[發明專利]一種CNF-MXene-PEI高強度高導電材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202111164830.4
• 申請日: 2021-09-30
• 公開（公告）號: CN113817230A
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 李美春;梅長彤;周國強
• 申請（專利權）人: 南京林業大學
• 主分類號: C08L1/04
• 分類號: C08L1/04;C08L79/02;C08K7/00;C08K3/14;C08K9/02
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 許婉靜

本發明提供了一種CNF?MXene?PEI高強度高導電材料及其制備方法和應用，屬于功能性材料技術領域。所述CNF?MXene?PEI高強度高導電材料包括纖維素納米纖維、MXene納米片和聚乙烯亞胺，所述纖維素納米纖維與所述MXene納米片的質量比為2:3，所述聚乙烯亞胺的添加量為所述纖維素納米纖維質量的1～5％。通過本發明的制備方法制備的CNF?MXene?PEI高強度高導電材料，具有優異的力學性能和導電性能，可以應用于傳感器、電熱器件及儲能器件中。

技術領域

本發明屬于功能性材料領域，尤其涉及含有高分子物質的制品或成形材料的制造，具體涉及一種CNF-MXene-PEI高強度高導電材料及其制備方法和應用。

背景技術

MXene作為一種新型的二維過度金屬碳化物、氮化物或碳氮化物，具有大的比表面積、2D層狀結構、豐富的表面化學性質、優良的導電性，以及對多種外部刺激的響應能力，因此是一種構建先進功能材料的理想填料。MXene表面的極性官能團(Tx)，例如-F、＝O和-OH，使其能夠在不改變其固有屬性的情況下通過氫鍵組裝成各種宏觀結構。然而，MXene納米片重堆疊嚴重，以及相鄰納米片之間的弱相互作用導致純MXene材料的柔韌性和機械性能較差，這嚴重限制了它們在可穿戴電子設備中的實際應用。

目前，針對上述存在的問題，已有研究者使用源于生物質的CNF來增強MXene的力學性能。CNF作為1D材料可以插層到2D的MXene納米片之間，通過與MXene形成氫鍵的作用形成類珍珠的層狀結構，得益于這種仿生結構以及CNF與MXene之間較好的相互作用，CNF/MXene薄膜已被證明具有優異的力學性能，并在電磁屏蔽、電化學儲能及電熱器件方面具有良好的應用前景。

然而，目前CNF與MXene之間的界面結合力主要依靠氫鍵來提供，如何進一步提高MXene和CNF之間的界面結合，制備力學性能更優異的功能型導電薄膜，對拓寬CNF/MXene材料的實際應用領域具有十分重要的意義。

《Binary Strengthening and Toughening of MXene/Cellulose NanofiberComposite Paper with Nacre-Inspired Structure and Superior ElectromagneticInterference Shielding Properties》(ACS Nano,2018,12(5),4583-4593)中公開了一種CNF/MXene復合薄膜的制備方法，主要包括四個步驟：步驟1，根據現有的蝕刻和分層方法，采用HCl/LiF合成分層的MXene分散液；步驟2，采用酸水解方法提取出纖維素納米纖維分散液；步驟3，將步驟1和2得到的MXene分散液和CNF分散液共混超聲處理，得到混合分散液；步驟4，通過對步驟3中的混合分散液進行過濾得到CNF/MXene薄膜。通過該文獻中公開的方法制備的CNF/MXene薄膜結構中，CNF與MXene主要依靠氫鍵形成界面結合，薄膜的韌性和強度不夠，從而限制了其在實際中的應用。

專利申請CN113004556A中公開了一種CNF/MXene-銀納米線復合薄膜的制備方法，包括五個步驟：步驟1，根據蝕刻和分層的方法，采用HCl/LiF合成分層的MXene分散液；步驟2，將CNF超聲分散在去離子水中，得到分散均勻的CNF分散液；步驟3，向步驟2得到的CNF分散液中加入步驟1的MXene分散液，超聲分散，之后再機械攪拌，得到均勻的MXene/CNF混合分散液；步驟4，將AgNWs溶液分散在纖維素納米纖維分散液中，得到均勻的AgNWs/CNF混合分散液；步驟5，利用真空輔助過濾，將AgNWs/CNF混合分散液和MXene/CNF混合分散液依次過濾到混合纖維膜上，得到多層CNF/MXene-銀納米線復合薄膜。該專利申請中通過層狀結構的設計，制備出了超薄、低填充、高效電磁屏蔽性能的薄膜；但是該薄膜中使用了銀納米線，銀納米線表面容易被氧化，從而影響其電阻。

發明內容