[发明专利]芳纶/碳纳米管杂化气凝胶薄膜、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种芳纶/碳纳米管杂化气凝胶薄膜、其制备方法及应用。所述芳纶/碳纳米管杂化气凝胶薄膜包括连通的三维网络状多孔结构以及覆设在三维网络状多孔结构上的疏水层，所述三维网络状多孔结构由芳纶纳米纤维和碳纳米管相互搭接形成。所述制备方法包括：将碳纳米管分散液、芳纶纳米纤维分散液混合形成混合分散液；并施加于衬底上，再转移至凝固浴，经溶胶‑凝胶置换形成杂化凝胶薄膜，再进行干燥处理，获得杂化气凝胶薄膜，最后以疏水树脂溶液浸润，获得芳纶/碳纳米管杂化气凝胶薄膜。本发明的杂化气凝胶薄膜具有良好的力学、电学和疏水性能，以及优异的焦耳热效应和电磁屏蔽性能，可应用于智能薄膜、个人热管理、可穿戴电磁防护等领域。

技术领域

本发明涉及一种气凝胶薄膜，尤其涉及一种芳纶/碳纳米管杂化气凝胶薄膜及其制备方法与应用，属于纳米新材料技术领域。

背景技术

气凝胶起源于20世纪30年代初，是一种合成固体材料，连续的多孔网络结构使其具有极低的密度、超高的比表面积和超低的导热系数，使其在催化剂载体、环境净化、温度管理和储能系统等领域具有重要价值。目前已经从无机气凝胶扩展到有机气凝胶和碳气凝胶，并从气凝胶块体发展出气凝胶纤维和气凝胶薄膜。其中气凝胶薄膜不仅具有气凝胶的多孔性，而且继承了薄膜的结构特性，在电池、水净化、超级电容器、个人可穿戴等新兴领域有着广阔的应用前景。

由于组成无机气凝胶的无机纳米粒子之间相互作用较弱，通常无法制备自支撑的气凝胶薄膜。而有机气凝胶薄膜具有良好的力学性能，例如，聚酰亚胺气凝胶薄膜(Sci.Rep.2019,9,1370)、纤维素气凝胶薄膜(Adv.Funct.Mater.2015,25,6618–6626)、芳纶(或者凯夫拉)气凝胶薄膜(CN109608686A，CN106977763A)，尤其是由纳米纤维相互搭接形成的芳纶气凝胶薄膜，其拉伸强度可以达到7MPa。然而，有机气凝胶薄膜由于其电/热导率低、颜色浅，无法用电或光进行驱动，从而缺乏功能性。碳气凝胶薄膜(如石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维)具有很高的导电/导热性能，可应用于传感器、热管理、储能和电磁屏蔽等方面。然而，先前报道的碳气凝胶薄膜需通过化学气相沉积制备或通过有机气凝胶炭化处理，比如，芳杂环纤维基纳米碳纤维气凝胶是将芳杂环纳米纤维气凝胶放入管式炉中进行炭化得到的纳米碳纤维气凝胶(CN108910861A)，生产成本高，无法进行规模化、连续化生产。

可见，单组分气凝胶薄膜在某些方面具有优异的性能，但也存在一些不可避免的问题。因此，业界研发人员设计了杂化气凝胶薄膜，在保留其各组分优点的同时，避免其缺点。其中，有机-无机或有机-碳杂化是构建杂化气凝胶薄膜的常用策略。例如，有机/二氧化硅杂化气凝胶(CN109133071A)、聚酰亚胺/碳纳米管气凝胶(CN106317407A)、尼龙/碳纳米管气凝胶(CN109810499A)等。但目前制备的杂化气凝胶均为块体，难以满足市场的需求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种芳纶/碳纳米管杂化气凝胶薄膜及其制备方法，以克服现有技术中的不足。

本发明的又一目的在于提供前述芳纶/碳纳米管杂化气凝胶薄膜的用途。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种芳纶/碳纳米管杂化气凝胶薄膜，它包括连通的三维网络状多孔结构以及覆设在所述三维网络状多孔结构上的疏水涂层，所述三维网络状多孔结构由芳纶纳米纤维和碳纳米管相互搭接形成，所述芳纶/碳纳米管杂化气凝胶薄膜的厚度为10μm～1000μm，比表面积为100m²/g～1000m²/g，密度为0.01g/cm³～0.10g/cm³，拉伸强度为0.1MPa～10MPa，疏水角为100°～170°，电导率为0.1S/m～10³S/m，电磁屏蔽效率为10dB～80dB，比电磁屏蔽效率为10³dB·cm²·g^-1～10⁵dB·cm²·g^-1。