本发明属于电磁屏蔽材料设计，涉及一种聚氨酯基电磁屏蔽材料及其制备方法和应用。
背景技术：
1、电子设备迅猛发展带来的电磁辐射问题影响着人们的日常生活和健康。开发具有优异性能的电磁屏蔽复合材料已成为当前亟待解决的问题，其中聚合物基电磁屏蔽材料因其密度小、耐腐蚀、易加工以及柔性好等特点而被广泛应用。但是传统的聚合物基电磁屏蔽材料存在电磁波二次污染问题以及损耗机制单一等问题，从而限制了其应用范围。在电磁屏蔽中，反射和吸收是阻隔电磁辐射的主要途径。对于电磁辐射的反射，材料必须具有可移动的电荷载体，而对电磁辐射的吸收主要取决于辐射中电和磁偶极子与电磁场的相互作用。因此，屏蔽材料需要具有一定的导电性，同时要形成良好的导电路径。金属材料由于自身具有移动电子表现出较高的电导率，常用于电磁屏蔽。相比于金属屏蔽材料，导电聚合物复合材料表现出了密度小、成本低、加工成型性好、耐腐蚀以及导电性能可调等优势，从而成为近年来被广泛研究的电磁屏蔽材料。这些复合材料在电子、航空航天、飞机、可穿戴设备和汽车等电磁干扰屏蔽领域具有广阔的应用前景。
2、然而，无论是金属屏蔽材料还是备受关注的导电聚合物复合材料，其有效的电磁屏蔽性能都是基于对电磁波的反射，反射效率通常高于90％。也就是说在屏蔽过程中反射回去的电磁波仍然具有初始入射电磁波90％及以上的能量。显然，这种以反射为主的电磁屏蔽材料会引起严重的二次电磁污染并造成电磁环境的复杂化，也不能从根本上解决电磁辐射或干扰带来的危害。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种聚氨酯基电磁屏蔽材料及其制备方法和应用，从而解决现有技术中电磁屏蔽材料会会引起二次电磁污染的技术问题。
2、本发明是通过以下技术方案来实现：
3、一种聚氨酯基电磁屏蔽材料的制备方法，包括以下步骤：
4、吸波层填料制备，具体为：将co(no3)、fecl3和对苯二甲酸溶解于溶剂中，搅拌反应后制得cofe-mofs，然后对所述cofe-mofs进行退火处理，制得cofe@c；将聚二烯丙基二甲基氯化铵加入所述cofe@c的水溶液中，反应制得pdda改性的cofe@c；将所述pdda改性的cofe@c加入mxene分散液中，搅拌混合反应，制得mxene@cofe@c复合吸波填料；
5、反射层填料制备，具体为：将氨基苯磺酸的重氮盐溶液逐滴加入gns分散液中，反应后，制得s-gns；将所述s-gns与agnws混合均匀，制得s-gns/agnws复合反射填料；
6、电磁屏蔽材料的制备，具体为：将含有所述mxene@cofe@c复合吸波填料的水性聚氨酯分散液成膜后，再其上固定s-gns/agnws复合反射填料的水性聚氨酯分散液，固定后，制得所述聚氨酯基电磁屏蔽材料。
7、优选地，所述co(no3)与fecl3的摩尔比为(0.95～1.05):1。
8、优选地，所述吸波层填料的制备过程中，溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、甲醇以及水的混合液，所述n,n-二甲基甲酰胺、甲醇以及水的体积比为(8～11):2:1。
9、优选地，所述退火处理过程中，处理气氛为n2气氛，升温速率为5～10℃/min；退火温度为600～800℃，退火时间为1.5～2.5h。
10、优选地，所述聚二烯丙基二甲基氯化铵与所述cofe@c的质量比为1:(8～10)。
11、优选地，将氨基苯磺酸的重氮盐溶液逐滴加入gns分散液中，具体的反应过程为：先在冰浴下反应3.5～4.5h，然后在室温下反应3.5～4.5h，对产物进行洗涤干燥后，制得s-gns。
12、优选地，所述s-gns与agnws的质量比为1:(8～12)。
13、优选地，所述mxene@cofe@c复合吸波填料的水性聚氨酯的分散液中固含量为10％～25％；所述s-gns/agnws复合反射填料的水性聚氨酯的分散液中固含量为5％～15％。
14、一种聚氨酯基电磁屏蔽材料，通过上述的方法制得。
15、上述的一种聚氨酯基电磁屏蔽材料在电子设备中的应用。
16、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
17、本发明公开一种聚氨酯基电磁屏蔽材料的制备方法，该方法中利用pdda对cofe@c进行改性，有效提升了cofe@c与mxene的结合能力，提高材料的结构稳定性，得到的mxene@cofe@c作为吸波层填料，该吸波层中mxene和cofe纳米颗粒的协同作用，通过介电损耗、磁损耗(涡流损耗、自然共振和交换共振)以及导电损耗，有效衰减入射的电磁波。同时，碳基体中的缺陷、非均相界面和类电容结构进一步增强了电磁波的吸收能力。再者，将s-gns与agnws混合作为反射层填料，该反射层填料由一维的agnws和二维的s-gns构建的三维高导电网络，提供了出色的电磁反射能力。当电磁波穿透吸波层到达反射层时，会发生“吸收-反射-再吸收”过程，增加了电磁波的衰减路径，从而减少了电磁波的二次污染。此处吸波层与反射层的结合，不仅提高了电磁波的吸收性能，还通过反射层的存在避免了单一吸收层可能导致的电磁波反射问题，这种“吸波-反射”型结构，在提升电磁屏蔽效率的同时，有效解决了电磁波二次污染的问题。
18、进一步的，所述co(no3)与fecl3的摩尔比为(0.95～1.05):1，该范围内反应物的投料比例接近化学计量比，使得反应更加接近理论上的完全反应，减少了副产物的生成，这种精确控制有助于实现产物的纯度和一致性的提高。通过控制摩尔比，可以优化产物的晶体结构、粒径分布和表面性质等关键参数，从而提高产物的质量和应用价值。
19、进一步的，所述吸波层填料的制备过程中，溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、甲醇以及水的混合液，所述n,n-二甲基甲酰胺、甲醇以及水的体积比为(8～11):2:1，dmf是一种极性溶剂，对多种有机物具有良好的溶解性，甲醇和水的加入可以在一定程度上调节溶剂的极性和溶解能力，使得混合溶剂能够更好地溶解或分散吸波材料中的固体成分。通过调整dmf、甲醇和水的比例，可以精确控制混合溶剂的粘度，从而影响制备过程中涂料的流动性和涂覆性能，适当的粘度有助于形成均匀、致密的吸波层。dmf、甲醇和水的沸点各不相同，混合使用可以通过调节它们的比例来控制溶剂的蒸发速率，较快的蒸发速率有助于缩短干燥时间，提高生产效率，而适当的蒸发速率则有助于减少涂层表面的缺陷和气泡。溶剂的选择和比例对最终产品的吸波性能有一定影响，通过优化溶剂组成，可以使得吸波材料在溶剂中更好地分散和排列，从而提高吸波层的吸波效率和带宽。
20、进一步的，所述退火处理过程中，处理气氛为n2气氛，升温速率为5～10℃/min；退火温度为600～800℃，退火时间为1.5～2.5h。氮气是一种惰性气体，不易与其他物质发生化学反应。在退火过程中，使用n2气氛可以有效防止材料表面和内部发生氧化反应，从而保持材料的纯净度和原有性能。相比其他可能含有杂质或反应性气体的气氛，n2气氛更加纯净，能够减少杂质对材料的污染，提高材料的纯度和质量。n2气氛有助于在退火过程中实现温度的均匀分布，避免局部过热或过冷现象的发生，从而促进材料的均匀退火和微观组织的均匀化。升温速率是影响材料相变过程的重要因素之一，在退火处理中，通过设定合适的升温速率，可以控制材料的相变过程，避免过快或过慢的升温速率导致的组织不均匀或性能下降。过快的升温速率导致材料内部产生较大的热应力，从而影响材料的性能和稳定性。而适当的升温速率有助于减少热应力的产生，保持材料的完整性和性能。退火温度和退火时间是影响材料微观组织的关键因素。通过设定合适的退火温度，可以使材料内部的晶粒得到充分的长大和再结晶，从而优化材料的微观组织，提高材料的力学性能和物理性能。退火处理还可以消除材料在加工过程中产生的残余应力，提高材料的尺寸稳定性和使用寿命，适当的退火温度和退火时间有助于确保残余应力的充分消除。
21、进一步的，所述聚二烯丙基二甲基氯化铵与所述cofe@c的质量比为1:(8～10)，pdda作为一种阳离子聚合物，其正电荷可以与cofe@c表面的负电荷或官能团相互作用，形成稳定的电荷层，适当的质量比可以确保pdda在cofe@c表面形成均匀且致密的涂层，从而增强两者之间的界面相互作用，提高复合材料的稳定性和性能。pdda的引入有助于改善cofe@c纳米颗粒在溶剂或基体中的分散性，减少团聚现象，适当的质量比可以确保pdda在溶液中具有足够的浓度，以有效地分散cofe@c纳米颗粒，形成均匀的悬浮液或分散体系。pdda作为导电聚合物的一种，其引入可能在一定程度上改善cofe@c复合材料的导电性能，适当的质量比可以平衡pdda的导电贡献与cofe@c的固有导电性，从而获得具有优异导电性能的复合材料。cofe@c作为磁性材料，其磁性能对于复合材料的应用至关重要。pdda的加入通过影响cofe@c的微观结构和表面性质来间接调整其磁性能，适当的质量比可以确保pdda在不影响cofe@c磁性能的前提下，发挥其在其他方面的优势。
22、进一步的，将氨基苯磺酸的重氮盐溶液逐滴加入gns分散液中，具体的反应过程为：先在冰浴下反应3.5～4.5h，然后在室温下反应3.5～4.5h，对产物进行洗涤干燥后，制得s-gns，冰浴下的低温反应有助于减少副反应的发生，保持反应体系的稳定性，同时有利于重氮盐与gns表面的活性位点充分接触和反应，随后在室温下的反应则有助于进一步完成反应，提高产物的转化率和纯度。适当的反应时间确保了重氮盐与gns之间的充分反应，既不过度也不过短，从而得到理想的产物结构和性能。通过重氮盐与gns的反应，可以在gns表面引入特定的官能团或结构，从而在gns表面引入的重氮盐基团，使得gns与agnws紧密结合，提高了产物的结构稳定性，减少了在后续处理或应用过程中的脱落或降解。将重氮盐溶液逐滴加入gns分散液中，有助于实现反应物之间的均匀混合和接触，避免了局部浓度过高导致的副反应或产物不均匀。通过控制反应时间和温度，可以实时监控反应进程，确保反应按照预期进行，提高了工艺的可控性和可重复性。
23、进一步的，所述s-gns与agnws的质量比为1:(8～12)，s-gns与agnws的结合可以产生协同效应，即两者在导电性能上的优势相互补充，s-gns具有良好的导电性和机械强度，而agnws则具有优异的导电性和柔韧性，适当的质量比可以确保两者在复合材料中均匀分布，形成高效的导电网络，从而提高复合材料的整体导电性能。agnws的高导电性有助于降低复合材料的电阻，使得电流在材料中的传输更加顺畅，而s-gns的加入则可能通过改善agnws之间的接触和连接，进一步降低电阻，提高导电效率。agnws的柔韧性可以弥补s-gns的脆性，使得复合材料在受到外力作用时能够更好地分散和吸收能量，从而提高其韧性和抗断裂性能。s-gns的高强度和刚度有助于增强复合材料的整体机械强度，使其能够承受更大的应力和变形而不发生破坏。适当的质量比有助于改善s-gns和agnws在溶剂或基体中的分散性，减少团聚现象的发生，从而提高复合材料的加工性能，这有助于在制备过程中实现更均匀的涂布、印刷或成型等操作。
24、进一步的，所述mxene@cofe@c复合吸波填料的水性聚氨酯的分散液中固含量为10％～25％；所述s-gns/agnws复合反射填料的水性聚氨酯的分散液中固含量为5％～15％。mxene@cofe@c复合吸波填料的水性聚氨酯分散液，适当的固含量有助于维持分散液的稳定性，防止填料颗粒的过度聚集或沉淀，确保在后续加工和使用过程中性能的均一性。较高的固含量可以提供更多的mxene@cofe@c复合吸波填料，从而增强分散液的吸波性能，这对于需要高吸波效率的应用场景尤为重要。适中的固含量有助于调节分散液的粘度，使其更适合于特定的加工工艺，如喷涂、涂布等。在保证性能的前提下，通过调整固含量可以控制生产成本，过高的固含量可能会增加原料成本，而过低的固含量则可能影响性能，因此需要在性能和成本之间找到平衡点。s-gns/agnws复合反射填料的水性聚氨酯分散液，gns和agnws作为反射填料，其分散液的固含量直接影响复合材料的透光率和反射率，较低的固含量可以保持较高的透光率，适用于需要良好透明度的应用场景，而适中的固含量则可以在保证一定透光率的同时，提高反射性能。agnws的高导电性使得复合反射填料在导电领域也有应用潜力，适当的固含量可以确保复合材料具有良好的导电性能，同时避免过高的成本。s-gns和agnws的加入还可以改善复合材料的机械性能，如强度、韧性等，当的固含量有助于这些性能的优化。与mxene@cofe@c复合吸波填料类似，s-gns/agnws复合反射填料的水性聚氨酯分散液也需要在加工性和稳定性之间找到平衡点，适中的固含量有助于维持分散液的稳定性和加工性。
1.一种聚氨酯基电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种聚氨酯基电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述co(no3)与fecl3的摩尔比为(0.95～1.05):1。
3.根据权利要求1所述的一种聚氨酯基电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述吸波层填料的制备过程中，溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、甲醇以及水的混合液，所述n,n-二甲基甲酰胺、甲醇以及水的体积比为(8～11):2:1。
4.根据权利要求1所述的一种聚氨酯基电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述退火处理过程中，处理气氛为n2气氛，升温速率为5～10℃/min；退火温度为600～800℃，退火时间为1.5～2.5h。
5.根据权利要求1所述的一种聚氨酯基电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述聚二烯丙基二甲基氯化铵与所述cofe@c的质量比为1:(8～10)。
6.根据权利要求1所述的一种聚氨酯基电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，将氨基苯磺酸的重氮盐溶液逐滴加入gns分散液中，具体的反应过程为：先在冰浴下反应3.5～4.5h，然后在室温下反应3.5～4.5h，对产物进行洗涤干燥后，制得s-gns。
7.根据权利要求1所述的一种聚氨酯基电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述s-gns与agnws的质量比为1:(8～12)。
8.根据权利要求1所述的一种聚氨酯基电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述mxene@cofe@c复合吸波填料的水性聚氨酯的分散液中固含量为10％～25％；所述s-gns/agnws复合反射填料的水性聚氨酯的分散液中固含量为5％～15％。
9.一种聚氨酯基电磁屏蔽材料，其特征在于，通过权利要求1～8中任意一项所述的方法制得。
10.权利要求9中所述的一种聚氨酯基电磁屏蔽材料在电子设备中的应用。
