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法律状态
2022-11-01
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):C08G73/06 专利号:ZL2016109900847 申请日:20161110 授权公告日:20181012
专利权的终止
2018-10-12
授权
授权
2017-04-12
实质审查的生效 IPC(主分类):C08G73/06 申请日:20161110
实质审查的生效
2017-03-15
公开
公开
技术领域
本发明涉及电磁屏蔽材料的制备方法。
背景技术
随着商业、军事及科技电子产品和通信设备的快速发展，电磁污染已经引起了人们的广泛关切。电磁辐射不仅能干扰机器的正常运转，造成能量、时间和金钱上的损失，甚至还能威胁人体健康。因此，加大力度发展环保、高性能的电磁屏蔽材料势在必行。由于优异的导电性、抗腐蚀性、抗氧化性和耐热性，碳材料(如石墨烯和碳纳米管)已经广泛用于电磁屏蔽领域。碳气凝胶是一种轻质、多孔的碳材料，它是由交联的碳纤维网络所构成，因此碳气凝胶也具有优良的导电、导热能力。碳气凝胶可由绿色、可生物降解的纤维素气凝胶经高温热解所得到，此外，这种环境友好的碳气凝胶的成本远低于石墨烯和碳纳米管等碳材料。因此，开发基于“纤维素衍生的碳气凝胶”的新型电磁屏蔽材料，具有一定的市场价值。除碳材料以外，导电聚合物(如聚吡咯和聚苯胺)、金属和金属衍生物(如铁磁材料)也被广泛用于研发电磁屏蔽产品。金属良导体在高频磁场的作用下，内部自由电子移动产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，从而达到屏蔽效果。传统的高效电磁屏蔽材料为金属板材，如钢板、镀锌薄钢板、铜板、铝板等电导率好的材料。然而，金属屏蔽材料密度大、易腐蚀、不易加工等缺点大大限制了他们的适用领域。此外，金属良导体的相对电导率大，电磁屏蔽效果以反射损耗为主，易产生二次辐射，伤害人体。铁磁材料具有高的磁导率，能引导磁力线会聚，通过高穿透材料在附近空间降低磁通密度而达到磁屏蔽的目的。由于普通铁氧体单位体积中储存的磁能较低，饱合磁化强度也较低，因而限制了它在要求较高磁能密度的低频强电和大功率领域的应用。与传统的金属类电磁屏蔽材料相比，导电聚合物不仅具有同样优异的电磁屏蔽性能，而且还具有质量轻、耐腐蚀、电导率可调、成本低等优点。因此，有效地组装这几类具有电磁屏蔽效应的成分，以形成多元的复合材料，有利于发展性能相互叠加的多功能的电磁屏蔽产品，以缓解单一成分的电磁屏蔽材料的性能劣势。
发明内容
本发明是要解决现有单一成分的电磁屏蔽材料的性能劣势的问题，而提供了一种基于碳材料、聚吡咯和α-三氧化二铁三种成分的电磁屏蔽材料的制备方法。
一种基于碳材料、聚吡咯和α-三氧化二铁三种成分的电磁屏蔽材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将碳材料浸渍在质量百分数为65％的浓硝酸中0.1h～100h，得到酸处理后的碳材料；
所述的碳材料为碳气凝胶、碳纳米管、石墨烯或碳纤维；
所述的碳气凝胶是按以下步骤制备的：将装有纤维素气凝胶的容器置于高温热解装置中，向高温热解装置中通入惰性气体5min～20min，在惰性气体的保护下，以升温速率为0.1℃/min～20℃/min，将高温热解装置的温度首先升至200℃～800℃，并在温度为200℃～800℃的条件下，保温1h～10h，然后以升温速率为0.1℃/min～20℃/min，将高温热解装置的温度由200℃～800℃升温至1000℃～2000℃，并在温度为1000℃～2000℃的条件下，保温1h～10h，再以降温速率为0.1℃/min～20℃/min，将高温热解装置温度由1000℃～2000℃降至400℃～800℃，降温后，经自然冷却至室温，得到碳气凝胶；
二、将浓度为0.1mol/L～1mol/L的Fe(NO3)3·9H2O溶液与质量百分数为37％的浓盐酸混合，得到混合溶液A，然后将酸处理后的碳材料浸渍到混合溶液A中0.1h～100h，浸渍后，在温度为50℃下干燥3h，得到浸渍后的碳材料；
所述的浓度为0.1mol/L～1mol/L的Fe(NO3)3·9H2O溶液与质量百分数为37％的浓盐酸的体积比为1:(0.001～0.1)；
三、将浸渍后的碳材料置于高温热解装置中，在氮气保护下，以升温速率为0.1℃/min～20℃/min，将高温热解装置的温度首先升至300℃～500℃，并在温度为300℃～500℃的条件下，保温3h～5h，随后自然冷却至室温，得到高温处理后的碳材料；
四、将浓度为0.1mol/L～0.5mol/L的FeCl3·6H2O和浓度为0.01mol/L～0.05mol/L的对甲苯磺酰胺混合，得到混合溶液B，将高温处理后的碳材料浸渍在混合溶液B中0.1h～100h，得到浸渍后的样品，将浸渍后的样品及盛有吡咯的烧杯分别放置在玻璃干燥器中，然后将干燥器密封，将密封后的干燥器放置于室温下，自由反应1h～24h，反应后，用蒸馏水洗涤反应后的样品并在温度为50℃下干燥，得到基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料；
所述的浓度为0.1mol/L～0.5mol/L的FeCl3·6H2O与浓度为0.01mol/L～0.05mol/L的对甲苯磺酰胺的体积比为1:(0.1～10)。
本发明的有益效果是：
一、本发明制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料具有良好的电磁屏蔽性能，其总电磁屏蔽效率可达39.4dB。
二、本发明制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料的电磁吸收损耗可达33.2dB，远高于它的电磁反射损耗(6.2dB)，有利于减少电磁波的二次辐射。
三、本发明提供的制备方法简单、快速、安全，不需要昂贵设备，原料来源广泛、成本低廉。
本发明用于一种基于碳材料、聚吡咯和α-三氧化二铁三种成分的电磁屏蔽材料的制备方法。
附图说明
图1为实施例一步骤一制备的碳气凝胶的扫描电镜图；
图2为实施例一制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料的扫描电镜图；
图3为实施例一制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料的低倍率的透射电镜图；
图4为实施例一制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料的高倍率的透射电镜图；
图5为X射线衍射图，1为实施例一制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料，2为α-Fe2O3的X射线衍射标准卡片；
图6为实施例一制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料的红外光谱图；
图7为实施例一制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料的电磁屏蔽效率与电磁波频率的关系图，1为总电磁屏蔽效率，2为电磁吸收损耗，3为电磁反射损耗。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式所述的一种基于碳材料、聚吡咯和α-三氧化二铁三种成分的电磁屏蔽材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将碳材料浸渍在质量百分数为65％的浓硝酸中0.1h～100h，得到酸处理后的碳材料；
所述的碳材料为碳气凝胶、碳纳米管、石墨烯或碳纤维；
所述的碳气凝胶是按以下步骤制备的：将装有纤维素气凝胶的容器置于高温热解装置中，向高温热解装置中通入惰性气体5min～20min，在惰性气体的保护下，以升温速率为0.1℃/min～20℃/min，将高温热解装置的温度首先升至200℃～800℃，并在温度为200℃～800℃的条件下，保温1h～10h，然后以升温速率为0.1℃/min～20℃/min，将高温热解装置的温度由200℃～800℃升温至1000℃～2000℃，并在温度为1000℃～2000℃的条件下，保温1h～10h，再以降温速率为0.1℃/min～20℃/min，将高温热解装置温度由1000℃～2000℃降至400℃～800℃，降温后，经自然冷却至室温，得到碳气凝胶；
二、将浓度为0.1mol/L～1mol/L的Fe(NO3)3·9H2O溶液与质量百分数为37％的浓盐酸混合，得到混合溶液A，然后将酸处理后的碳材料浸渍到混合溶液A中0.1h～100h，浸渍后，在温度为50℃下干燥3h，得到浸渍后的碳材料；
所述的浓度为0.1mol/L～1mol/L的Fe(NO3)3·9H2O溶液与质量百分数为37％的浓盐酸的体积比为1:(0.001～0.1)；
三、将浸渍后的碳材料置于高温热解装置中，在氮气保护下，以升温速率为0.1℃/min～20℃/min，将高温热解装置的温度首先升至300℃～500℃，并在温度为300℃～500℃的条件下，保温3h～5h，随后自然冷却至室温，得到高温处理后的碳材料；
四、将浓度为0.1mol/L～0.5mol/L的FeCl3·6H2O和浓度为0.01mol/L～0.05mol/L的对甲苯磺酰胺混合，得到混合溶液B，将高温处理后的碳材料浸渍在混合溶液B中0.1h～100h，得到浸渍后的样品，将浸渍后的样品及盛有吡咯的烧杯分别放置在玻璃干燥器中，然后将干燥器密封，将密封后的干燥器放置于室温下，自由反应1h～24h，反应后，用蒸馏水洗涤反应后的样品并在温度为50℃下干燥，得到基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料；
所述的浓度为0.1mol/L～0.5mol/L的FeCl3·6H2O与浓度为0.01mol/L～0.05mol/L的对甲苯磺酰胺的体积比为1:(0.1～10)。
本实施方式的有益效果是：
一、本实施方式制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料具有良好的电磁屏蔽性能，其总电磁屏蔽效率可达39.4dB。
二、本实施方式制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料的电磁吸收损耗可达33.2dB，远高于它的电磁反射损耗(6.2dB)，有利于减少电磁波的二次辐射。
三、本实施方式提供的制备方法简单、快速、安全，不需要昂贵设备，原料来源广泛、成本低廉。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的碳气凝胶是按以下步骤制备的：将装有纤维素气凝胶容器置于高温热解装置中，向高温热解装置中通入惰性气体10min，在惰性气体的保护下，以升温速率为5℃/min，将高温热解装置的温度首先升至500℃，并在温度为500℃的条件下，保温1h，然后以升温速率为5℃/min，将高温热解装置的温度由500℃升温至1000℃，并在温度为1000℃的条件下，保温2h，再以降温速率为5℃/min，将高温热解装置温度由1000℃降至500℃，降温后，经自然冷却至室温，得到碳气凝胶。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中将碳材料浸渍在质量百分数为65％的浓硝酸中24h。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中然后将酸处理后的碳材料浸渍到混合溶液A中3h。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述的浓度为0.1mol/L～1mol/L的Fe(NO3)3·9H2O溶液与质量百分数为37％的浓盐酸的体积比为1:0.001。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中将浓度为0.94mol/L的Fe(NO3)3·9H2O溶液与质量百分数为37％的浓盐酸混合，得到混合溶液A。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中将浸渍后的碳材料置于高温热解装置中，在氮气保护下，以升温速率为2℃/min，将高温热解装置的温度首先升至400℃，并在温度为400℃的条件下，保温4h，随后自然冷却至室温，得到高温处理后的碳材料。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四中将密封后的干燥器放置于室温下，自由反应12h。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四中将浓度为0.3mol/L的FeCl3·6H2O和浓度为0.033mol/L的对甲苯磺酰胺混合，得到混合溶液B。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四中将高温处理后的碳材料浸渍在混合溶液B中3h。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例所述的一种基于碳材料、聚吡咯和α-三氧化二铁三种成分的电磁屏蔽材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将碳材料浸渍在质量百分数为65％的浓硝酸中24h，得到酸处理后的碳材料；
所述的碳材料为碳气凝胶；
所述的碳气凝胶是按以下步骤制备的：将装有纤维素气凝胶的容器置于高温热解装置中，向高温热解装置中通入惰性气体10min，在惰性气体的保护下，以升温速率为5℃/min，将高温热解装置的温度首先升至500℃，并在温度为500℃的条件下，保温1h，然后以升温速率为5℃/min，将高温热解装置的温度由500℃升温至1000℃，并在温度为1000℃的条件下，保温2h，再以降温速率为5℃/min，将高温热解装置温度由1000℃降至500℃，降温后，经自然冷却至室温，得到碳气凝胶；
二、将50mL浓度为0.94mol/L的Fe(NO3)3·9H2O溶液与500μL质量百分数为37％的浓盐酸混合，得到混合溶液A，然后将0.3g酸处理后的碳材料浸渍到混合溶液A中3h，浸渍后，在温度为50℃下干燥3h，得到浸渍后的碳材料；
三、将浸渍后的碳材料置于高温热解装置中，在氮气保护下，以升温速率为2℃/min，将高温热解装置的温度首先升至400℃，并在温度为400℃的条件下，保温4h，随后自然冷却至室温，得到高温处理后的碳材料；
四、将1mL浓度为0.3mol/L的FeCl3·6H2O和1mL浓度为0.033mol/L的对甲苯磺酰胺混合，得到混合溶液B，将0.15g高温处理后的碳材料浸渍在混合溶液B中3h，得到浸渍后的样品，将浸渍后的样品及盛有2mL吡咯的烧杯分别放置在玻璃干燥器中，然后将干燥器密封，将密封后的干燥器放置于室温下，自由反应12h，反应后，用蒸馏水洗涤反应后的样品并在温度为50℃下干燥，得到基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料。
利用实施例一制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料进行电磁屏蔽性能，测试结果如下：
图1为实施例一步骤一制备的碳气凝胶的扫描电镜图，由图可知，碳气凝胶具有交联的三维网络结构，有利于电磁波在气凝胶的网络内壁中实现多重反射，增大电磁波的吸收损耗。
图2为实施例一制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料的扫描电镜图，由图可观测到大量的片状的聚吡咯生成。
图3为实施例一制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料的低倍率的透射电镜图，由图可观测到大量的片状的聚吡咯生成。
图4为实施例一制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料的高倍率的透射电镜图，由图可观测到大量的α-Fe2O3纳米粒子附着在聚吡咯片状结构上。
图5为X射线衍射图，1为实施例一制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料，2为α-Fe2O3的X射线衍射标准卡片；由图可知，通过比对α-Fe2O3的x射线衍射标准卡片，该复合材料含有α-Fe2O3成分。
图6为实施例一制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料的红外光谱图，由图可知，该复合材料呈现出聚吡咯的特征峰，表明该复合材料含有聚吡咯成分。
实施例一制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料的测试方法是按照以下步骤进行的：
一、取粉末状的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料和液体的石蜡均匀混合，得到混合物，随后通过环形模具将混合物压制成环形样品；
所述的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料与石蜡的质量比为1:1；所述的环形模具为外径为7.0mm，内径为3.0mm，厚度为2.0mm；
二、采用PNA-X N5244a型网络分析仪测试环形样品的S参数，测试范围为8GHz～13GHz；
三、总电磁屏蔽效率(SEtotal)、电磁吸收损耗(SEA)和电磁反射损耗(SET)通过以下公式计算得到：
SEtotal(dB)＝-10log[|S21|2]
SER＝-10log(1-|S11|2)
SEA＝-10log[|S21|2/(1-|S11|2)]
图7为实施例一制备的基于碳材料、聚吡咯和α-Fe2O3三种成分的电磁屏蔽材料的电磁屏蔽效率与电磁波频率的关系图，1为总电磁屏蔽效率，2为电磁吸收损耗，3为电磁反射损耗；由图可知，该电磁屏蔽材料具有良好的电磁屏蔽性能，其总电磁屏蔽效率可达39.4dB，另外，该复合材料的电磁吸收损耗可达33.2dB，远高于它的电磁反射损耗(6.2dB)，有利于减少电磁波的二次辐射。
机译： 一种具有SP2-杂交的碳材料的制备方法，其中控制吡啶氮和吡咯氮的含量，由此制备碳材料
机译： sp2一种具有sp2-杂化的碳材料的制备方法，其中控制吡啶氮和吡咯氮的含量，并由此制备碳材料
机译： 一种基于聚吡咯的水性分散体的制备方法
