复合薄膜可广泛应用于航空航天、电子通信等领域。

技术特征：

1.一种轻质多孔mxene聚酰亚胺复合薄膜，其特征在于，所述复合薄膜的结构由上至下依次为聚酰亚胺纳米纤维膜层、多孔mxene层和聚酰亚胺纳米纤维膜层。

2.根据权利要求1所述的一种轻质多孔mxene聚酰亚胺复合薄膜，其特征在于，所述聚酰亚胺纳米纤维膜层的厚度为50-70μm，所述多孔mxene层的厚度为50-70μm。

3.根据权利要求1所述的一种轻质多孔mxene聚酰亚胺复合薄膜，其特征在于，所述多孔mxene层通过mxene和乙酸钴反应制备，所述mxene和所述乙酸钴的质量比为1:5-5:1。

4.根据权利要求1所述的一种轻质多孔mxene聚酰亚胺复合薄膜，其特征在于，所述聚酰亚胺纳米纤维膜层是将聚酰胺酸溶液通过静电纺丝法制备后热酰亚胺化处理得到。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种轻质多孔mxene聚酰亚胺复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

6.根据权利要求5所述的一种轻质多孔mxene聚酰亚胺复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述多孔mxene溶液的1-10mg/ml，所述mxene溶液的浓度为1-10mg/ml。

7.根据权利要求5所述的一种轻质多孔mxene聚酰亚胺复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述mxene溶液的制备方法为：在盐酸/氟化锂的混合溶液中加入ti3alc2粉末进行刻蚀，超声离心后得到mxene溶液。

8.根据权利要求5所述的一种轻质多孔mxene聚酰亚胺复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述静电纺丝法的参数为：注入速度为0.4-1ml/h，纺丝电压为10-20kv，距离为10-20cm，纺丝时间为8-20h；

9.根据权利要求5所述的一种轻质多孔mxene聚酰亚胺复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述热酰亚胺化反应的温度为280-350℃，反应升温速率为1-2℃/min，反应时间为2-10h。

10.根据权利要求1-4任一项所述的复合薄膜或权利要求5-9任一项所述方法制备的复合薄膜在屏蔽电磁波中的应用。

技术总结
本发明属于新材料技术领域，公开了一种轻质多孔MXene聚酰亚胺复合薄膜及其制备方法与应用，所述复合薄膜的结构由上至下依次为聚酰亚胺纳米纤维膜层、多孔MXene层和聚酰亚胺纳米纤维膜层。本发明技术方案是用乙酸钴处理MXene得到具有多孔结构的MXene，以静电纺丝制备的聚酰胺酸纳米纤维膜为基底，通过真空抽滤得到PAA/p‑MXene/PAA复合薄膜，最后热酰亚胺化即得PI/p‑MXene/PI薄膜。本发明制备得薄膜赋予了MXene轻量化的特点，并且具有良好的电磁屏蔽性能和力学性能，同时展现出多功能性，例如：隔热性能，在航空航天、电子通信领域具有巨大的应用前景。

技术研发人员：吴俊涛,梁文浩,王广胜
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21