一种高效能长寿命二维纳米结构多层稳定电磁屏蔽复合薄膜的制备方法及其应用

本发明涉及电磁屏蔽，具体涉及一种高效能长寿命二维纳米结构多层稳定电磁屏蔽复合薄膜的制备方法及其应用。

背景技术：

1、随着电信系统以及无线电子仪器的普及，越来越多的设备和装置发射出电磁波，包括无线设备、天线系统、通信设施、雷达、传感器、便携式数字硬件及各种电子终端。这些工具已经成为了现代生活和社会发展不可分割的一部分。然而，某些电磁波在一定程度上会中断电子设备的工作，也就是电磁干扰。电磁干扰会影响通信信号的传输、加剧电子器件的能量消耗以及降低设备的工作效率。此外，高能的电磁辐射也会威胁着人类健康，电磁辐射能量可以传递到细胞，导致人体体温异常和蛋白质失活，增加基因突变的可能性。为了应对日益严重的电磁干扰问题，则需要高性能的电磁屏蔽材料。

2、氧化石墨烯(go)由于其片层结构和边缘富含含氧官能团，具有良好的亲水性和易于加工、组装的特点，并且其具有相对优异的柔韧性和低成本的优点。然而，氧化石墨烯普遍存在电磁干扰屏蔽性能差的问题，无法满足常见的军用电磁干扰屏蔽要求。在氧化石墨烯中引入纳米线结构，以期提高薄膜的柔韧性能，同时纳米线构成的导电网络能使得层与层之间连接的更为紧密。

3、mxene是近年来发展起来的一种新型二维层状材料。具有良好的导电性以及极佳的电化学存储性能，并且具有良好的可加工性和可设计性，是一种非常有希望控制电磁污染的材料。其中孔隙的存在促进了电磁波的多次衰减，但是其存在容易被氧化的问题，从而导致屏蔽性能的下降。如果在mxene中引入go混合层，势必会提高薄膜的柔韧性能，同时不会显著增加密度，从而获得令人满意的电磁屏蔽性能，同时go混合层可以有效防止mxene与空气的接触，

4、起到一个防氧化的作用。

5、中国专利cn108615582a公开了一种基于银纳米线、石墨烯复合柔性透明导电薄膜的制备方法，包括以下步骤：s10、提供一基底；s20、在所述基底上涂敷石墨烯分散液以获得石墨烯层，热压处理所述石墨烯层；s30、继续在所述石墨烯层上涂敷pedotph1000以获得不低于30nm的pedotph1000层；s40、继续在所述pedotph1000层上涂敷银纳米线悬浮液以获得银纳米线层，热压所述银纳米线层。此方法工艺步骤简单，所制得的柔性透明导电薄膜导电性和透光率均有所提高，且使用寿命较长。中国专利cn113087972a公开了一种mxene/银纳米线/纳米纤维素复合薄膜及其制备方法。所述方法的主要步骤是：(1)刻蚀max制备单层mxene胶体溶液；(2)制备银纳米线胶体溶液；(3)tempo氧化法制备羧基化的纳米纤维素胶体溶液；(4)将以上三种胶体溶液按一定质量比混合，搅拌并冰浴超声得到均匀的混合液；(5)将混合液进行真空抽滤并热压干燥，得到mxene/银纳米线/纳米纤维素复合薄膜。提供了一种mxene/银纳米线/纳米纤维素复合薄膜的制备方法，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、柔性可穿戴设备等领域有广阔的应用前景。中国专利cn114914100a公开了一种石墨烯/mxene复合薄膜及其制备方法，所述制备方法包括：配制mxene水溶液、氧化石墨烯水溶液和聚苯乙烯纳米球分散液；将所述mxene水溶液、所述氧化石墨烯水溶液和所述聚苯乙烯纳米球分散液混合，超声分散得到混合液，将所述混合溶液通过真空抽滤覆盖于薄膜表面，得到复合膜；将所述复合膜在惰性气氛下进行煅烧，即得到石墨烯/mxene复合薄膜。提供的制备方法简单、反应条件温和、易于规模化生产，制备的石墨烯/mxene复合薄膜具有多级介孔结构，减弱了石墨烯与mxene的聚集，从而具有较好的电容性能，且石墨烯/mxene复合薄膜具有良好的弯曲柔性，有望直接用作柔性超级电容器的电极材料。中国专利cn111883314a公开了一种氧化纤维素-石墨烯纳米带-mxene复合导电薄膜的制备方法，包括如下步骤：1)将纤维素用tempo氧化法处理，得到氧化纤维素分散液；2)将多壁碳纳米管分散在浓硫酸中，用高猛酸钾进行氧化，解压缩，得到石墨烯纳米带；3)配制一定浓度的mxene水溶液，通过液氮分散，得到单层mxene分散液；4)将氧化纤维素分散液与石墨烯纳米带以及mxene分散液按一定比例共混，通过真空抽滤方法得到氧化纤维素-石墨烯纳米带-mxene复合导电薄膜。工艺简单，操作方便，绿色环保；制备的薄膜具备优良的柔韧性和导电性，良好生物相容性以及力学性能，可以用于可穿戴式传感器制作，以及生物检测等领域；但考虑到mxene柔韧性能不足、结构不稳定、易氧化等问题，现有技术略有不足。

技术实现思路

1、解决的技术问题：本技术提出一种高效能长寿命二维纳米结构多层稳定电磁屏蔽复合薄膜的制备方法及其应用，以解决现有技术中的电磁干扰会影响通信信号的传输、加剧电子器件的能量消耗以及降低设备的工作效率，高能的电磁辐射也会威胁着人类健康，mxene容易被氧化等问题，一维纳米线和go或有机增强剂起自支撑的作用，并且可以提高复合薄膜的柔韧性，具有较好的电磁屏蔽性能，以解决现有存在的电磁污染问题。

2、技术方案：

3、一种高效能长寿命二维纳米结构多层稳定电磁屏蔽复合薄膜的制备方法，所述高效能长寿命二维纳米结构多层稳定电磁屏蔽复合薄膜由一维纳米线、二维纳米片、有机增强剂中的两种或三种材料制成，所述一维纳米线为mno2、tio2、sio2、v2o5、al2o3、sic、sin纳米线中的一种或几种，所述二维纳米片为氧化石墨烯和mxene；有机增强剂为乳胶、聚苯胺或细菌纤维素。

4、进一步的，所述高效能长寿命二维纳米结构多层稳定电磁屏蔽复合薄膜的制备方法，具体步骤如下：

5、第一步：称取一维纳米线、氧化石墨烯和/或有机增强剂在不断搅拌中溶于50ml超纯水中，待搅拌均匀后，将混合水溶液超声处理5min，然后静置10min，重复超声与静置步骤5次制备混合悬溶液；

6、第二步：对第一步的混合悬溶液进行真空辅助流体导向自组装成下复合保护膜；

7、第三步：在第二步的基础上，将mxene水溶液倒入下复合保护膜的上方自组装成中间高效电磁屏蔽层薄膜；

8、第四步：在第三步的基础上，再配置一份第一步的混合悬浮液倒入中间高效电磁屏蔽层薄膜的上方，自组装成上复合保护膜，即可得到目标产物高效能长寿命二维纳米结构多层稳定电磁屏蔽复合薄膜。

9、作为本技术的一种优选技术方案，所述高效能长寿命二维纳米结构多层稳定电磁屏蔽复合薄膜的厚度为50um-500um。

10、作为本技术的一种优选技术方案，所述第一步中的混合悬浮液的溶剂为水。

11、作为本技术的一种优选技术方案，所述第一步中的一维纳米线、氧化石墨烯和有机增强剂的质量分数配比为80～40：40～10：20～0。

12、作为本技术的一种优选技术方案，所述第一步中是采用常温磁力搅拌的方式使一维纳米线、氧化石墨烯和/或有机增强剂溶于50ml超纯水中混合均匀，搅拌时间为2-6h。

13、作为本技术的一种优选技术方案，所述第三步的mxene水溶液的浓度为0.1-1mg·ml-1。

14、作为本技术的一种优选技术方案，所述第二步、第三步和第四步的成膜过程是利用真空辅助流体导向自组装的，真空辅助流体导向自组装过程使用的滤膜孔径为0.2-0.8um。

15、作为本技术的一种优选技术方案，所述一维纳米线的直径为20nm-50nm,长度为10um-30um。

16、作为本技术的一种优选技术方案，所述二维纳米片为大尺寸片层状，二维纳米片的单层厚度为1nm-2nm。

17、本技术还公开了上述任一制备方法制得的高效能长寿命二维纳米结构多层稳定电磁屏蔽复合薄膜在电磁屏蔽器件中的应用，制备的多层稳定电磁屏蔽复合薄膜展现出了最高60db的电磁屏蔽效果，且在两个月内保持了电磁屏蔽性能的稳定，电磁屏蔽的测试过程为采用e5071c射频网络分析仪，测试频率为8.2ghz-12.5ghz。

18、本技术的技术原理是：mxene材料中孔隙的存在促进了电磁波的多次衰减，具有良好的导电性以及极佳的电化学存储性能，是一种非常有希望控制电磁污染的材料，但是其存在容易被氧化的问题。二维纳米片具有较好的亲水性，易于组装和加工，具有相对优异的电磁波吸收能力，并且可以隔绝三明治结构中的mxene层与空气的接触，起到抗氧化的作用。在mxene中引入go混合层，势必会提高薄膜的柔韧性能，同时不会显著增加密度，从而获得令人满意的电磁屏蔽性能，同时go混合层可以有效防止mxene与空气的接触，起到一个防氧化的作用。由一维纳米线，二维纳米片、有机增强剂和mxene材料制备成三明治结构电磁屏蔽复合薄膜，其中mxene材料具有较好的导电性以及良好的吸收和反射电磁波的能力。二维纳米片材料由于其大片层结构，其柔韧性能极佳，同时可有效隔绝mxene与空气中的氧气发生氧化反应，具有防氧化性能，一维纳米线和有机增强剂材料可以为多层薄膜结构提供一个有利的自支撑骨架和优异的柔韧性能。

19、有益效果：

20、1.本发明与现有的合成电磁屏蔽薄膜的技术相比，其制备过程简单易操作，通过真空辅助流体导向自组装，便可获得一种高效能长寿命二维纳米结构多层稳定电磁屏蔽复合薄膜。

21、2.制备的一维纳米线，具有几十个微米的优异长度，为复合薄膜提供了更显著的柔韧性能。

22、3.三明治结构的两侧薄膜作用是防氧化，为中间层的mxene薄膜提供了较为完好的无氧环境，使得电磁屏蔽性能保持的较为稳定。

23、4.本发明制备方法制得的一种高效能长寿命二维纳米结构多层稳定电磁屏蔽复合薄膜显示出了最高60db的电磁屏蔽性能，同时能够保持2个月内电磁屏蔽性能的稳定。

24、5本发明制备方法制得的一种高效能长寿命二维纳米结构多层稳定电磁屏蔽复合薄膜承受住了1000次以上的弯曲实验，证明其具有优异的柔韧性能。

25、6.本发明工艺简单，重现性好，且所用原材料易得，便于批量生产。

26、7.与现有技术相比本技术采用多层结构，在mxene薄膜上下各复合一层高柔韧性的保护薄膜，从而保护了mxene结构与性能的完整，使得多层稳定电磁屏蔽复合薄膜具备高性能电磁屏蔽的同时还能保持屏蔽性能的稳定。同时还使得复合薄膜具备了优异的亲水性和柔韧性能。