一种芳纶纳米纤维基Janus复合膜的制备方法

本发明涉及导热电磁屏蔽复合材料领域，具体涉及一种轻质、高导热及高电磁屏蔽性能的芳纶纳米纤维基janus复合膜的制备方法。

背景技术：

1、随着电子设备向小型化、高密度化、高功率化方向快速发展，设备内部电子元件的集成度不断提升，运行过程中不仅会产生大量热量，还会释放复杂的电磁辐射。这些热量若无法及时导出，会导致电子设备性能衰减、使用寿命缩短；而电磁辐射不仅会干扰周边电子设备的正常工作，还可能对人体健康造成潜在危害。因此，开发兼具优异绝缘、高效电磁屏蔽与良好导热性能的多功能复合膜材料，成为电子信息、航空航天等领域的迫切需求。

2、传统的金属材料在作为导热和电磁干扰屏蔽材料时，面临着易腐蚀、密度高、加工性能差且缺乏柔韧性等一系列挑战，这些缺陷极大地限制了它们在航空航天和现代电子设备等领域的应用。使用传统的金属作为填料，会因它们自身存在的高密度、加工难度大和抗腐蚀能力弱等问题限制其在高度集成化的电子设备中的应用。相应地，低密度、易加工、性能优异的氮化硼纳米片（bnns）、碳纳米管（cnts）、还原氧化石墨烯（rgo）等纳米填料的出现，极大地推动了芳纶纳米纤维基电磁防护与导热一体化材料的发展。尤其是rgo具有高导电性和高导热性，bnns具备优异的绝缘导热性能，在新一代电磁屏蔽与导热一体化材料方面，展现出了巨大的潜力。

3、芳纶纳米纤维（anf）是一种极具潜力的高性能基体材料，凭借优异的力学性能、耐高温性能、低密度和优异的绝缘性能，在众多领域得到广泛的应用。这使得anf成为金属等传统导热屏蔽材料的绝佳替代品，并且由于anf固有的柔性、耐高温性和绝缘性，在电磁屏蔽、电子封装、绝缘防护等领域具有巨大优势。然而，纯anf膜的导热性能较差，且不具备电磁屏蔽功能，其单一的功能特性限制了anf在许多实际工业中的潜在应用，尤其是在对导热、电磁屏蔽与绝缘性能有协同要求的场景中，因为这类场景下对材料的多功能集成性被严格要求具有稳定性。因此，设计和制造具有高机械柔韧性、优异绝缘性，同时兼具导热和高效电磁屏蔽性能的anf复合膜仍然是一个巨大的挑战。

4、现有改性技术多采用单一填料或无规混合多组分填料的方式，难以实现绝缘、电磁屏蔽与导热性能的协同优化，要么侧重绝缘和导热性能而牺牲电磁屏蔽效果，要么侧重电磁屏蔽和导热性能而无法保证绝缘要求；同时，部分多组分改性方案中，填料与基体的相容性较差，组分间难以形成有效的协同作用，且易出现阻抗匹配不佳、电磁屏蔽效率不稳定等问题。janus结构材料因上下两层具备独立功能且可实现协同作用，为解决上述技术难题提供了新的思路。因此，开发一种制备工艺简单、性能优异的芳纶纳米纤维基janus复合膜，成为当前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了克服传统芳纶纳米纤维材料在柔性电子器件领域功能单一化的问题，本发明提供了一种多功能协同增强的芳纶纳米纤维基janus复合膜的制备方法。

2、本发明步骤简单、易于操作，制得的芳纶纳米纤维基janus复合膜具有优异的导热与电磁屏蔽性能，并且在保证高电磁屏蔽和高导热性能的同时保持良好的力学性能。

3、本发明的技术方案如下：

4、一种芳纶纳米纤维基janus复合膜的制备方法，包括：

5、（1）制备anf分散液

6、将芳纶纤维（af）、氢氧化钾（koh）加入二甲基亚砜（dmso）溶剂中，再滴加异丙醇（ipa），室温搅拌，得到anf（芳纶纳米纤维）分散液；

7、该步骤中，anf经去质子化诱导剥离法制得；

8、优选芳纶纤维、氢氧化钾、二甲基亚砜、异丙醇的质量比1：1.5：80~100：10~13；

9、优选室温下以500 rpm的速率磁力搅拌2~4 h；

10、所得anf分散液中，优选anf的质量分数0.8~1%；

11、（2）正电改性四氧化三铁与碳化硅纳米线

12、取四氧化三铁（fe3o4）、碳化硅纳米线（sicnw），分别加入聚二烯丙基二甲基氯化铵（pdda），搅拌均匀，之后离心洗涤，冷冻干燥，得到改性四氧化三铁、改性碳化硅纳米线；

13、优选四氧化三铁与聚二烯丙基二甲基氯化铵以质量比1：20混合，采用机械搅拌，速率500 rpm，搅拌时间4~6 h；

14、优选碳化硅纳米线与聚二烯丙基二甲基氯化铵以质量比1：20混合，采用磁力搅拌，速率600 rpm，搅拌时间4~6 h；

15、具体的，离心速率8000 rpm、时间10 min，用去离子水洗涤；离心洗涤3次；

16、（3）制备四氧化三铁与氮化硼纳米片的杂化填料

17、将步骤（2）所得改性四氧化三铁、氮化硼纳米片（bnns）在去离子水中超声分散均匀，得到fe3o4@bnns分散液；

18、改性四氧化三铁、氮化硼纳米片的质量比7：3~2：8；

19、优选超声分散的功率300 w、频率60 khz、时间20~30 min；

20、氮化硼纳米片采用球磨法制备，具体为：将六方氮化硼（h-bn）与异丙醇按1 g：20ml的比例混合，以300 rpm球磨12 h，离心洗涤、干燥，得到氮化硼纳米片；

21、（4）制备碳化硅纳米线与氧化石墨烯的杂化填料

22、将步骤（2）所得改性碳化硅纳米线、氧化石墨烯（go）在去离子水中超声分散均匀，得到sicnw@go分散液；

23、改性碳化硅纳米线、氧化石墨烯的质量比7：3~2：8；

24、优选超声分散的功率300 w、频率60 khz、时间20~30 min；

25、（5）制备anf与fe3o4@bnns的共混分散液i

26、取步骤（1）所得anf分散液，加入到步骤（3）所得fe3o4@bnns分散液中，超声分散均匀，得到共混分散液i；

27、anf与fe3o4@bnns的质量比2：8~8：2；

28、优选超声分散的功率300 w、频率60 khz、时间15 min；

29、（6）制备anf与sicnw@go的共混分散液ii

30、另取步骤（1）所得anf分散液，加入到步骤（4）所得sicnw@go分散液中，搅拌均匀，得到共混分散液ii；

31、anf与sicnw@go的质量比2：8~8：2；

32、优选以600 rpm磁力搅拌20 min；

33、（7）制备janus复合膜

34、将步骤（5）的共混分散液i倒入预先放置有滤膜的砂芯漏斗中，通过真空辅助抽滤法制备湿膜，再将步骤（6）的共混分散液ii倒入同一个砂芯漏斗中，通过真空辅助抽滤法制备双层湿膜；将双层湿膜浸入抗坏血酸钠溶液，于80℃下烘干，再经洗涤（用去离子水浸泡洗涤30 min）、机械模压（50 kpa）、干燥（室温），制得janus复合膜；

35、具体的，滤膜选用pvdf滤膜，抽滤时真空度控制在-0.08~-0.1 mpa；

36、优选抗坏血酸钠溶液（溶剂为去离子水）质量分数5%。

37、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

38、本发明使用的芳纶纳米纤维（anf）具有高强高模、耐高温特性，复合膜制备方法简单、易于操作。本发明通过在janus复合膜的一面调控fe3o4与bnns的配比，可以有效提高复合膜的导热性能并同时兼顾电绝缘效果，使fe3o4@bnns杂化填料分散在anf基体中，以提高膜柔性。通过在janus复合膜的另一面调控sicnw与go的配比，在优化阻抗匹配的同时通过还原氧化石墨烯提高电导率，可以有效提高复合膜的电磁屏蔽与导热性能。通过抽滤得到的janus复合膜均匀致密，在fe3o4@bnns填料的一面上，fe3o4还可以提供一定的磁滞损耗。本发明janus复合膜在协同增强导热性能和电磁屏蔽效能的同时兼顾力学强度。