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空气气氛下生物质导电炭织物的形成机制研究及其在电磁屏蔽中的应用

空气气氛下生物质导电炭织物的形成机制研究及其在电磁屏蔽中的应...

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作者：俞津浙江理工大学

学位级别：硕士

当前,电子设备产生的电磁污染已严重威胁人类健康和精密电子设备的安全使用,受到全球研究人员的广泛关注。导电纺织品材料具有导电性好、结构稳定在航空航天、智能电子等电磁屏蔽防护领域具有重要的应用前景。其中,棉纺织品炭化所得的... 详细信息

当前,电子设备产生的电磁污染已严重威胁人类健康和精密电子设备的安全使用,受到全球研究人员的广泛关注。导电纺织品材料具有导电性好、结构稳定在航空航天、智能电子等电磁屏蔽防护领域具有重要的应用前景。其中,棉纺织品炭化所得的生物质类炭织物以其轻便灵活、耐热耐候、结构稳定具有较大的应用潜力。此外,原材料具有天然易得、成本低廉、可生物降解等优势,适用于当下发展强、轻、宽、薄与绿色环保型电磁屏蔽材料的需求。然而,传统的炭化棉织物方式需要严格限氧,并普遍存在耗时长、制备过程复杂、反应条件苛刻等缺点,难以满足其在柔性电磁屏蔽材料中的广泛应用与快速发展。因此,如何能在空气气氛下探究一种快速化、规模化、结构受控的制备条件成为了当下的重点问题。本文通过借助膨胀型阻燃剂在棉纤维表面构筑可调控型成炭涂层,利用其在高温、空气气氛下发生快速热解,在棉纤维表面形成隔氧保护膨胀炭层;所形成的微惰性环境,在促进棉纤维成炭的同时,能够有效促进棉纤维转化为高度石墨化的炭材料,实现导电转化。基于此,本论文探究炭化温度、时间及负载量等因素对炭化织物结构、组成与导电性能的影响,探索导电炭结构的形成和演变机理,研究其对电磁屏蔽性能的影响及其构效关系;继而以所制备的导电炭织物为基材,利用原位物理吸附和化学改性方式,制备两类导电炭织物基电磁屏蔽复合材料,分别研究其结构形貌及其对电磁屏蔽性能的影响。相较于传统的制备方式,这种高温、短时、空气下的炭化方法更为高效,有望在柔性电磁屏蔽材料中表现出显著的综合优势。本文的主要研究内容及结论如下:(1)空气气氛下生物质导电炭织物的形成机制及影响因素研究采用喷涂技术,将聚磷酸铵、尿素、丝胶蛋白三组分按一定比例喷涂在棉织物的表面,构建膨胀型阻燃涂层,研究炭化温度、时间及负载量对炭化过程和炭化织物结构和性能的影响。研究结果表明,炭化温度是影响导电性最重要的因素,随着炭化温度的增加,炭化织物的导电性能逐渐增加,在900℃下炭化20 min的织物方阻和电磁屏蔽效能分别达到24.81Ω/sq和25.16 d B。其次,炭化时间也可进一步影响导电性能。研究表明,在900℃下随着炭化时间的延长,织物的导电性能出现缓慢的上升趋势,然而屏蔽效能出现先增加后下降的趋势,这是由于炭化时间的延长导致纤维间缝隙明显增加,从而造成一定的漏波行为。最后,在确定最佳炭化温度和时间的基础下,我们讨论了膨胀型阻燃剂含量对炭化织物导电性及其屏蔽效能的影响,屏蔽效能随着负载量的增加出现先增加后下降的趋势。基于此,我们得出在负载量为5 mg/cm2时,在900℃空气气氛下炭化15 min,织物的电磁屏蔽效能最高达到29.04 d B,可屏蔽99%以上的电磁波。(2)生物质导电炭/Ag NWs复合材料的制备及其性能研究采用物理吸附的方式,以上述导电炭织物为基材,通过毛细作用将高导电性银纳米线自发组装在棉织物的表面,然后通过PDMS处理生物质导电炭/Ag NWs复合材料,以此制备一种具有高导电性、自清洁作用的柔性电磁屏蔽复合材料。研究结果表明:当银纳米线的负载量达到4 mg/cm2时,复合材料的方阻达2.32Ω/sq,平均电磁屏蔽效能达到68.52 d B。PDMS涂层不仅使其具有141.8°的疏水效果,还赋予材料较好的力学性能。(3)生物质导电炭/PPy复合材料的制备及其性能研究采用化学原位改性的方式,以上述导电炭织物为基材,通过原位聚合方式在其表面生长聚吡咯,弥补高温炭化过程导致的炭化织物缝隙漏波现象。研究结果表明:聚吡咯的生长进一步增加了材料的导电性能,当聚吡咯生长2 h后,可以使复合材料的方阻达13.57Ω/sq,电磁屏蔽效能达到28.22 d B。更为重要的是,聚吡咯的负载使得复合材料的热稳定性进一步提高,其在800℃下的残炭量分别为53.24%、63.18%。本研究为炭化导电纺织品提供了一种在高温、空气气氛下短时炭化的新型制备方式,并探究了空气气氛不同条件下的成炭演变与结构特点,同时所制备的炭化纺织品也可作为一种良好的导电基材,为制备柔性电磁屏蔽材料提供良好的载体。

关键词：高温短时空气气氛炭化生物质棉纤维电磁屏蔽

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