基于MXene的多功能夹层薄膜及其制备方法和应用与流程

本发明属于生物质高分子纳米复合材料领域，涉及一种基于mxene的多功能夹层薄膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、火灾报警传感器在提高建筑物、交通工具、电子产品等的安全性中扮演着至关重要的角色，通过报警功能来减少火灾造成的损失。现有的传统火灾报警传感器主要由烟雾和红外传感器组成，当暴露于烟雾或者火焰时，传感器被触发，发送报警信号。但考虑到火灾在极短时间内传播，而传统火灾报警器响应时间过长的缺点，导致其实际应用受到很大限制。尤其针对聚合物制品这种人们日常生活中大量使用的材料而言，由于其固有的有机组分使其十分易燃，且常常伴有熔滴等，火焰传播速度极快。因此，探索其他火灾报警机制，设计在早期燃烧阶段快速响应的火灾报警传感器是十分必要的。

2、mxene是一类新型的二维结构过渡金属碳/氮化物，一般表示为mn+1xntx，其中m和x与母相中的元素相同，tx代表表面终止基团，比如-oh、-o、-f等。其中ti3c2tx作为最具代表性的mxene材料，由于其出色的导电性能和热电效应，现以被用于火灾报警传感器领域。迄今为止，已经设计了各种类型的基于mxene的火灾报警传感器，包括气凝胶、薄膜等。除了mxene固有的阻燃特性外，这些火灾报警传感器还具有灵敏的响应性和循环预警能力等。但是，作为2d纳米材料，mxene单独使用时片层之间的范德华力会迫使其紧密排列导致片层之间的聚集，极大的限制其优异性能的发挥。此外，纯mxene火灾报警传感器由于力学性能差，在燃烧过程中传感器易被破坏，从而造成传感器材料响应稳定性、持续性较差等问题，从而限制了mxene火灾报警传感材料的发展前景。

3、纤维素是自然界最丰富的生物聚合物之一，由于其具有可持续性、可生物降解和低成本等特点，被广泛应用于各个领域。且纤维素纳米晶体作为生物基碳源，能进一步提高成炭能力以降低热量和氧气传递，发挥阻燃作用。在众多不同类型的纤维素中，海鞘纤维素纳米晶(tcnc)具有优异的长径比、良好的机械性以及丰富的表面官能团。其优秀的长径比不仅可以发挥隔离作用减少mxene纳米片间的自聚集，而且炭化后可提供导电通路。app阻燃剂是现代木业行业中常常合适到的一类辅料产品，实际上就是聚磷酸铵；用作添加型阻燃剂，受热分解时生成氨及非常稳定的聚合磷酸，可成为高分子聚合物的保护层而将氧隔绝而起到阻燃的作用，也可与其他阻燃剂复合使用。app阻燃剂作为一种传统的膨胀性阻燃剂，可提供酸源和气源，具有自由基清除作用和催化成碳的能力，可以加速tcnc成炭过程。因此，有望将app阻燃剂和tcnc引入mxene构建阻燃效率高、温度感知灵敏的mxene基火灾多功能夹层薄膜传感材料产品。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明为了解决纯mxene火灾报警传感器在燃烧过程中传感器易被破坏，温度感知不灵敏、持续性较差，限制mxene火灾报警传感材料应用范围的问题，提供一种基于mxene的多功能夹层薄膜及其制备方法和应用，将mxene与1d tcnc杂化结合，以起到协同分散作用，并在mxene-tcnc体系中加入了app阻燃剂，构建了具有多重相互作用的mac杂化纳米材料，通过交替真空辅助过滤的方法，在两层mac间引入不同含量的mxene导电层，得到了一系列具有夹层结构的mac-mxene复合薄膜，该mac-mxene复合薄膜作为火灾报警传感器可实现灵敏且可持续的自供电火灾报警功能，并且得益于其出色的导电性能，该复合薄膜还可用作热管理和电磁屏蔽材料。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于mxene的多功能夹层薄膜的制备方法，包括如下步骤：

4、s1、制备mxene-app-tcnc(mac)杂化纳米材料：分别配制4～6mg/ml的海鞘纤维素纳米晶(tcnc)溶液和mxene溶液，将mxene溶液和tcnc溶液按照添加质量比为1:1～4加入到盛有去离子水的容器中形成mxene-tcnc杂化纳米材料混合液，在该混合液中加入与mxene溶液质量比为1～4:10的app阻燃剂，将混合物在冰浴环境下超声处理15min以确保充分混合，然后在室温下磁力搅拌4h得到均匀分散的mac杂化纳米材料混合液；

5、s2、制备mac-mxene(mac-mx)多功能夹层薄膜：将上层mac溶液、中间层mxene溶液和底层mac溶液分别真空辅助过滤后叠加为层状，叠加后的层状夹层薄膜在40～60℃真空烘箱中干燥3～5h后，将夹层薄膜从滤膜上剥离，得到均质mac-mx阻燃夹层薄膜。

6、进一步，步骤s1中mxene、tcnc和app阻燃剂质量比为1:(1～5):(2～3)。

7、进一步，步骤s1中混合物在冰浴环境下超声功率为50-100w，有利于形成诱导tcnc一维棒状端进入mxene层间空间的“针尖撬动”效应。

8、进一步，步骤s2中上层mac溶液以及底层mac溶液中mxene、tcnc和app三种物质质量的比均为3:9:8，上层mac溶液、中间层mxene溶液、底层mac溶液三种物质的质量比为6:(1～6):6。

9、进一步，步骤s2中交替真空辅助过滤情况下，依次添加上层溶液、中间层和下层溶液得到夹层薄膜；两层对应溶液的注入采用前一层对应溶液待抽滤至液高近约1～2毫米时，环周沿壁注入后一层对应溶液抽滤；由此保证各层之间主体分明以及层间良好的过渡贴合且结构致密。

10、根据上述基于mxene的多功能夹层薄膜制备方法制备得到的基于mxene的多功能夹层薄膜传感材料产品。

11、上述基于mxene的多功能夹层薄膜传感材料产品在火灾报警、热管理和电磁干扰屏蔽的多功能应用。

12、本发明的有益效果在于：

13、1、本发明所公开的基于mxene的多功能夹层薄膜的制备方法，通过简单的多维度纳米材料杂化解决了mxene单独使用时的自聚集，分散性差的问题。另一方面，混合物在冰浴环境下超声共混能够诱导形成tcnc一维棒状端进入mxene层间空间的“针尖撬动”效应。通过交替真空辅助过滤的制备方法制备得到的夹层薄膜外层的mac具有优异的阻燃性能和机械性能，不仅可以起到防火阻燃的作用，还可以提供很好的力学支持保护作用，并且可调节的mxene内层赋予了薄膜出色的导电性能。

14、2、本发明所公开的基于mxene的多功能夹层薄膜的制备方法，夹层结构设计，充分发挥了mxene优异的导电性能，所制备的传感器可在没有外部电源的情况下工作，并且具有灵敏、可持续的火灾报警响应。

15、3、本发明所公开的基于mxene的多功能夹层薄膜的制备方法，首先将mxene与1d海鞘纤维素纳米晶(tcnc)杂化结合，以发挥插层隔离作用减少mxene纳米片的自聚集。并且在2d/1dmxene-tcnc体系中加入多聚磷酸铵(app)，构建了具有良好分散性、力学性和阻燃性能的薄膜材料杂化纳米材料mxene-app-tcnc(mac)。在夹层薄膜的制备过程中，将mac作为上下外层、纯mxene作为内层，通过交替真空辅助过滤的方法制备了具有内部导电增强和外部机械增强防火的mxene“三明治结构”薄膜，mac作为上下外层、纯mxene作为内层；得益于“三明治结构”薄膜中独立分布的mxene层带来的导电和热电性能增强以及外层的力学增强耐火作用，该薄膜不仅表现出灵敏的自供电火灾报警功能，还兼具出色的焦耳加热和电磁屏蔽性能；在智能消费、个人热管理和电磁干扰屏蔽等领域具有十分广阔的应用前景。

16、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。