CN111574957A - 一种基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料及其制备方法，该吸波材料采用生物废料及磁性材料废料制备而成。具体制备方法包括：将生物废料制成生物炭；将磁性材料废料制成磁性细化粉末；将生物炭和磁性细化粉末混合在一起，从而制得基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料。本发明不仅使生物废料和磁性材料废料得到有效利用，而且制备工艺简单，所制得的吸波材料密度小、质量轻、厚度薄、频带宽、吸波性能优异。

Description

一种基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及电磁波吸收材料(即吸波材料)领域，尤其涉及一种基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料及其制备方法。

背景技术

随着电子信息技术不断发展，电磁污染日趋严重，这危害了人们的生活和健康。使用吸波材料可以有效解决这一问题。由于实际应用需求的不断变化，吸波材料由传统的只要求吸收强度高向着“薄、轻、宽、强”的方向发展，其中，吸波涂层厚度变薄及吸波材料轻质化是急需解决的问题之一。

生物质材料原料丰富、成本低廉，因此在炭质材料制备中有着极大的应用前景。生物废料(如：水稻/小麦/高粱等农作物秸秆；咖啡渣，花生壳，橘子皮等)属于生物质材料，但目前主要通过焚烧或垃圾填埋的方式进行处理，这不仅带来了严重的环境污染，而且造成了资源的浪费。同时，在工业生产过程中会产生大量磁性材料废料，主要是开裂或变形的磁性材料废品以及在工业加工中产生的磁性边角废料等。这些磁性材料废料目前大多以填埋的方式简单处理，这不仅占用大量土地资源，而且影响了生态环境。如何有效利用生物废料和磁性材料废料成为急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料及其制备方法，不仅使生物废料和磁性材料废料得到有效利用，而且制备工艺简单，所制得的吸波材料密度小、质量轻、厚度薄、频带宽、吸波性能优异。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种生物废料及磁性材料废料的应用，将生物废料及磁性材料废料用于制备吸波材料。

一种基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料，采用生物废料及磁性材料废料制备而成。

一种基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料，由生物炭和磁性细化粉末混合而成；其中，所述生物炭由生物废料制成；所述磁性细化粉末由磁性材料废料制成。

一种基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料的制备方法，将生物炭和磁性细化粉末混合在一起，从而制得基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料；其中，所述生物炭由生物废料制成；所述磁性细化粉末由磁性材料废料制成。

优选地，所述的将生物炭和磁性细化粉末混合在一起包括：将生物炭和磁性细化粉末在乙醇中混合，并进行超声波处理，然后进行干燥，从而制得基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料。

优选地，所述的生物炭由生物废料制成包括：将生物废料干燥后，与氯化锌混合，然后在保护气体保护下进行煅烧，并将煅烧所得产物用HCL水溶液、蒸馏水和乙醇进行洗涤，再进行干燥，从而制得生物炭。

优选地，干燥后生物废料与氯化锌按照0.5～2:1的重量比进行混合。

优选地，所述煅烧是以5～10℃/min的升温速率从室温升温至500℃以上，然后恒温加热0.5～4小时。

优选地，所述的磁性细化粉末由磁性材料废料制成包括：将磁性材料废料进行机械球磨，从而得到磁性细化粉末。

优选地，所述磁性细化粉末的粒度为3～0.1μm。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料的制备方法以生物废料和磁性材料废料为原料，将生物废料通过煅烧处理制成生物炭，将磁性材料废料通过机械球磨制成磁性细化粉末，然后将生物炭和磁性细化粉末复合成吸波材料；不仅该吸波材料具有密度小、质量轻、厚度薄、频带宽、吸波性能优异等优点，而且制备过程简单，成本低廉，节约环保，实现了生物废料和磁性材料废料的有效利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明中基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料的制备方法的流程示意图。

图2为本发明实施例3的步骤1中所制得的生物炭的形貌图。

图3为本发明实施例1的步骤1中所制得的生物炭的形貌图。

图4为本发明实施例1所制得的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料的SEM图。

图5为本发明实施例1所制得的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料的XRD图。

图6为本发明实施例1所制得的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料制成的吸波体的吸波性能图。

图7为本发明实施例3所制得的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料制成的吸波体的吸波性能图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面对本发明所提供的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料及其制备方法进行详细描述。本发明中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如图1所示，一种基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料的制备方法，具体可以包括如下步骤：

步骤1、将生物废料在空气环境下干燥处理后，与氯化锌混合，然后放入管式炉中在保护气体(所述保护气体可以为氮气或稀有气体，但最好为氮气)保护下进行煅烧，并将煅烧所得产物用HCL水溶液(0.1Mol)、蒸馏水和乙醇进行洗涤，除去残留物，同时调节产物pH值为中性，之后在60℃～80℃的烘箱中进行干燥，从而制得生物炭。

步骤2、将磁性材料废料进行机械球磨，球磨时间为8～24小时，球磨转速为400～500rpm，球料质量比为20～40，从而得到粒度为3～0.1μm的磁性细化粉末。

步骤3、将所述生物炭和所述磁性细化粉末在乙醇中混合，并进行超声波处理，然后进行干燥，从而制得基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料。

具体地，该基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料的制备方法包括以下方案：

(1)上述步骤1和步骤后2可以同时执行，也可以先执行步骤1再执行步骤2，还可以先执行步骤2再执行步骤1。

(2)在步骤1中，干燥后生物废料与氯化锌最好按照0.5～2:1的重量比进行混合。

(3)在步骤1中，所述煅烧是以5～10℃/min的升温速率从室温升温至700～900℃，然后恒温加热0.5～4小时。

(4)在步骤3中，所述生物炭与所述磁性细化粉末最好按照1:1的重量比进行混合。

进一步地，通过矢量网络分析仪对本发明所制得的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料进行电磁波吸收性能测试，从而可以得出：本发明所制得的吸波材料在厚度仅为2.5mm时，反射损耗可达-28.5～39.3dB，吸收频率在～10GHz处。

与现有技术相比，本发明所提供的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料及其制备方法至少具有以下优点：

(1)本发明所提供的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料包括生物炭和磁性细化粉末；所述生物炭是天然生物废料(如：水稻/小麦/高粱等农作物秸秆；咖啡渣，花生壳，橘子皮等)经过氮气保护下煅烧处理得到的；所述磁性细化粉末是磁性材料废料(如：软磁性工业固态废料等)经过机械球磨处理得到的。本发明所提供的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料同时具有生物炭材料带来的优越的介电损耗和磁性细化粉末带来的磁损耗以及二者结合产生的协同效应所带来的微波吸收效应。

(2)本发明所提供的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料取用废弃的生物废料及磁性材料废料为原料，采用简单的机械球磨及氮气保护下煅烧处理，制备过程简单，可大规模工业化生产，而且所制得的吸波材料具有优异的微波吸收性能，具体体现在密度小、质量轻、特征吸收强、厚度薄、频带宽等特点。

(3)本发明所提供的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料按照损耗机理来看，是通过与电场、磁场同时作用来吸收电磁波，属于磁电共损耗复合吸波剂，区别于以单纯炭材料为代表的电介质型吸波剂和单纯以铁氧体为代表的磁介质型吸波剂；由生物废料制成的生物炭具有更低的密度，这有利于减轻需屏蔽电磁波设备的质量。

(4)本发明所提供的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料，其中的生物炭取用生物废料为原料，经过氮气保护下煅烧处理制备而成，原料易得，制备工艺简单，可大规模工业化生产。在现有技术中，生物废料主要通过焚烧或垃圾填埋的方式进行处理，这不仅带来了严重的环境污染，而且造成了资源的浪费。而本发明中以这些生物废料为原料，经过氮气保护下的煅烧处理制成生物炭，并将这些生物炭与磁性细化粉末复合成吸波材料，具有实际应用意义。

(5)本发明所提供的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料，其中的磁性细化粉末取用磁性材料废料为原料，采用机械球磨方法控制颗粒大小，方法简单环保，适应于大规模生产。在现有技术中，工业生产产生的磁性材料废料大多以填埋的方式简单处理，这不仅占用大量土地资源，而且影响了生态环境。而本发明中以磁性材料废料为原料，通过机械球磨制成磁性细化粉末，并将这些磁性细化粉末与生物炭复合成吸波材料，目前未见报道。

(6)磁性材料废料的主要成分为铁氧体，其介电常数较低，掺入到炭基吸波材料中不仅可以起到改善材料阻抗的目的，还有利于废物回收利用，改善生态环境，因此本发明中利用生物废料和磁性材料废料生产吸波材料在工艺上具有低成本和绿色环保的优点，适合于工业化生产。经过试验研究发现，本发明所提供的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料具有优异的电磁波吸收效果，但目前还未见报道。

综上可见，本发明利用生物废料和磁性材料废料所制得的吸波材料具有轻质、宽频、强吸收等特点，而且制备过程简单，未使用强酸强碱、强氧化剂以及有毒试剂，生产工艺上具有成本低和节约、环保的优点，适合于规模工业化生产。采用本发明所制得的吸波材料制成的吸波体在2～18GHz频区都有明显的吸波效果，较传统的吸波材料在X波段吸波性能有显著的增强。同时，本发明所提供的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料符合“薄、轻、宽、强”的发展期望，有极大地市场价值和应用前景。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料及其制备方法进行详细描述。

实施例1

一种基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料，其制备方法包括如下步骤：

步骤1、将咖啡渣放入烘箱中在90℃下干燥12小时后，与氯化锌按照干燥后咖啡渣:氯化锌＝1:0.5的重量比进行混合，然后将混合物放入管式炉中在氮气保护下进行煅烧，煅烧过程是以10℃/min的升温速率从室温升温至900℃，恒温加热1小时；将煅烧所得产物用HCL水溶液(0.1Mol)、蒸馏水和乙醇进行洗涤，除去残留物，同时调节产物pH值为中性，之后在60℃的烘箱中进行干燥，从而制得生物炭(该生物炭的形貌图如图3所示)。

步骤2、将块状磁性材料废料(MnFe₂O₄)进行机械球磨，球磨转速为500rpm，球料质量比为30:1，球磨时间为24小时，从而得到颗粒直径约为1.0微米的磁性细化粉末。

步骤3、将所述生物炭和所述磁性细化粉末按照生物炭:磁性细化粉末＝1:1的重量比在20mL乙醇中混合，并进行超声波处理30分钟，然后在60℃的真空烘箱中干燥1小时，从而制得基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料。

具体地，将本发明实施例1所制得的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料与石蜡按照吸波材料:石蜡＝1:3的质量比，加热熔混(机械混合)操作至均匀混合，分散至无明显聚集，将其填充入已擦拭干净的磨具中，压制成圆柱环形测试样品。采用型号为AV3629D的矢量网络分析仪检测所述圆柱环形测试样品的吸波性能，测试频率范围为2～18GHz，其吸波性能图如图6所示，测试结果显示：吸波材料厚度为2.5mm时，在9.94GHz有高达-39.3dB的反射损耗；吸波材料厚度为1.5mm时，在16.8GHz，即有较宽的有效吸收频率。

进一步地，本发明实施例1所制得的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料的SEM图如图4所示，由图4可以看出：本发明实施例1所制得的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料，磁性颗粒均匀地分散在生物炭表面。本发明实施例1所制得的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料的XRD图如图5所示，由图5可以看出：磁性材料(MnFe₂O₄)的衍射峰清晰可见，无杂质峰，没有碳的标准衍射峰，这说明所获得的生物炭材料为无定型碳。

实施例2

一种基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料，其制备方法包括如下步骤：

步骤1、将咖啡渣放入烘箱中在90℃下干燥12小时后，与氯化锌按照干燥后咖啡渣:氯化锌＝1:0.5的重量比进行混合，然后将混合物放入管式炉中在氮气保护下进行煅烧，煅烧过程是以10℃/min的升温速率从室温升温至900℃，恒温加热1小时；将煅烧所得产物用HCL水溶液(0.1Mol)、蒸馏水和乙醇进行洗涤，除去残留物，同时调节产物pH值为中性，之后在60℃的烘箱中进行干燥，从而制得生物炭。

步骤2、将块状磁性材料废料(MnFe₂O₄)进行机械球磨，球磨转速为500rpm，球料质量比为30:1，球磨时间为16小时，从而得到颗粒直径约为1.5微米的磁性细化粉末。

步骤3、将所述生物炭和所述磁性细化粉末按照生物炭:磁性细化粉末＝1:1的重量比在20mL乙醇中混合，并进行超声波处理30分钟，然后在60℃的真空烘箱中干燥1小时，从而制得基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料。

具体地，将本发明实施例2所制得的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料与石蜡按照吸波材料:石蜡＝1:3的质量比，加热熔混(机械混合)操作至均匀混合，分散至无明显聚集，将其填充入已擦拭干净的磨具中，压制成圆柱环形测试样品。采用型号为AV3629D的矢量网络分析仪检测所述圆柱环形测试样品的吸波性能，测试频率范围为2～18GHz，测试结果显示：吸波材料厚度为2.5mm时，在10.84GHz有高达-38.5dB的反射损耗，有效吸收宽度约为4.3(7.98～12.27GHz)；吸波材料厚度为1.8mm时，在14.5GHz，即有较宽的有效吸收频率。

实施例3

一种基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料，其制备方法包括如下步骤：

步骤1、将花生壳放入烘箱中在80℃下干燥12小时后，与氯化锌按照干燥后咖啡渣:氯化锌＝1:0.5的重量比进行混合，然后将混合物放入管式炉中在氮气保护下进行煅烧，煅烧过程是以10℃/min的升温速率从室温升温至800℃，恒温加热2小时；将煅烧所得产物用HCL水溶液(0.1Mol)、蒸馏水和乙醇进行洗涤，除去残留物，同时调节产物pH值为中性，除去残留物，之后在80℃的烘箱中进行干燥，从而制得生物炭(该生物炭的形貌图如图2所示)。

步骤2、将块状磁性材料废料(ZnFe₂O₄)进行机械球磨，球磨转速为500rpm，球料质量比为30:1，球磨时间为8小时，从而得到颗粒直径约为2.5微米的磁性细化粉末。

步骤3、将所述生物炭和所述磁性细化粉末按照生物炭:磁性细化粉末＝1:1的重量比在20mL乙醇中混合，并进行超声波处理30分钟，然后在60℃的真空烘箱中干燥1小时，从而制得基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料。

具体地，将本发明实施例3所制得的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料与石蜡按照吸波材料:石蜡＝1:3的质量比，加热熔混(机械混合)操作至均匀混合，分散至无明显聚集，将其填充入已擦拭干净的磨具中，压制成圆柱环形测试样品。采用型号为AV3629D的矢量网络分析仪检测所述圆柱环形测试样品的吸波性能，测试频率范围为2～18GHz，其吸波性能图如图7所示，测试结果显示：吸波材料厚度为3mm时，在8.95GHz有高达-30.1dB的反射损耗，有效吸收宽度约为5.2(7.9～13.1GHz)。

综上可见，本发明实施例不仅使生物废料和磁性材料废料得到有效利用，而且制备工艺简单，所制得的吸波材料密度小、质量轻、厚度薄、频带宽、吸波性能优异。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种生物废料及磁性材料废料的应用，其特征在于，将生物废料及磁性材料废料用于制备吸波材料。

2.一种基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料，其特征在于，采用生物废料及磁性材料废料制备而成。

3.一种基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料，其特征在于，由生物炭和磁性细化粉末混合而成；

其中，所述生物炭由生物废料制成；所述磁性细化粉末由磁性材料废料制成。

4.一种基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料的制备方法，其特征在于，将生物炭和磁性细化粉末混合在一起，从而制得基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料；

其中，所述生物炭由生物废料制成；所述磁性细化粉末由磁性材料废料制成。

5.根据权利要求4所述的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料的制备方法，其特征在于，所述的将生物炭和磁性细化粉末混合在一起包括：将生物炭和磁性细化粉末在乙醇中混合，并进行超声波处理，然后进行干燥，从而制得基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料。

6.根据权利要求4或5所述的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料的制备方法，其特征在于，所述的生物炭由生物废料制成包括：将生物废料干燥后，与氯化锌混合，然后在保护气体保护下进行煅烧，并将煅烧所得产物用HCL水溶液、蒸馏水和乙醇进行洗涤，再进行干燥，从而制得生物炭。

7.根据权利要求6所述的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料的制备方法，其特征在于，干燥后生物废料与氯化锌按照0.5～2:1的重量比进行混合。

8.根据权利要求6所述的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料的制备方法，其特征在于，所述煅烧是以5～10℃/min的升温速率从室温升温至500℃以上，然后恒温加热0.5～4小时。

9.根据权利要求4或5所述的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料的制备方法，其特征在于，所述的磁性细化粉末由磁性材料废料制成包括：将磁性材料废料进行机械球磨，从而得到磁性细化粉末。

10.根据权利要求4或5所述的基于生物废料及磁性材料废料的吸波材料的制备方法，其特征在于，所述磁性细化粉末的粒度为3～0.1μm。

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