CNF/MXene三元复合膜的制备及其电磁屏蔽性能研究

作     者：辛伟 

作者单位：北京林业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马明国

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：CNF MXene 电磁屏蔽 复合膜材料 多功能性 

摘      要：随着全球电子设备的迅速普及和相关电子设备功率的不断提高,产生的电磁波污染急剧上升,进而影响人类健康和正常生活。为了提高电子设备的抗电磁污染的能力,需要设计一种具备一定电磁屏蔽性能的材料来保护设备的正常运行。然而,传统电磁屏蔽材料存在工艺复杂、成本高、制备效率低等问题。目前,优化制备途径、提升力学性能、调控微观结构以及探索其他性能已经成为电磁屏蔽材料研究和发展的方向。纤维素作为当今世界上资源最丰富的高分子材料,具有优异的力学强度、良好的柔韧性等特点,其中纤维素纳米纤维更是具备一维纳米结构,较高的长径比,在电磁屏蔽领域具有重要作用。针对传统电磁屏蔽材料密度大和韧性差等问题,本文构建纤维素纳米纤维(CNF)/MXene三元复合材料,探索其在电磁屏蔽领域中的应用,拓展其应用领域。首先,采用真空抽滤方式制备MXene还原银纳米颗粒与纳米纤维素构造具备“砖泥结构的复合薄膜。研究发现,纤维素纳米纤维的加入增强了其氢键作用力,获得具有良好电磁屏蔽性能(50.7 d B)和机械性能(32.1 MPa)的复合薄膜。该复合薄膜具有优异的电导率(588.2 S m)。此外,由于MXene还原的银纳米颗粒分散于“砖泥结构中,这种独特结构不仅增强了复合材料之间缠绕和氢键作用力,而且银纳米微颗粒可进一步加强电磁屏蔽损耗,其在电磁屏蔽领域展示巨大的应用潜力,从而对于生物质高值化利用提出新思路。其次,制备出独特的砖泥结构的CNF/MXene/蒙脱土(MMT)复合薄膜。研究显示,与传统的纯MXene薄膜相比,该复合薄膜具备出色的电磁屏蔽性能(44d B)、隔热保温性能和力学性能(127 MPa)。CNF和MMT均具备较低的导热系数,因此复合薄膜材料具有一定的光热性能。该复合薄膜在隔热保温、电磁屏蔽等领域具有潜在的应用,为开发多功能电磁屏蔽复合材料奠定了基础。最后,通过冷冻干燥的方法制备了超轻灵活的CNF/MXene气凝胶。通过将MXene与纤维素纳米纤维冻干后获得块状气凝胶,再进行硅胶涂布后热压处理获得气凝胶。其三维网络骨架可以进一步对电磁污染进行吸收损耗,电磁屏蔽性能可达到39.5 d B。同时,该气凝胶具有良好的力学性能(1.6 MPa)、光热性能和电热性能。硅胶涂层的气凝胶也具备良好的疏水性(≈138°)。该研究为复合气凝胶多途径应用提供了新的研究思路。