CN109231193B - 一种生物基导电碳材料的制备方法及其产品和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物基导电碳材料的制备方法，包括以下步骤：选取中空圆柱状、直径为1.0～4.0mm的生物基材料，并在惰性气氛下，于300～3000℃碳化选取的生物基材料，获得生物基导电碳材料。还公开了一种生物基导电碳材料的制备方法，包括：首先，选取中空圆柱状、直径为1.0～4.0mm的生物基材料，将选取的生物基材料浸入到氧化石墨烯分散液，使氧化石墨烯分散液充满生物基材料的中空圆柱内，并冻干浸满氧化石墨烯分散液的生物基材料；然后，在惰性气氛下，于200～3000℃碳化冻干的生物基材料，获得生物基导电碳材料。两种制备方法简单，操作方便，且制备得到的生物基导电碳材料的电磁屏蔽性能显著提高。

Description

一种生物基导电碳材料的制备方法及其产品和应用

技术领域

本发明属于电磁屏蔽材料领域，具体涉及一种生物基导电碳材料的制备方法及其产品和应用。

背景技术

电磁辐射虽然是看不见、摸不着的特殊形态存在的物质，但它却是客观存在的，也是一种能量传输的形式。现在人类已经进入了电子信息化时代，各种高集成和高功率无线通信系统和电子器件数量急剧增加，导致电磁干扰和电磁污染问题日益突出，不仅在通信领域中对信号的产生、传播和接收造成了极大的影响，而且给人类社会的生产与生活，尤其是人类身体健康带来了不容忽视的危害。联合国人类环境会议早在1969年就将电磁污染列为继大气污染、水污染、噪声污染之后的全球“第四大环境污染”。电磁屏蔽材料是一类能够通过吸收和反射等方式来衰减电磁波能量传播以有效抑制电磁干扰和污染的功能材料。

随着科技的发展，电子产品越来越丰富，在电子产品为我们生活带来便捷的同时也带来了更多的电磁污染，电磁波可以干扰电子器件的正常使用，使其产生数据错误甚至引起故障，同时长期的电磁辐射也会对我们的健康带来隐患，因此开发具有优异电磁屏蔽效能的材料已成为必要。

消减电磁波主要由电导或磁导来决定，传统的电磁屏蔽材料大多数为金属基屏蔽材料，因为其具有优异的电导率、磁导率和力学性能等优点，但其具有密度大、加工困难而且容易腐蚀等缺点，使得在生活应用方面有很大的局限性，尤其是在航空和电子移动应用领域。质轻尤为重要。

炭黑、碳纳米管、石墨烯、碳纳米线等纳米碳材料由于其密度低、比表面积比较大、导电率高等优点，被应用于电磁屏蔽领域。纳米碳材料作为填料与聚氨酯、聚偏二氟乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等等聚合物通过溶液共混或者熔融共混等方法，制得轻质、耐化学腐蚀和宽频吸波等优点的电磁屏蔽材料。所以纳米碳基导电材料现已是金属基屏蔽材料的替代品，但是其成本相对较高，工艺复杂，制备繁琐，且原材料不可再生。

因此，采用环境友好的可持续和可再生资源的生物质材料作为电磁屏蔽原料成为了一种发展趋势。因为，某些生物质通过碳化可以获得具有理想电磁屏蔽性能的多孔碳材料，但直接使用原始生物质作为碳化前体可能会限制最终材料的结构多样性。实际上，生物质材料可以加工成具有不同结构的各种生物基衍生物产品，并且它们可以适用于构建具有高性能的新型电磁屏蔽材料

发明内容

为解决现有电磁屏蔽材料成本高、不可再生等问题，本发明提供了一种生物基导电碳材料的制备方法及其产品和应用。该制备方法简单，操作方便，将原材料变废为宝，解决了一定程度的环境污染问题，制备的生物基导电碳材料质轻、电磁屏蔽效能显著提高。

本发明的第一实施方式提供了一种生物基导电碳材料的制备方法，包括以下步骤：

选取中空圆柱状、直径为1.0～4.0mm的生物基材料，并在惰性气氛下，于300～3000℃碳化选取的生物基材料，获得生物基导电碳材料。

通过一步高温碳化处理中空圆柱状的生物基材料，即可以获得生物基导电碳材料，该制备方法简单，便于操作。

高温炭烧过程中，去除生物基材料中的含氧官能团和修复无硅碳缺陷，将有机碳变成无机碳。碳化温度的选择直接影响材料屏蔽效果。温度太高，生物基材料将被烧成灰，不能得到完整的多孔碳基骨架，进而屏蔽效果较低，温度太低，生物基材料又不能被石墨化，也会导致屏蔽效果较低，因此，本发明优选碳化温度为300～3000℃。且碳化温度依赖于生物基材料，不同的生物基材料因其所含的碳含量不同所需的碳化温度也不尽相同，但是对于某一固定生物基材料，在一定碳化温度范围内，随着碳化温度的升高，碳化后得到的多孔碳基骨架的质量越高，相应地，最终得到的生物基导电材料的电磁屏蔽效果也会越优,。

生物基材料的直径也会影响得到的生物基导电材料的电磁屏蔽效果，经大量实验验证，生物基材料的直径越小，获得的生物基导电材料的电磁屏蔽性能越优。

优选地，所述生物基材料的直径为1.5～3.5mm，碳化温度为1500～3000℃，进一步优选，所述生物基材料的直径为1.5～3.0mm，碳化温度为2000～3000℃。

具体地，将生物基材料平铺于用于固定形貌的石墨板上，然后将石墨板置于炉子内，以均匀升温速率将炉子升到碳化温度，保温1小时，完成高温碳化过程。

本发明的第二实施方式提供了一种第一实施方式制备得到的生物基导电碳材料。该生物基导电碳材料的电磁屏蔽性能能够达到40dB～80dB，相比于现有的单存由碳(C)组成的纳米碳材料，电磁屏蔽性能提高了20dB～60dB。

本发明的第三实施方式提供了一种生物基导电碳材料的制备方法，包括以下步骤：

首先，选取中空圆柱状、直径为1.0～4.0mm的生物基材料，将选取的生物基材料浸入到氧化石墨烯分散液，使氧化石墨烯分散液充满生物基材料的中空圆柱内，并冻干浸满氧化石墨烯分散液的生物基材料；

然后，在惰性气氛下，于200～3000℃碳化冻干的生物基材料，获得生物基导电碳材料。

该方法中，充分利用生物基材料的中空圆柱，将二维的氧化石墨烯充满整个中空圆柱，使得生物基材料具有三维孔状结构，经过碳化以后，显著提高了生物基导电碳材料的电磁屏蔽性能。

为了去除生物基材料中空圆柱内氧化石墨烯分散液中的水分，本发明采用冻干的处理方式，即将浸满氧化石墨烯分散液的生物基材料置于冷冻干燥机下持续2-5天，以使水分全部冻干，得到维持原貌(氧化石墨烯浸满中空圆柱)的掺杂有氧化石墨烯的生物基材料，避免了采用加热蒸干处理使氧化石墨烯贴附于中空圆柱内表面而破坏氧化石墨烯原貌(氧化石墨烯浸满中空圆柱)问题。

冻干的生物基材料需要在定温度下热还原，且温度与电磁屏蔽效能有一定的关系，温度越高，氧化石墨烯还原的越彻底，缺陷被弥补的越多，结构越完整，因此电导率越高，电磁屏蔽效能越好。温度较低，氧化石墨烯的缺陷较多，含氧官能团越多，电磁屏蔽效能就会较低。因此，本发明热还原温度为200～3000℃。

生物基材料的直径也会影响得到的生物基导电材料的电磁屏蔽效果，经大量实验验证，生物基材料的直径越小，获得的生物基导电材料的电磁屏蔽性能越优。

优选地，所述生物基材料的直径为1.5～3.5mm，碳化温度为1500～3000℃，进一步优选，所述生物基材料的直径为1.5～3.0mm，碳化温度为2000～3000℃。

优选地，氧化石墨烯分散液的浓度为0.5～3mg/mL，浓度太低，对碳材料的屏蔽性能影响较小，浓度太大，会导致分散能力大大下降，并伴随有沉淀产生，氧化石墨烯分散液的浓度为3mg/mL是饱和浓度，浓度超过此数值，即会出现沉淀。因此，进一步优选，氧化石墨烯分散液的浓度为2～3mg/mL。

本发明的第四实施方式提供了一种第三实施方式制备得到的生物基导电碳材料，该该生物基导电碳材料的电磁屏蔽性能能够达到60～95dB，相比于第二实施方式提供的生物基导电碳材料提高了20～45dB。

中空圆柱状的生物基材料具有独特的天然结构，即无规泡孔和有规泡孔相结合，是一种人工构造很难实现的泡孔结构。这种生物基材料为棉花、玉米秸秆、大米秸秆、小麦秸秆、稻谷、面包中至少一种。该些生物基材料成本低，绿色环保可再生，且在具有一定程度的变废为宝，耐受高温炭烧以后被石墨化，具有一定的电导率和优异的电磁屏蔽效能。

优选地，上述惰性气氛为氦气、氩气、高纯氮气等中至少一种，惰性气氛下，生物基材料可以在高温下充分碳化，避免在高温条件下和氧气接触变成一氧化碳和二氧化碳。

在测试生物基导电碳材料的电磁屏蔽性能之前，需要利用聚合物封装生物基导电碳材料，获得聚合物导电材料，测试聚合物导电材料的性能。所述聚合物可以为石蜡、聚二甲基硅氧烷、环氧树脂中的至少一种。

一般情况下，生物基导电材料的厚度会影响聚合物导电材料的电磁屏蔽性能，同一条件下，聚合物导电材料越厚，聚合物导电材料的电导率越高，电磁屏蔽效能越好。作为优选，所述生物基导电材料厚度为0.1mm～10mm。

本发明的第五实施方式提供了一种上述生物基导电碳材料作为电磁屏蔽材料的应用。

当生物基导电材料应用到电磁屏蔽领域时，因该材料在高温炭化下被石墨化，具有很高的电磁屏蔽效能，且因所选用的原材料如秸秆等生物基材料，通常是被焚烧，很大程度上污染了环境引起雾霾危害人体健康，甚至会引发火灾。本发明巧妙地将农作废物用于科学研究，不仅变废为宝，一定程度上解决了环境污染的问题，另一方面也为研发电磁屏蔽材料降低了成本，达到了性能好、成本低的优异效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为实施例1制备得到的碳材料的断面图；

图2为实施例1制备得到的碳材料的横截面图；

图3是实施例1、4,、5制备的碳材料的电磁波屏蔽性能测试结果图；

图4是实施例1、8,、13制备的碳材料的电磁波屏蔽性能测试结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

实施例1

将直径为1.5mm的小麦秸秆置于石墨板上，放在炉子中以5℃/min的速度升温到1500℃后，保温一小时完成炭烧过程，降温后获得碳材料，并利用环氧树脂对碳材料进行封装，制成长22.8mm*宽10.16mm的标样进行X波段(8.2GHz-12.4GHz)的S参数测试。

图1为实施例制备得到的碳材料的断面图，图2为实施例制备得到的碳材料的横截面图，从图1中可以看出，其断面排列着有规律的泡孔，降低了碳材料的密度，并增大了电磁波在碳材料内部的多重反射，该碳材料表现出优异的电磁屏蔽效能。

对实施例1制备的碳材料进行电磁波屏蔽性能测试，测试结果如图3所示。分析图3可得，实施例1制备的碳材料对X波段电磁屏蔽效能为58.1dB到60dB之间变换，该电磁屏蔽效能相比于现有的电磁屏蔽效能提高了20dB～30dB。

实施例2～15

实施例2～15的具体操作过程与实施例1基本相同，不同的条件和电磁屏蔽性能测试结果具体如表1：

表1

分析以上实施例和图3、图4可得：

随着炭烧温度的增大，电磁屏蔽性能会增大，是因为碳化温度越高，样品表面的含氧基团会减少，电磁屏蔽性能越好。

当碳化温度一定时，样品的直径越大，其电磁屏蔽效能越小，这是因为当长宽一定时，样品直径越大，其中空面积越大，导致有效导电面积越小，所以电磁屏蔽性能越差。

实施例16

首先，将直径为1.5mm的小麦秸秆浸入到浓度为3mg/ml的氧化石墨烯分散液，使氧化石墨烯分散液充满麦秸秆的中空圆柱内，并将浸满氧化石墨烯分散液的小麦秸秆置于冻干机冰冻72h，将浸满氧化石墨烯分散液的小麦秸秆冻干；

然后，在惰性气氛下，于1500℃碳化冻干的生物基材料，获得碳材料。

利用聚二甲基硅氧烷对获得的碳材料进行封装后，进行电磁波屏蔽性能测试，测试结果为该实施例10获得的碳材料对X波段电磁屏蔽效能为66dB到73dB之间变换。

实施例17～20

实施例17～20的具体操作过程与实施例16基本相同，不同的条件和电磁屏蔽性能测试结果具体如表2：

表2

实施例	原材料	直径	炭烧温度	电磁屏蔽性能
					17	大米秸秆	2.8mm	1500℃	65～75.1dB
18	玉米秸秆	3.4mm	1500℃	60～69.9dB
					19	小麦秸秆	1.5mm	2000℃	75dB～80dB
20	小麦秸秆	1.5mm	2850℃	85.9dB～92dB

通过比较实施例1与16，实施例8与17，以及实施例13与18可得，将氧化石墨烯注入到桔杆的中空圆柱内，可以显著地提高碳材料的电磁屏蔽性能。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种生物基导电碳材料作为电磁屏蔽材料的应用，其特征在于，所述生物基导电碳材料通过以下方法制备得到：

选取中空圆柱状、直径为1.5～3.5mm的生物基材料，并在惰性气氛下，于2000～3000℃碳化选取的生物基材料，获得生物基导电碳材料；

对所述生物基导电碳材料进行封装时，所述生物基导电碳材料厚度为0.1mm～10mm。

2.一种生物基导电碳材料作为电磁屏蔽材料的应用，其特征在于，所述生物基导电碳材料通过以下方法制备得到：

首先，选取中空圆柱状、直径为1.5～3.5mm的生物基材料，将选取的生物基材料浸入到浓度为2～3mg/mL的氧化石墨烯分散液，使氧化石墨烯分散液充满生物基材料的中空圆柱内，并冻干浸满氧化石墨烯分散液的生物基材料；

然后，在惰性气氛下，于2000～3000℃碳化冻干的生物基材料，获得生物基导电碳材料；

对所述生物基导电碳材料进行封装时，所述生物基导电碳材料厚度为0.1mm～10mm。

3.如权利要求1或2所述的生物基导电碳材料作为电磁屏蔽材料的应用，其特征在于，所述生物基材料为玉米秸秆、大米秸秆、小麦秸秆中至少一种。

Images