具有防水、抗菌及电磁屏蔽功能的纤维膜及其制

本发明属于导电高分子复合材料领域，涉及一种具有防水、抗菌及电磁屏蔽功能的纤维膜及其制备方法和应用。背景技术：1、随着电子科学技术的发展，可穿戴传感材料可被用来收集外部刺激信号，从而提供反映人类身体状况的信息。可穿戴传感材料需要具有以下性能：质轻、透气、柔性好，并且与人体皮肤具有较好的相容性。因此通常将功能纳米填料与柔性纤维膜或者织物结合来制备导电纤维/织物复合材料用作可穿戴传感。2、mxene纳米片是具有几个原子层厚度的二维过渡金属碳化物，含有丰富的端基官能团，其比表面积大，具有出色的柔性、导电性、导热性以及水分散性，适用于用作导电填料制备可穿戴电子器件。通常可通过浸泡或者超声辅助的方法在氢键和静电力的作用下将mxene纳米片组装在基体纤维表面，所得到的导电纤维复合材料可用作应变传感器，在拉伸过程中，导电的mxene壳层被破坏，其导电网络受到影响，电阻增加；释放应力时mxene导电壳层恢复，电阻下降。此外，温度对mxene的电子移动速率有影响，因此导电纤维复合材料对温度有响应，电阻会随着温度的变化而变化。3、但是mxene在潮湿环境下容易氧化，导致mxene基导电纤维复合材料的电导率下降，从而影响传感稳定性。为了解决这一问题，通过表面改性将一层疏水层接枝到mxene表面，隔绝mxene层与空气或水分，很大程度上保证mxene纳米片的导电性以及化学稳定性。文献1(j.luo,s.gao,h.luo,et al,superhydrophobic and breathable smart mxene-basedtextile for multifunctional wearable sensing electronics,chem.eng.j.406(2021)126898)通过多次浸渍的方法先后在商用弹性织物上负载导电mxene纳米片层和疏水聚二甲基硅氧烷(pdms)层，制得的复合材料具有优异的超疏水性(接触角约为152°)。但是该方法需要多次浸渍、干燥的循环过程，比较费时费力，不利于工业化低成本、高效的批量生产。此外，由于纤维表面负载的mxene层非常薄，通常只有几十纳米，mxene基导电纤维复合材料具有较低的导电性，限制了其在焦耳热、电磁干扰屏蔽等领域的广泛应用。此外，光纤表面组装的二维mxene纳米片构建了坚固的导电网络，使其对应变不敏感，从而产生相对较低的灵敏度。文献2(z.jia,z.li,s.ma,et al,constructing conductive titanium carbidenanosheet(mxene)network on polyurethane/polyacrylonitrile fibre framework forflexible strain sensor,j.colloid interface sci.584(2021)1-10.)报道了一种mxene修饰的聚氨酯/聚丙烯腈复合纤维膜，在氢键的作用下mxene纳米片均匀的负载在纤维的表面，用作应变传感器时，在80％的应变下最大灵敏度为9.69。文献3(w.zhai,c.wang,s.wang,et al,ultra-stretchable and multifunctional wearable electronics forsuperior electromagnetic interference shielding,electrical therapy andbiomotion monitoring,j.mater.chem.a9(2021)7238-7247.)通过多层涂覆法制备了聚氨酯/聚多巴胺/银纳米颗粒/mxene纤维膜用作智能可穿戴材料，但是由于最外层是亲水的mxene纳米片层，限制了其在水下以及腐蚀性溶液等环境中的应用。文献4(a.li,j.he,w.wang,et al,self-heating and hydrophobic nanofiber membrane based on ti3c2txmxene/ag nanoparticles/thermoplastic polyurethane for electromagneticinterference shielding and sensing performance,ind.eng.chem.res.61(2022)15249-15260)将mxene和银纳米颗粒修饰的聚氨酯纤维膜浸渍在pdms的己烷溶液中，固化后得到了具有低表面能疏水纳米纤维膜。但由于pdms层较厚，材料表面粗糙度降低，接触角为116°，未实现超疏水。技术实现思路1、本发明的目的在于提供一种具有防水、抗菌及电磁屏蔽功能的纤维膜及其制备方法和应用。该超疏水多功能纳米纤维膜为超疏水银纳米颗粒/mxene/pu纳米纤维复合材料，其具有高导电性和出色的电磁屏蔽性能，在不同的拉伸和温度下表现出相应的电阻响应，灵敏度高，循环稳定性好；同时优异的超疏水性拓宽了其应用范围，使其在腐蚀性溶液中仍能正常工作。2、实现本发明目的的技术解决方案是：3、具有防水、抗菌及电磁屏蔽功能的纤维膜的制备方法，包括如下步骤：4、步骤1，以聚氨酯(pu)的n,n-二甲基甲酰胺(dmf)和四氢呋喃(thf)溶液为电纺液，通过静电纺丝得到pu纳米纤维膜；5、步骤2，将pu纳米纤维膜单轴拉伸并浸渍在mxene水分散液中，超声处理后干燥，得到mxene/pu纳米纤维膜；6、步骤3，在硝酸银(agno3)溶液中逐滴加入氨水，产生沉淀后继续滴加直至沉淀消失，得到银氨溶液，再将mxene/pu纳米纤维膜浸渍在银氨溶液中；7、步骤4，在葡萄糖(glu)溶液中加入含氟硅烷偶联剂三乙氧基-1h,1h,2h,2h-十三氟代正辛基硅烷(pfotes)，超声后得到均匀的pfotes/glu乳液；8、步骤5，将pfotes/glu乳液逐滴滴加到浸渍有mxene/pu纳米纤维膜的银氨溶液中，反应一定时间后，水洗，干燥，得到超疏水多功能纳米纤维膜。9、进一步的，步骤1中，dmf与thf的质量比为4:1～8:1，电纺液中pu的浓度为12～18wt.％。10、进一步的，步骤1中，静电纺丝的电压为15～18kv，纺丝速度为1～3ml/h，接收距离为12～18cm，纺丝时间为12～18h。11、进一步的，步骤2中，pu纳米纤维膜单轴拉伸至原长的125～200％。12、进一步的，步骤2中，mxene水分散液的浓度为0.5～2mg/ml，超声功率为240～480w，超声时间为45～75min。13、进一步的，步骤3中，硝酸银溶液的浓度为5～20mg/ml。14、进一步的，步骤4中，葡萄糖溶液的浓度为硝酸银溶液浓度的两倍，pfotes的质量为葡萄糖溶液质量的1～5wt.％。15、进一步的，步骤4中，超声功率为240w，超声处理的时间为15min。16、进一步的，步骤5中，反应时间为30～120min。17、本发明提供上述制备方法制得的超疏水多功能纳米纤维膜。18、进一步的，本发明提供上述超疏水多功能纳米纤维膜在制备电磁干扰屏蔽材料、应变传感器或者温度传感器中的应用。19、本发明通过“两步组装和原位氟化”的策略来制备超疏水多功能纳米纤维复合材料。首先通过超声将mxene组装在预拉伸的pu纳米纤维表面，然后通过银镜反应在mxene壳层外原位生长银纳米颗粒，提升复合材料的导电性以及传感响应的灵敏度。在还原银前驱体的同时，还原剂中的pfotes锚定在银纳米颗粒以及mxene纳米片表面，最终得到超疏水的多层级导电纳米纤维复合材料。20、与现有技术相比，本发明具有以下优点：21、(1)本发明首先在pu纳米纤维表面组装mxene纳米片，mxene纳米片含有丰富的端基官能团，为银离子的吸附提供了活性位点。化学还原后，银纳米颗粒负载在mxene层外。mxene作为桥接层，可以紧密连接pu纳米纤维和银纳米颗粒，增强了导电填料与基体之间的界面相互作用，保证了传感稳定性和耐久性。22、(2)本发明首先将pu纳米纤维膜预拉伸至一定的应变，然后在超声辅助下将mxene纳米片组装表面，预拉伸应变越大，负载的mxenen纳米片越多，吸附的银离子越多，还原后最终得到的纳米纤维膜导电性越好。23、(3)本发明将含氟硅烷偶联剂pfotes加入到还原剂葡萄糖溶液中，通过超声得到均匀的乳液。葡萄糖还原银离子的同时实现疏水化，避免了多次浸涂，方法简单。并且pfotes在银镜反应过程中也起到了分散剂的作用，低表面能的pfotes分子包裹在agnps外层，避免了agnps的聚集，使生成的agnps尺寸更均一。24、(4)本发明制得的超疏水纳米复合材料具有较好的导电性，电磁屏蔽效能高，对应变以及温度刺激有响应，灵敏度高，循环稳定性能好，超疏水性使其在腐蚀性溶液等恶劣环境中仍能正常使用。