[发明专利]一种纳米纤维素/MXene/银纳米线“三明治”结构复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米纤维素/MXene/银纳米线“三明治”结构复合薄膜及其制备方法。所述方法的主要步骤是：(1)TEMPO氧化法制备纳米纤维素胶体溶液；(2)MILD法制备单层MXene胶体溶液；(3)多元醇还原法制备银纳米线胶体溶液；(4)按一定质量比将MXene胶体溶液与银纳米线胶体溶液混合，得到均匀混合液；(5)将所述混合液与所述纳米纤维素胶体溶液进行交替抽滤并热压干燥，得到纳米纤维素/MXene/银纳米线“三明治”结构复合薄膜。本发明提供了一种纳米纤维素/MXene/银纳米线“三明治”结构复合薄膜及其制备方法，制得的薄膜具有良好的导电性能、宽频高电磁屏蔽效能、良好的的机械性能以及抗菌性能，且制备方法简单易行、制备过程安全环保，有利于批量化生产。

技术领域

本发明涉及能源材料技术领域，特别涉及一种纳米纤维素/MXene/银纳米线“三明治”结构复合薄膜及其制备方法。

背景技术

柔性可穿戴电子设备，泛指具有柔性且能够直接或间接与皮肤贴合的电子设备或装置，可能是一组多功能性设备，例如超级电容器、电池、传感器或显示器等，一般需具备较大的机械灵活性，从而服役不同的工作环境，然而相应的技术要求制约了其发展。由于电路材料的制作难以保证不损失其本身电子性能的基础上进行形变，另外柔性电子的制备条件以及各电子器件的性能，与传统电子器件存在较大差异。柔性可穿戴电子设备的应用广泛，研究热度居高不下，目前对其研究已从起步阶段迈入实质性发展阶段。

纤维素纳米纤维是一种天然的一维高分子材料，具备生物质材料来源广泛、可生物降解等特点，并且具有优异的力学性能、热性能以及电绝缘性能。通过“自下而上”的策略，可以将纳米纤维素组装成宏观尺度的功能材料，同时其表面带有大量自由羟基等官能团，便于引入其他纳米材料与之掺杂，提升复合材料的性能。然而对于电子材料，纳米纤维素的掺杂会导致电导率的下降。

近年来，二维拓扑材料因其独特的物理性质而备受关注。MXene通常是利用强酸从三元层状碳/氮化物中选择性刻蚀掉中间层而产生的，其化学式为M_n+1AX_n(n＝1-3)。与其他二维材料相比，MXene可以由多种金属元素构成，并且多种原子以不同比例和排列方式组成，这为调节MXene的导电性和活性中心提供了条件，为MXene基材料在能源和催化领域的应用提供基础。同时，MXene含有丰富表面终端官能团，使其在金属与半导体间转换，由于其具有丰富可调的表面化学特征，有利于与其他纳米材料进行复合。然而MXene相邻纳米片之间容易堆叠和聚集，导致比表面积下降，纵向电导率急剧下降。

目前银纳米线作为新兴的金属类导电填料，也是最具代表性的金属纳米线，成为科研人员的研究热点。其特殊的一维结构可供电子快速传输，使其具有优异的电导率(6.3×10⁷S/m)。纯银纳米线薄膜存在表面粗糙度高、机械和化学稳定性差等缺陷。然而其优异的光学性能、热学性能、电磁屏蔽效能以及一定的抗菌性，可以与其他材料复合以提升各项性能，在可穿戴设备领域有广阔的前景。

为了解决以上各原材料自身的问题，提升柔性电子材料的各项性能，本发明采用交替真空辅助抽滤的策略制备具有对称性的“三明治”结构超薄、柔性且导电性优良的复合薄膜。其中，纳米纤维素以夹层的方式引入，消除了其直接掺杂导致的电导率下降的问题，同时提升整体复合薄膜的机械性能；银纳米线的引入避免MXene纳米片的堆叠，保证较大的比表面积和优良的导电率，且具备一定的抗菌性；“三明治”结构有利于电磁波在复合薄膜内多次反射与吸收，从而提升材料的电磁屏蔽效能。

发明内容

本发明提供了纳米纤维素/MXene/银纳米线“三明治”结构复合薄膜及其制备方法，其目的是保证薄膜优良导电性的同时，兼具优良的机械性能，制得的复合薄膜具有良好的导电性能、宽频高电磁屏蔽效能、良好的的机械性能以及抗菌性能。本发明制得的复合薄膜具有良好的柔性、电化学性能、电磁屏蔽性能以及抗菌性能，在航空航天、武器装备、人工智能以及柔性可穿戴设备等领域有广阔的应用前景。