一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料及其制備方法
1.本發明屬于電加熱與電磁屏蔽復合材料制備技術領域，涉及一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料，本發明還設計上述復合材料的制備方法。
背景技術：
2.電加熱材料是一種可實現瞬間電熱轉換的功能材料，具有加熱效率高、散熱條件好、表面功率密度高等優點，在航空航天、武器裝備、汽車工業、人工智能、電子通信和可穿戴電子設備等領域具有廣泛的應用價值。聚合物基柔性電加熱材料兼具柔性、易加工成型和耐化學腐蝕等優異性能，在電加熱領域具有重要的應用前景，能夠克服傳統無機電加熱膜和金屬電加熱膜電熱轉化效率低、加熱速率小、柔韌性較差、不易彎曲且制備工藝復雜的問題。此外，具有電磁屏蔽功能的電加熱材料在航空航天、武器裝備、汽車工業、人工智能、電子通信和可穿戴電子設備等領域也有重要的用途，不僅能夠保證精密電子元器件在低溫和電磁輻射環境下的正常運行，還能有效保護人體健康。
3.目前聚合物基柔性電加熱與電磁屏蔽復合材料主要以炭黑、石墨烯、碳納米管、金屬納米線、金屬顆粒和導電聚合物等為導電填料，以柔性聚合物(如聚烯烴、聚酯、聚乙烯醇、橡膠彈性體等)為基體復合而成，制備方法主要包括共混法、浸涂法、旋涂法、噴涂法、刮涂法和氣相沉積法等。導電填料對聚合物基柔性電加熱與電磁屏蔽復合材料發熱性能和電磁屏蔽性能的影響主要包括導電填料的用量和幾何特征(如形態、各向異性比、尺寸分布等)。例如一維納米材料(如金屬納米線、碳納米管)和二維納米材料(如石墨烯)具有極高的各向異性比和電導率，在新型聚合物基柔性電加熱和電磁屏蔽復合材料的開發中備受青睞。然而，上述常用聚合物基體的耐熱性和力學性能較低，大大限制了導電填料發熱潛力的發揮，難以達到高溫和高強度柔性電加熱與電磁屏蔽復合材料的應用需求。此外，所制備的復合材料電阻較大、施加電壓高、發熱溫度低、響應時間長且電磁屏蔽效能低，且聚合物與導電材料之間的相互作用較弱易造成導電材料脫落，從而影響電加熱與電磁屏蔽材料的發熱穩定性和使用壽命。
4.因此，目前急需在低導電材料含量下簡單有效地制備高柔性、低電壓、寬發熱溫度范圍、高電磁屏蔽效能且力學性能優異的聚合物基電加熱與電磁屏蔽復合材料。
技術實現要素：
5.本發明的目的是提供一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料，該復合材料具有良好的柔性、寬的發熱溫度范圍、快速響應、高電磁屏蔽效能及優異的耐熱型和力學性能，滿足在航空航天、武器裝備、汽車工業、人工智能、電子通信和可穿戴電子設備領域電加熱與電磁屏蔽系統的應用。
6.本發明的另一目的是提供一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料的制備方法。
7.本發明所采用的第一種技術方案是，一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材
料，包括ti3c2t
x mxene導電功能材料、芳綸纖維布與高分子聚酰亞胺。
8.本發明另一種技術方案的特點還在于：
9.ti3c2t
x mxene導電功能材料是以200～400目的ti3alc2粉末作為原料，在鹽酸和氟化鋰混合溶液中制備而成，片層大小為100～300nm。
10.本發明所采用的第二種技術方案是，一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料的制備方法，具體包括如下步驟：
11.步驟1，配制ti3c2t
x mxene分散液；
12.步驟2，采用聚多巴胺對芳綸纖維布進行改性；
13.步驟3，將步驟2改性的芳綸纖維布浸入步驟1所得ti3c2t
x mxene分散液中，取出于50～90℃烘箱中烘干，得到包覆ti3c2t
x mxene的芳綸纖維布復合材料；
14.步驟4，重復步驟3共1～3次，得到不同ti3c2t
x mxene包覆量的芳綸纖維布復合材料；
15.步驟5，在步驟4所得芳綸纖維布復合材料上植入銅箔或鋁箔電極；
16.步驟6，將步驟5所得芳綸纖維布復合材料浸入聚酰胺酸溶液，取出后在160℃/6小時-180℃/2小時下固化使聚酰胺酸轉化為聚酰亞胺，得到柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料。
17.本發明第二種技術方案的特點還在于：
18.步驟1的具體過程為：
19.將ti3alc2粉末加入到鹽酸和氟化鋰混合溶液中磁力攪拌，然后反復離心清洗直至上清液至中性，超聲并離心處理，取上清液配制得到濃度為2-6mg/ml的ti3c2t
x mxene分散液。
20.步驟2的具體過程為：
21.將芳綸纖維布放入三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽緩沖溶液中，攪拌均勻后，加入多巴胺繼續攪拌均勻，然后將芳綸纖維布取出用去離子水反復清洗，置于電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干，得到聚多巴胺功能化改性的芳綸纖維布。
22.本發明的有益效果是，本發明制備的一種可實現快速電熱轉換和電磁屏蔽的新型功能材料，主要由ti3c2t
x mxene導電功能材料、芳綸纖維布與特種高分子聚酰亞胺組成，所制備的柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料不僅具有ti3c2t
x
mxene的高電導率，又擁有芳綸纖維布的超柔性和高力學性能，從而賦予復合材料優異的電加熱性能、高電磁屏蔽效能和高力學性能。表面涂覆的特種高分子材料聚酰亞胺能夠有效保護ti3c2t
x
mxene在濕熱環境下不被氧化，從而保持導電網絡的結構穩定性的材料的服役壽命。另外，ti3c2t
x mxene表面的羥基與功能化改性的芳綸纖維布及聚酰亞胺中的羰基之間形成強的氫鍵作用，也有利于提升復合材料的界面相互作用和高力學性能。本發明所采用的制備方法簡單有效，操作可控性強，可大規模化制造且易于商業化生產，具有極大的市場潛力。所制備的柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料與傳統材料相比，具有發熱效率高、散熱條件好、表面功率密度高、電磁屏蔽性能優越、加工工藝簡單、成本低且柔韌性好等優點，可廣泛應用于航空航天、武器裝備、汽車工業、人工智能、電子通信和可穿戴電子設備等領域電加熱與電磁屏蔽系統。
附圖說明
23.圖1是本發明一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料的制備方法的實施例3所得柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料的數碼照片；
24.圖2是本發明一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料的制備方法的實施例3所得柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料在2.5v外施電壓下的發熱溫度曲線。
具體實施方式
25.下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。
26.本發明一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料，包括ti3c2t
x mxene導電功能材料、芳綸纖維布與特種高分子聚酰亞胺。
27.ti3c2t
x mxene是以200～400目的ti3alc2粉末作為原料，在鹽酸和氟化鋰混合溶液中制備而成，片層大小為100～300nm。
28.芳綸纖維布經聚多巴胺表面無損功能化改性。
29.特種高分子聚酰亞胺由前驅體聚酰胺酸在高溫下固化得到。
30.本發明一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料的制備方法，具體包括以下步驟：
31.步驟1，將ti3alc2粉末加入到鹽酸和氟化鋰混合溶液中磁力攪拌24小時，然后在3500rpm轉速下反復離心清洗直至上清液接近中性，超聲處理5分鐘后以3500rpm的轉速離心1小時，取上清液配制得到濃度為2-6mg/ml的ti3c2t
x mxene分散液。
32.步驟2，將芳綸纖維布放入500ml三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽緩沖溶液中，攪拌30分鐘后加入多巴胺繼續攪拌8小時，然后將芳綸纖維布取出用去離子水反復清洗，置于60℃電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干，得到聚多巴胺功能化改性的芳綸纖維布。
33.步驟3，將功能化改性的芳綸纖維布浸入步驟1所得ti3c2t
x mxene分散液中，取出于50～90℃烘箱中烘干，得到包覆ti3c2t
x mxene的芳綸纖維布復合材料。
34.步驟4，重復步驟3共1～3次，得到不同ti3c2t
x mxene包覆量的芳綸纖維布復合材料。
35.步驟5，在步驟4所得芳綸纖維布復合材料上植入銅箔或鋁箔電極。
36.步驟6，將步驟5所得芳綸纖維布復合材料浸入聚酰胺酸溶液，取出后在160℃/6小時-180℃/2小時下固化使聚酰胺酸轉化為聚酰亞胺，得到柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料。
37.實施例1
38.一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料的制備方法，包括如下過程：將ti3alc2粉末加入到鹽酸和氟化鋰混合溶液中磁力攪拌24小時，然后在3500rpm轉速下反復離心清洗直至上清液接近中性，超聲處理5分鐘后以3500rpm的轉速離心1小時，取上清液配制得到濃度為2mg/ml的ti3c2t
x mxene分散液。將芳綸纖維布放入500ml三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽緩沖溶液中，攪拌30分鐘后加入多巴胺繼續攪拌8小時，然后將芳綸纖維布取出用去離子水反復清洗，置于60℃電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干，得到聚多巴胺功能化改性的芳綸纖維布。將功能化改性的芳綸纖維布浸入ti3c2t
x mxene分散液中，取出于50℃烘箱中烘干，得到包覆ti3c2t
x mxene的芳綸纖維布復合材料。在所得芳綸纖維布復合材料上植入銅
箔或鋁箔電極。將芳綸纖維布復合材料浸入聚酰胺酸溶液，取出后在160℃/6小時-180℃/2小時下固化使聚酰胺酸轉化為聚酰亞胺，得到柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料。所得柔性電加熱與電磁屏蔽復合材料的電磁屏蔽效能為35db，在2.5v外施電壓下的發熱溫度為83℃。
39.實施例2
40.一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料的制備方法，包括如下過程：將ti3alc2粉末加入到鹽酸和氟化鋰混合溶液中磁力攪拌24小時，然后在3500rpm轉速下反復離心清洗直至上清液接近中性，超聲處理5分鐘后以3500rpm的轉速離心1小時，取上清液配制得到濃度為5mg/ml的ti3c2t
x mxene分散液。將芳綸纖維布放入500ml三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽緩沖溶液中，攪拌30分鐘后加入多巴胺繼續攪拌8小時，然后將芳綸纖維布取出用去離子水反復清洗，置于60℃電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干，得到聚多巴胺功能化改性的芳綸纖維布。將功能化改性的芳綸纖維布浸入ti3c2t
x mxene分散液中，取出于75℃烘箱中烘干，得到包覆ti3c2t
x mxene的芳綸纖維布復合材料。重復浸涂2次，在所得芳綸纖維布復合材料上植入銅箔或鋁箔電極。將芳綸纖維布復合材料浸入聚酰胺酸溶液，取出后在160℃/6小時-180℃/2小時下固化使聚酰胺酸轉化為聚酰亞胺，得到柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料。所得柔性電加熱與電磁屏蔽復合材料的電磁屏蔽效能為63db，在2.5v外施電壓下的發熱溫度為106.3℃。
41.實施例3
42.一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料的制備方法，包括如下過程：將ti3alc2粉末加入到鹽酸和氟化鋰混合溶液中磁力攪拌24小時，然后在3500rpm轉速下反復離心清洗直至上清液接近中性，超聲處理5分鐘后以3500rpm的轉速離心1小時，取上清液配制得到濃度為6mg/ml的ti3c2t
x mxene分散液。將芳綸纖維布放入500ml三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽緩沖溶液中，攪拌30分鐘后加入多巴胺繼續攪拌8小時，然后將芳綸纖維布取出用去離子水反復清洗，置于60℃電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干，得到聚多巴胺功能化改性的芳綸纖維布。將功能化改性的芳綸纖維布浸入ti3c2t
x mxene分散液中，取出于90℃烘箱中烘干，得到包覆ti3c2t
x mxene的芳綸纖維布復合材料。重復浸涂3次，在所得芳綸纖維布復合材料上植入銅箔或鋁箔電極。將芳綸纖維布復合材料浸入聚酰胺酸溶液，取出后在160℃/6小時-180℃/2小時下固化使聚酰胺酸轉化為聚酰亞胺，得到柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料。所得柔性電加熱與電磁屏蔽復合材料的電磁屏蔽效能為89db，在2.5v外施電壓下的發熱溫度為125℃。圖1是實施例3所得柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料的數碼照片。圖2是實施例3所得柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料在2.5v外施電壓下的發熱溫度曲線。
技術特征：
1.一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料，其特征在于：包括ti3c2t
x mxene導電功能材料、芳綸纖維布與高分子聚酰亞胺。2.根據權利要求1所述的一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料，其特征在于：所述ti3c2t
x mxene導電功能材料是以200～400目的ti3alc2粉末作為原料，在鹽酸和氟化鋰混合溶液中制備而成，片層大小為100～300nm。3.一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料的制備方法，其特征在于：具體包括如下步驟：步驟1，配制ti3c2t
x mxene分散液；步驟2，采用聚多巴胺對芳綸纖維布進行改性；步驟3，將步驟2改性的芳綸纖維布浸入步驟1所得ti3c2t
x
mxene分散液中，取出于50～90℃烘箱中烘干，得到包覆ti3c2t
x
mxene的芳綸纖維布復合材料；步驟4，重復步驟3共1～3次，得到不同ti3c2t
x mxene包覆量的芳綸纖維布復合材料；步驟5，在步驟4所得芳綸纖維布復合材料上植入銅箔或鋁箔電極；步驟6，將步驟5所得芳綸纖維布復合材料浸入聚酰胺酸溶液，取出后在160℃/6小時-180℃/2小時下固化使聚酰胺酸轉化為聚酰亞胺，得到柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料。4.根據權利要求3所述的一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料的制備方法，其特征在于：所述步驟1的具體過程為：將ti3alc2粉末加入到鹽酸和氟化鋰混合溶液中磁力攪拌，然后反復離心清洗直至上清液至中性，超聲并離心處理，取上清液配制得到濃度為2-6mg/ml的ti3c2t
x mxene分散液。5.根據權利要求4所述的一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料的制備方法，其特征在于：所述步驟2的具體過程為：將芳綸纖維布放入三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽緩沖溶液中，攪拌均勻后，加入多巴胺繼續攪拌均勻，然后將芳綸纖維布取出用去離子水反復清洗，置于電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干，得到聚多巴胺功能化改性的芳綸纖維布。
技術總結
本發明公開了一種柔性高強度電加熱與電磁屏蔽復合材料，包括Ti3C2T
