芳纶基柔性导电复合材料的制备及其性能研究

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当需要将相互冲突的性能结合起来,或者需要在材料的不同区域有不同的性能变化时,单一材料往往是不够的。柔性导电复合材料是一类相对较新的材料,是以柔性材料为基材,将导电材料嵌入到表面或者内部使其具有导电性。柔性导电复合材料包括聚合物薄膜,纸基材料,纺织品等,而导电材料则主要包括石墨烯,导电金属,导电聚合物等。柔性导电复合材料的成分、微观结构和性能可实现某一个方的系统化定制,在电磁屏蔽,超级电容器,纳米发电机,传感器和加热器等众多领域都展现出广泛的应用价值和前景。然而,如何采用更绿色、环保、简单的工艺制备出具有光、电、热、磁等多种功能的柔性导电复合材料,仍然是一大挑战。因此,本文选择具有模量高、热稳定性好、重量轻、耐酸碱等优异性能的芳纶材料为基体相,分别采用绿色环保的磁控溅射和激光刻划技术,制备芳纶基柔性导电复合材料,系统研究了它们的性能,并探讨了它们在不同领域的应用。具体研究内容包括:1)采用等离子体处理与磁控溅射相结合的方法将银沉积在对位芳纶(PPTA)纤维纸表面,制备导电芳纶纸(Ag/AFP)。通过改变溅射时间,可以有效地调节Ag/AFP薄膜的电阻,从而赋予Ag/AFP可控的电加热性能。溅射改性6分钟得到的Ag/AFP(厚度为0.03毫米)在施加电压为1.2 V时,在5.5秒的超快响应时间内达到120℃,表现出优异的电加热性能,这主要得益于连续均匀致密Ag涂层的高导电性。同时,超薄、均匀、坚实、致密的Ag涂层使Ag/AFP在反复弯曲和拉伸过程中既表现出出色的导电稳定性。此外,Ag作为双重导电和抗菌颗粒,在赋予芳纶纸电加热性能同时,也使得Ag/AFP具有良好的抗菌性能。将Ag/AFP应用于制造超柔性抗菌热疗贴片并显示出良好的热疗效果。与其他柔性薄膜加热器相比,Ag/AFP的制备过程是绿色、环保的以及导电金属涂层的利用率高,并且易于大规模生产。本部分研究内容为芳纶基可穿戴加热器在下一代健康热管理和保护方面的实际应用提供了理论借鉴与实验依据。2)通过激光刻划技术在凯夫拉纤维机织物(1500D)表面形成激光诱导石墨烯(LIG),然后利用磁控溅射技术在LIG表面沉积镍纳米颗粒(Ni NPs),制备出具有光热转换性能的Ni NPs/LIG。Ni NPs/LIG具有优异的光热性能,同时平纹芳纶织物的经纬编制结构和激光刻划后形成的多孔结构,为海水蒸发提供了良好的水传输路径,使其可以应用于太阳能海水淡化中。与单纯的LIG相比,加入具有等离子体效应的Ni NPs可以有效减少石墨烯本身的光反射带来热损失,增强光的吸收,高效的实现光热转换,在1个太阳光照射下(100m W/cm~2),水的蒸发率可达1.608 kg·m-2·h-1,转化率为93%。此外,Ni NPs/LIG在织物表面形成了稳定的超疏水结构,有效阻止了海水淡化过程中盐的沉积。更重要的是,与传统太阳能海水淡化材料相比,Ni NPs/LIG具有超强的抗菌性能,可以减少细菌生物膜在材料表面的附着。因此,Ni NPs/LIG在海水淡化中具有多重净水潜力,有望成为一种很有前途的海水淡化材料。本文采用与不同芳纶基材料结构特性相匹配的绿色环保加工方法,制备了一系列芳纶基柔性导电复合材料,并探究了在医用热疗贴片和海水淡化领域的应用,为芳纶基柔性导电复合材料的开发提供了新的思路和实验依据。
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