CN111171482B - 碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的制备方法 - Google Patents

碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，具体为：将乙丙醇溶液与银纳米线溶液混合，得到银纳米线/乙丙醇溶液；将聚偏氟乙烯颗粒溶于N,N‑二甲基甲酰胺中进行水浴反应，得到聚偏氟乙烯/N,N‑二甲基甲酰胺溶液；再将柔性碳纤维毡浸泡在银纳米线/乙丙醇溶液中，放置在贴有聚四氟乙烯膜的培养皿中，干燥，重复九次，之后在聚偏氟乙烯/N,N‑二甲基甲酰胺溶液中浸泡，放置在贴有聚四氟乙烯膜的培养皿中，干燥，得到碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料。本发明的方法，不仅工艺简单，安全性高，能够满足多种电子产品应用需求，同时实现了低的填料含量、较大的屏蔽层厚度以及高的电磁屏蔽性能。

Description

碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于高分子复合材料制备技术领域，具体涉及碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的制备方法。
背景技术
近些年来，石墨烯，碳纳米管，过渡金属氧化物/碳氮化物等嵌入导电填料的导电高分子复合材料因其质量轻，易于制造，耐腐蚀性好及在较宽的频率范围内具有优异的吸收和反射电磁辐射的性能等优点而受到人们的广泛关注，但对于包含导电填料的导电聚合物复合材料通常需要较大的屏蔽层厚度，且具有良好的屏蔽效果，这将会限制其在航空航天，小型便携式电子设备和高集成度集成电路通信设备中的实际应用。
为解决电磁干扰引起的各种问题，对聚合物基、金属基和碳基材料进行了研究。然而，大多数金属及金属化合物密度高，韧性差，加工困难，易于腐蚀和可设计性差，这会极大的限制了其在电磁屏蔽中的应用。
碳基材料具有低密度，高电导率和良好的热性能等优点，被认为是电磁干扰屏蔽材料的理想选择，然而，纯碳材料在好氧条件下易于氧化，为解决此类问题及获得较大厚度的电磁屏蔽材料，采用简单的溶液包覆法；将柔性碳纤维毡作为基材，选用银纳米线作为导电元件，由于柔性碳纤维毡本身的粗糙性和好孔性，使其作为柔性基材很容易使银纳米线发生沉积和粘附，致密的银纳米线层有利于电磁屏蔽性能的提高。为进一步稳定柔性碳纤维毡表面的银纳米线网络结构，在银纳米线层的表面上合成了聚偏氟乙烯层。对于这种超高电磁屏蔽性能复合材料的制备，加工简单，产品性价比高，被认为是在超高电磁屏蔽性能应用中研究的一种新的热点。
发明内容
本发明的目的在于提供碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，解决了现有技术中复合材料电磁屏蔽性能低的问题。
本发明所采用的技术方案是，碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将乙丙醇溶液与银纳米线溶液混合，用漩涡混合器将混合溶液搅拌，得到质量浓度为2mg/ml的银纳米线/乙丙醇溶液；
步骤2、将聚偏氟乙烯颗粒溶于N,N-二甲基甲酰胺中，进行水浴反应，得到质量浓度为100mg/ml的聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液；
步骤3、将柔性碳纤维毡浸泡在银纳米线/乙丙醇溶液中，随后放置在贴有聚四氟乙烯膜的培养皿中，干燥，重复浸泡干燥九次，得到九层银纳米线包覆的碳纤维毡织物；
步骤4、将九层银纳米线包覆的碳纤维毡织物在聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液中浸泡，随后放置在贴有聚四氟乙烯膜的培养皿中，干燥，得到碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料。
本发明的特点还在于，
步骤1中，搅拌时间为0.5～1h。
步骤2中，反应温度为80℃～90℃，反应时间为1～2h。
步骤3中，浸泡时间均为1～3s，干燥温度均为40℃～60℃，干燥时间均为30min～60min。
步骤4中，浸泡时间为1s～3s。
步骤4中，干燥温度为40℃～60℃，干燥时间为2h～3h。
本发明的有益效果是：
本发明的方法，不仅工艺简单，安全性高，能够满足多种电子产品应用需求，同时实现了低的填料含量、较大的屏蔽层厚度以及高的电磁屏蔽性能。
附图说明
图1是本发明方法制备的碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的电磁屏蔽性效能图；
图2是纯柔性碳纳米纤维毡和单层银纳米线的碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的电磁屏蔽性效能图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将乙丙醇溶液与银纳米线溶液混合，用漩涡混合器将混合溶液搅拌0.5～1h，使溶液均匀混合，得到质量浓度为2mg/ml的银纳米线/乙丙醇溶液；
银纳米线溶液由银纳米线和乙丙醇组成，银纳米线溶液的质量浓度为1％；
步骤2、将聚偏氟乙烯颗粒溶于N,N-二甲基甲酰胺中，于80℃～90℃的条件下水浴反应1～2h，得到质量浓度为100mg/ml的聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液；
步骤3、将柔性碳纤维毡浸泡在银纳米线/乙丙醇溶液中，随后用镊子取出放置在贴有聚四氟乙烯膜的培养皿中，干燥，得到单层银纳米线包覆的碳纤维毡织物；之后再将单层银纳米线包覆的碳纤维毡织物浸泡在银纳米线/乙丙醇溶液中，随后用镊子取出放置在贴有聚四氟乙烯膜的培养皿中，干燥；重复进行浸泡干燥九次，得到九层银纳米线包覆的碳纤维毡织物；
浸泡时间均为1～3s；干燥温度均为40℃～60℃，干燥时间均为30min～60min；
培养皿为直径为60mm的圆形培养皿；
柔性碳纤维毡的尺寸为13mm×2mm；柔性碳纤维毡的生产产家为上海联兵环保科技有限公司；
步骤4、将九层银纳米线包覆的碳纤维毡织物在聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液中浸泡1s～3s，随后用镊子取出放置在贴有聚四氟乙烯膜的培养皿中，在40℃～60℃的条件下干燥2h～3h，得到碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料。
实施例1
一种碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、称取12ml的乙丙醇溶液与3ml银纳米线溶液混合，用漩涡混合器将混合溶液搅拌0.5h，使溶液均匀混合，得到质量浓度为2mg/ml银纳米线/乙丙醇溶液；
步骤2、称取10g聚偏氟乙烯溶解于90ml的N,N-二甲基甲酰胺中，在80℃的水浴锅中搅拌80min，使聚偏氟乙烯完全溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，得到浓度为100mg/ml的聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液；
步骤3、将柔性碳纤维毡在银纳米线/乙丙醇溶液中浸泡1s，随后用镊子取出放置在贴有聚四氟乙烯膜的培养皿中，在40℃下干燥30min，重复操作九次，得到九层银纳米线包覆的碳纤维毡织物；
步骤4、取步骤3所制样品分别在聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液中浸泡1s，随后用镊子取出放置在贴有聚四氟乙烯膜的培养皿中，在40℃下干燥2h，得到碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料。
相比于商用的电磁屏蔽材料(20dB)，实施例1制备的碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的电磁屏蔽效能为64.1dB，相应的提高了220.5％。
实施例2
一种碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、称取12ml的乙丙醇溶液与3ml银纳米线溶液混合，用漩涡混合器将混合溶液搅拌1h，使溶液均匀混合，得到质量浓度为2mg/ml银纳米线/乙丙醇溶液；
步骤2、称取10g聚偏氟乙烯溶解于90ml的N,N-二甲基甲酰胺中，在90℃的水浴锅中搅拌90min，使聚偏氟乙烯完全溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，得到浓度为100mg/ml的聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液；
步骤3、将柔性碳纤维毡浸泡在银纳米线/乙丙醇溶液中，浸泡时间为3s，随后用镊子取出放置在贴有聚四氟乙烯膜的培养皿中，在60℃的条件下干燥60min，重复操作九次，得到九层银纳米线包覆的碳纤维毡织物；
步骤4、取步骤3所制样品分别在聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液中浸泡3s，随后用镊子取出放置在贴有聚四氟乙烯膜的培养皿中，在60℃下干燥3h，得到碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料。
相比于商用的电磁屏蔽材料(20dB)，实施例2制备的碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的电磁屏蔽效能为69.2dB，相应的提高了246％。
实施例3
一种碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、称取12ml的乙丙醇溶液与3ml银纳米线溶液混合，用漩涡混合器将混合溶液搅拌45min，使溶液均匀混合，得到质量浓度为2mg/ml银纳米线/乙丙醇溶液；
步骤2、称取10g聚偏氟乙烯溶解于90ml的N,N-二甲基甲酰胺中，在85℃的水浴锅中搅拌85min，使聚偏氟乙烯完全溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，得到浓度为100mg/ml的聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液；
步骤3、将柔性碳纤维毡浸泡在银纳米线/乙丙醇溶液中，浸泡时间为1～3s，随后用镊子取出放置在贴有聚四氟乙烯膜的培养皿中，在50℃的条件下干燥50min，重复操作九次，得到九层银纳米线包覆的碳纤维毡织物；
步骤4、取步骤3所制样品分别在聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液中浸泡2s，随后用镊子取出放置在贴有聚四氟乙烯膜的模具中放入烘箱，在50℃下干燥2.5h，得到碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料。
相比于商用的电磁屏蔽材料(20dB)，实施例3制备的碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的电磁屏蔽效能为73.4dB，相应的提高了267％。
图2是纯柔性碳纳米纤维毡和单层银纳米线的碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的电磁屏蔽性效能图，纯柔性碳纳米纤维毡平均电磁屏蔽效能为47.3dB，当柔性碳纳米纤维毡表面浸覆一层银纳米线层时其平均电磁屏蔽效能为65.7dB；本发明方法制备的碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的电磁屏蔽性效如图1所示，其具有高的电磁屏蔽性能，复合材料的总屏蔽效能(SET)由屏蔽吸收(SEA)和屏蔽反射(SER)组成，复合材料的SEA与SET变化趋势一致；但是，与SEA相比，SER的值几乎不变。以上结果充分证明，碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的微波吸收比微波反射对整体屏蔽效果的贡献更大，这表明微波吸附占屏蔽机制的主导作用。此外，该复合材料比金属材料产生的微波反射引起的二次电磁污染更少，这对于高精度电子设备中的应用至关重要。
本发明一种碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，主要采用溶液浸泡层层自组装技术，将柔性碳纤维毡浸泡在银纳米线/乙丙醇溶液中，进行多次重复制成具有多层结构的复合材料。制备所得碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料工艺简单，安全性高，易于批量化生产且具有超高的电磁屏蔽性能，在各种电子电器设备、航空航天以及下一代柔性电子领域具有很大的实用和推广价值。

Claims (3)

1.碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将异丙醇溶液与银纳米线溶液混合，用漩涡混合器将混合溶液搅拌，得到质量浓度为2mg/ml的银纳米线/异丙醇溶液；
步骤2、将聚偏氟乙烯颗粒溶于N,N-二甲基甲酰胺中，进行水浴反应，得到质量浓度为100mg/ml的聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液；反应温度为80℃～90℃，反应时间为1～2h；
步骤3、将柔性碳纤维毡浸泡在银纳米线/异丙醇溶液中，随后放置在贴有聚四氟乙烯膜的培养皿中，干燥，重复浸泡干燥九次，得到九层银纳米线包覆的碳纤维毡织物；浸泡时间均为1～3s，干燥温度均为40℃～60℃，干燥时间均为30min～60min；
步骤4、将九层银纳米线包覆的碳纤维毡织物在聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液中浸泡，浸泡时间为1s～3s；随后放置在贴有聚四氟乙烯膜的培养皿中，干燥，得到碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，搅拌时间为0.5～1h。
3.根据权利要求1所述的碳纤维毡/银纳米线/聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，干燥温度为40℃～60℃，干燥时间为2h～3h。
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