本發(fā)明屬于相變復(fù)合材料，涉及一種具有優(yōu)異導(dǎo)熱、電磁干擾屏蔽和電熱轉(zhuǎn)換儲(chǔ)能性能的相變復(fù)合材料，特別是涉及一種基于mxene基氣凝膠骨架的多功能相變復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、化石燃料在人類發(fā)展過(guò)程中起到了不可忽視的作用，推動(dòng)了人類文明的重大發(fā)展，但消耗化石燃料的同時(shí)也造成了很多副作用，對(duì)環(huán)境和氣候造成了不可逆轉(zhuǎn)的傷害。在能源消耗和環(huán)境問(wèn)題的矛盾中，當(dāng)務(wù)之急是減少現(xiàn)有燃料造成的污染和開(kāi)發(fā)更多經(jīng)濟(jì)高效的綠色能源。

2、熱能儲(chǔ)存（tes）作為可再生能源的一種重要形式，可以很好地解決太陽(yáng)能、風(fēng)能和水力等其他可再生資源在空間和時(shí)間上的局限性。其中，相變材料潛熱（pcm）的熱能存儲(chǔ)作為一種受溫度限制較小且高效的儲(chǔ)能形式，主要得益于其在發(fā)生相變時(shí)可以在熔融和冷凍過(guò)程中可逆吸收和釋放熱能這一特點(diǎn)。目前已經(jīng)許多有機(jī)固液相變材料（slpcms）作為潛熱儲(chǔ)熱材料被廣泛應(yīng)用于熱能儲(chǔ)存領(lǐng)域。

3、然而，易泄露性作為相變材料的固有性質(zhì)，造成了其在應(yīng)用過(guò)程中很大的局限性，同時(shí)，較低的導(dǎo)熱率也在一定程度上阻礙了相變材料的應(yīng)用。

4、目前主要是采用形狀骨架或形狀穩(wěn)定技術(shù)將相變材料進(jìn)行封裝固定，雖然有效的封裝技術(shù)解決了相變材料易泄露這一關(guān)鍵難題，但在應(yīng)用過(guò)程中還是面臨著導(dǎo)熱率較低和電磁屏蔽能力較差的弊端，導(dǎo)致應(yīng)用場(chǎng)景具有局限性。增強(qiáng)材料性能，開(kāi)發(fā)集兼顧熱管理和電磁干擾屏蔽等優(yōu)異性能甚至更多性能的相變復(fù)合材料（pccs），已成為現(xiàn)階段著力攻克的關(guān)鍵難題。

5、納米材料具有高導(dǎo)電性、寬吸收光譜范圍和高導(dǎo)熱性，加入納米材料是解決相變材料導(dǎo)熱性和電磁干擾屏蔽問(wèn)題的一個(gè)很有前途的解決方案。碳化鈦（ti3c2tx）納米片（mxene）是2011年開(kāi)發(fā)的一種二維納米材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、靈活的尺寸調(diào)節(jié)、強(qiáng)的局部表面等離子體共振效應(yīng)和豐富的表面官能團(tuán)。

6、xie等（yuqiong?xie,?minming?zou,?xiao?shikun,?wenjing?chen,?yichi?liu,xiaowu?hu,?xiongxin?jiang,?yinshui?he,?qinglin?li.?mxene-modified?bio-basedpitaya?peel?foam/polyethylene?glycol?composite?phase?change?material?withexcellent?photo-thermal?conversion?efficiency,?thermal?energy?storagecapacity?and?thermal?conductivity.? journal?of?energy?storage.?2024,?78:https://doi.org/10.1016/j.est.2023.110089.）采用簡(jiǎn)單的真空浸漬方法，將聚乙二醇（peg）封裝到mxene改性的火龍果剝離基多孔碳中，制備了一種新型多功能相變復(fù)合材料，mxene改性的生物基火龍果皮泡沫/peg相變復(fù)合材料（peg/bpc@m）表現(xiàn)出較高的負(fù)載比（95.4%）和0.566w/m·k的導(dǎo)熱值。

7、jiang等（lili?jiang,?wenqiang?zhang,?ruijia?zhang,?zhengbiao?hu,jiahao?yang,?xiaoxu?ma,?jiaming?fan.?high?latent?heat?phase?change?materialscomposites?based?on?mxene/?biomass-derived?cellulose?nanocrystalline?aerogelfor?solar-thermal?energy?conversion?and?storage. ?ceramics?international,2024.?50:?17428-17438.?https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.02.231）采用真空浸漬法制備了新型十四烷胺/mxene/纖維素納米晶相變復(fù)合材料（tda/mxene/cnccpcm），對(duì)tda的加載率高達(dá)90.6wt%，此外，tda/mxene/cnc?cpcm-5的導(dǎo)熱系數(shù)為0.491w/m·k。

8、zheng等(zhiheng?zheng,?huan?lui,?dezhen?wu,?xiaodong?wang.?polyimide/mxene?hybrid?aerogel-based?phase-change?composites?for?solar-driven?seawaterdesalination.? chemical?engineering?journal,?2022,?440:?https://doi.org/doi:10.1016/j.cej.2022.135862.）以聚酰亞胺（pi）/mxene雜化氣凝膠為支撐材料，peg為相變材料，開(kāi)發(fā)了一種新型相變復(fù)合材料，材料潛熱170j/g，導(dǎo)熱系數(shù)0.3533w/m·k。

9、可以看出，基于mxene納米片的嚴(yán)重堆疊傾向和相鄰納米片之間的較弱互連，上述幾種相變復(fù)合材料的性能并不突出。即便mxene以三維氣凝膠的形式可以更好的吸附相變材料封裝在多孔骨架中防止相變過(guò)程中的泄露，但由于無(wú)法形成互通相連的結(jié)構(gòu)，相變材料分子間相互作用力較弱，熱量不容易傳遞且因其短鏈結(jié)構(gòu)和分散排列的原因，導(dǎo)熱性能不能得到更好的改善，導(dǎo)致了上述相變復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)均不太高。

10、同時(shí)，上述文獻(xiàn)中也均未提及其相變復(fù)合材料的電磁屏蔽性能。相變材料自身并沒(méi)有電磁屏蔽性能，即便有mxene這種功能性材料的加持，但由于其不能在氣凝膠結(jié)構(gòu)中形成規(guī)則排序，因此也很難保證復(fù)合材料電磁屏蔽性能的存在。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決mxene堆疊嚴(yán)重的問(wèn)題，提供一種能規(guī)則排列形成連續(xù)三維互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的mxene基氣凝膠。

2、提供一種基于該mxene基氣凝膠為骨架的相變復(fù)合材料，解決目前相變復(fù)合材料難以穩(wěn)定發(fā)揮熱管理和電磁屏蔽性能的問(wèn)題，是本發(fā)明的另一發(fā)明目的。

3、本發(fā)明首先提供了一種mxene基氣凝膠，是在mxene水分散液中加入pei和cmc分散均勻得到混合溶液，液氮中定向冷凍，真空冷凍干燥得到的mxene基氣凝膠骨架mcp。

4、進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的mxene基氣凝膠骨架mcp中，mxene與pei和cmc的質(zhì)量比優(yōu)選為1:(1～3.5):(1～3.5)。

5、更進(jìn)一步地，所述mxene水分散液的濃度優(yōu)選為5～10mg/ml。

6、本發(fā)明將pei和cmc加入到mxene水分散液中，攪拌不少于30min，以分散均勻得到混合溶液。

7、具體地，本發(fā)明是將所述混合溶液裝入底部為銅板的聚四氟乙烯模具中，浸入到液氮中進(jìn)行定向冷凍。

8、本發(fā)明所述的定向冷凍是借助特定的模具完成的，模具整體為聚四氟乙烯，僅將底部設(shè)置為銅板，使得混合溶液的熱量只能定向快速通過(guò)底部銅板與液氮發(fā)生交換，從而形成自下而上的冰晶結(jié)構(gòu)。

9、而如果直接以mxene進(jìn)行普通的冷凍干燥，雖然也可以得到三維氣凝膠結(jié)構(gòu)，但其氣凝膠結(jié)構(gòu)的支撐力很弱，不僅無(wú)法吸附相變材料，還會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的堆疊情況，影響到氣凝膠的基本性能。

10、因此，為充分發(fā)揮mxene納米片的特性并保證其優(yōu)異的力學(xué)性能，本發(fā)明首先利用含氧極性基團(tuán)的聚合物或納米材料羧甲基纖維素（cmc），通過(guò)氫鍵相互作用與mxene組裝成了高強(qiáng)度的功能納米復(fù)合材料?；赾mc獨(dú)特的一維絲狀宏觀結(jié)構(gòu)，使通過(guò)cmc與mxene之間氫鍵相互作用構(gòu)建的氣凝膠二維材料間絕緣接觸更少，類似于“磚瓦”增韌機(jī)制，以支撐mxene納米片進(jìn)行排列。然而，由于二者界面間的相互作用力較弱，使得形成的氣凝膠結(jié)構(gòu)不足以支撐較多的mxene，功能性填料過(guò)少，整體氣凝膠的性能依舊不理想。

11、進(jìn)而，本發(fā)明通過(guò)添加pei（聚乙烯亞胺）進(jìn)一步增強(qiáng)cmc與mxene之間的界面相互作用，通過(guò)氫鍵作用，使pei和cmc達(dá)到類似“砂漿”的作用，與mxene“磚”牢固互鎖，最終形成了牢固的氣凝膠結(jié)構(gòu)，可以很好地用于吸附相變材料。

12、液氮冷凍形成氣凝膠的過(guò)程中，如果是采取普通的直接速凍過(guò)程，由于溫度不足以低到快速直接形成冰晶形態(tài)，使得形成的氣凝膠雖然可以吸附相變材料，但其中的mxene發(fā)生了嚴(yán)重堆疊，無(wú)法規(guī)則排列形成三維互聯(lián)結(jié)構(gòu)。

13、因此，本發(fā)明通過(guò)進(jìn)一步采用定向冷凍的方式，使得mxene可以逐步被pei和cmc牢固支撐的同時(shí)，借助銅與聚四氟乙烯的熱導(dǎo)率差異，通過(guò)使冰晶定向排列誘導(dǎo)其進(jìn)行規(guī)則排序，以形成連續(xù)的三維排列網(wǎng)絡(luò)，不僅可以構(gòu)建得到高負(fù)載率的氣凝膠結(jié)構(gòu)，還可以擁有熱管理及電磁屏蔽等更多性能。

14、其次，本發(fā)明還利用所述mxene基氣凝膠制備獲得了一種多功能相變復(fù)合材料。具體地，是以所述mxene基氣凝膠為骨架，同時(shí)起到導(dǎo)熱劑和導(dǎo)電填料的作用，以其真空浸漬吸附上熔融態(tài)的相變材料，得到形狀穩(wěn)定的相變復(fù)合材料。

15、進(jìn)一步地，本發(fā)明以所述mxene基氣凝膠制備的相變復(fù)合材料中，相變材料的負(fù)載量可以達(dá)到相變復(fù)合材料總質(zhì)量的90～98%。

16、其中，所述的相變材料可以是聚乙二醇（peg）、聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）或聚苯乙烯（ps）中的任意一種。

17、進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的相變材料優(yōu)選為peg。

18、本發(fā)明制備獲得的相變復(fù)合材料不僅具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，還擁有了穩(wěn)定的電熱轉(zhuǎn)換儲(chǔ)能能力和良好的電磁干擾屏蔽性能，集多種功能為一體，是一種新型的相變復(fù)合材料。

19、本發(fā)明盡可能發(fā)揮mxene的優(yōu)異性能，防止其納米片堆疊，并在二維材料轉(zhuǎn)換構(gòu)建三維氣凝膠的過(guò)程中形成了納米片的規(guī)則排列，從而構(gòu)成了連續(xù)的三維互通網(wǎng)絡(luò)，并最終通過(guò)真空浸漬法與相變材料進(jìn)行復(fù)合，獲得了擁有兼顧熱管理和電磁干擾屏蔽兩種優(yōu)異性能的相變復(fù)合材料。

20、本發(fā)明制備相變復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能最高可達(dá)1.43w/m·k，電磁干擾屏蔽效能（electromagnetic?interference?shielding?effectiveness，emi?se）高達(dá)53.7db，遠(yuǎn)高于20db的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不僅可以進(jìn)一步保護(hù)人體和電子設(shè)備免受除熱失控外的電磁污染，且在電熱儲(chǔ)能、電子設(shè)備熱管理上具有廣闊的應(yīng)用前景。