CN112292015B - 一种MXene/PPy复合吸波剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MXene/PPy复合吸波剂及其制备方法，该方法包含：步骤1，将MXene分散于去离子水中配置成浓度为0.35g/L～0.75g/L的悬浮液，进行超声分散；步骤2，在0～5℃，向MXene的悬浮液中加入吡咯；步骤3，向吡咯与MXene的混合液中，缓慢滴加氧化剂，滴加完毕后持续搅拌12‑36h，得到MXene/PPy产物；其中，氧化剂与吡咯的物质的量比为1:1～3:1；步骤4，所述的MXene/PPy产物经分离、洗涤、干燥研成粉末；步骤5，将MXene/PPy粉末与液体石蜡混合，得到MXene/PPy复合吸波剂。本发明制备的MXene/PPy复合吸波剂的最大反射损耗为‑32.30dB，涂层厚度仅为1.89mm。并且，当涂层厚度为2.14mm时，该复合吸波剂在11.94‑18GHz较宽频段范围内表现出良好的吸波性能，使其在微波吸收和衰减方面具有广阔应用前景。

Description

一种MXene/PPy复合吸波剂及其制备方法
技术领域
本发明属于吸波材料技术领域，具体涉及一种MXene/PPy复合吸波剂及其制备。
背景技术
电磁吸波材料是一种能够使入射电磁波的能量通过介质损耗转化为热能或其他形式的能量，或者通过干涉相消使电磁波损耗掉的功能材料。由于吸波材料对于电磁波的干扰、屏蔽和衰减作用，使得它在电子设备、无线通讯、电子对抗等领域具有重要应用价值。通常，吸波材料根据其吸波机制不同可分为电介质、磁介质和导体。在实际应用中，为改善吸波材料的性能，应尽可能让材料兼具吸波效能强、吸波频带宽、厚度薄、质量轻等性能特点。然而，在实际应用中，仅使用单一种类的吸波材料，很难同时满足上述要求的吸波性能。
MXene是一种新型二维过渡金属碳化物或碳氮化物，具有类似石墨烯的独特的层状结构，同时具有电导率高、比表面积大等突出特点，可以与其他材料进行复合以提高其吸波性能。专利CN107660114A采用水热反应制备二硫化钼/MXene层状复合材料，有效地提高了复合吸波材料的吸收强度，但是其吸波频带仍有待拓宽。专利CN110290691A中的片层状MXene负载钴铁氧体的复合吸波材料，使钴铁氧体负载在MXene的层间或表面，形成介电-磁性两相异质结的微观结构，有效提高了复合吸波剂的吸收强度，但是该复合吸波材料仍有较大的密度，无法做到轻质化。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的MXene或其复合材料的吸收频带窄、材料密度大、吸波性能不足等问题，提出了将电导率高、密度轻的导电聚合物聚吡咯(Polypyrrole,PPy)与MXene进行异质复合，增加复合吸波剂的界面极化损耗；通过将Py单体在MXene表层上化学原位聚合生成PPy，使PPy均匀附着在MXene表面，通过改善复合吸波剂的入射阻抗和多元复合吸波剂的界面极化损耗显著提高了材料的介电损耗和电导损耗，从而获得了具有良好吸波性能的MXene/PPy复合吸波剂。
为了达到上述目的，本发明提供了一种MXene/PPy复合吸波剂的制备方法，其包含：
步骤1，将MXene分散于去离子水中配置成浓度为0.35g/L～0.75g/L的悬浮液，进行超声分散；
步骤2，在0～5℃，向MXene的悬浮液中加入吡咯；这里采用低温是由于吡咯闪点在39℃，其蒸汽有毒，低温有利于提高聚吡咯的分子量并获得分子量分布较窄的聚合物；
步骤3，向吡咯与MXene的混合液中，缓慢滴加氧化剂，滴加完毕后持续搅拌12-36h，得到MXene/PPy产物；其中，氧化剂与吡咯的物质的量比为1:1～3:1；
步骤4，所述的MXene/PPy产物经分离、洗涤、干燥研成粉末；
步骤5，将MXene/PPy粉末与液体石蜡混合，得到MXene/PPy复合吸波剂。所述的石蜡无毒无腐蚀性、且润滑性、分散性、流动性好。
可选地，吡咯与MXene的物质的量比计为40：1～50：1，优选为278：5。
可选地，步骤2中，MXene的悬浮液冷却至0～2℃，再加入吡咯。
可选地，所述的氧化剂与吡咯的物质的量比为1:1～2：1，优选为1.5:1。
可选地，所述的氧化剂为采用FeCl3·6H2O配置的橙黄色透明溶液，其具有比无机强酸腐蚀性和污染性更小的优点。
可选地，为减少外界温度变化对合成过程的影响，氧化剂在冰水浴中滴加，滴加时间为20-60min。
可选地，步骤4中，干燥温度为50-80℃，烘干时间在12-36h。
可选地，MXene/PPy粉末的质量在MXene/PPy复合吸波剂总质量中占比为10-50％。
可选地，MXene/PPy粉末的质量在MXene/PPy复合吸波剂总质量中占比为10-30％。
本发明还提供了一种上述的MXene/PPy复合吸波剂的制备方法制得的MXene/PPy复合吸波剂，由MXene/PPy粉末与液体石蜡混合而成，所述的MXene/PPy粉末中，所述的PPy均匀附着在MXene的表面。
本发明中MXene/PPy作为一种多元界面的介电损耗材料，需要考虑该材料对入射电磁波的损耗作用，即，考虑材料的阻抗匹配和对入射电磁波的衰减性能。本发明采用原位聚合反应将轻质的导电聚吡咯负载到具有层状结构MXene表面，材料密度小。本发明通过对不同种类吸波材料进行复合，利用其相互间的协同作用，从而获得性能优异的吸波材料。
本发明制备的MXene/PPy复合吸波剂的吸波损耗最强时，最大反射损耗为-32.30dB，涂层厚度仅为1.89mm。并且，当涂层厚度为2.14mm时，该复合吸波剂在11.94-18GHz较宽频段范围内表现出良好的吸波性能(反射损耗小于-10dB)，且由于负载的ppy为轻质材料，吸波剂的材料密度小。也就是说，本发明制备的MXene/PPy复合吸波剂材料密度小，吸收频带广，且吸波性能良好，在微波吸收和衰减方面具有广阔应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的MXene/PPy复合吸波材料的反射损耗图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本文所述的“MXene/PPy”中“/”表示复合的意思，即，MXene/PPy是指PPy原位聚合均匀铺设在MXene表面形成。
实施例1
(1)将35mg的MXene(如，Ti3C2)分散于100mL的去离子水中配置成浓度为0.35g/L悬浮液，并进行超声分散1h。
(2)超声结束后，将悬浮液倒入连接循环冷却泵的双层烧瓶，温度设定为2℃。待温度稳定后，向双层烧瓶中加入1mL吡咯。
(3)按照氧化剂与吡咯物质的量比计为1.5:1，将5.84g氧化剂FeCl3·6H2O加入到盛有去离子水的烧杯中并搅拌均匀得到橙黄色透明溶液。
(4)将配置好的FeCl3溶液加入到恒压滴液漏斗中，控制旋钮使其缓慢滴加到盛有MXene和吡咯的烧瓶中，滴加时间控制在30min，反应物在双层烧瓶中持续反应24h。待反应结束后，通过反复抽滤和洗涤步骤，最终获得黑色MXene/PPy产物。
(5)将洗涤干净的反应产物放入烘箱，在60℃下干燥24h。干燥结束后，用研钵将产物研磨成粉末，放入样品瓶待用。
(6)将MXene/PPy复合吸波剂和液体石蜡按照1:9的质量比混合并搅拌均匀后倒入模具中，压制成圆环，厚度分别为1.89mm、2.14mm，对其吸波性能进行测试。
如图1所示，为MXene/PPy复合吸波材料的反射损耗图。在频率为2GHz-18GHz时，当吸波材料厚度为1.89mm时，最大反射损耗为-32.30dB；当吸波材料厚度为2.14mm时，反射损耗小于-10dB的吸收带宽为6.06GHz(11.94GHz-18GHz)。
实施例2
(1)将75mg的MXene分散于100ml去离子水中配置成浓度为0.75g/L悬浮液，并进行超声分散1h。
(2)超声结束后，将悬浮液倒入连接循环冷却泵的双层烧瓶，温度设定为2℃。待温度稳定后，向双层烧瓶中加入1mL吡咯。
(3)按照氧化剂与吡咯物质的量比计为1.5:1，将5.84g氧化剂FeCl3·6H2O加入到盛有去离子水的烧杯中并搅拌均匀得到橙黄色透明溶液。
(4)将配置好的FeCl3溶液加入到恒压滴液漏斗中，控制旋钮使其缓慢滴加到盛有MXene和吡咯的烧瓶中，滴加时间控制在30min，反应物在双层烧瓶中持续反应24h。待反应结束后，通过反复抽滤和洗涤步骤，最终获得黑色MXene/PPy产物。
(5)将洗涤干净的反应产物放入烘箱，在60℃下干燥24h。干燥结束后，用研钵将产物研磨成粉末，放入样品瓶待用。
(6)将MXene/PPy复合吸波剂和液体石蜡按照1:9的质量比混合并搅拌均匀后倒入模具中，压制成圆环，对其吸波性能进行测试。在吸波频率为2GHz-18GHz时，当吸波材料厚度为1.71mm时，最大反射损耗为-24.16dB；当吸波材料厚度为1.95mm时，反射损耗小于-10dB的吸收带宽为5.89GHz(.12.11GHz-18GHz)。
综上所述，本发明采用原位聚合反应将轻质的导电聚吡咯负载到具有层状结构MXene表面，利用两者的协同增强效应，有效提高了材料的吸波性能。本发明制得的复合吸波剂具有最大反射损耗大，宽吸收频带的特点，并兼具轻质、良好的环境稳定性和耐腐蚀能力，具有工艺简便、成本低和易于规模化生产等特点，在微波吸收和衰减方面具有重要用途。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种MXene/PPy复合吸波剂的制备方法，其特征在于，该方法包含：
步骤1，将MXene分散于去离子水中配置成浓度为0.35g/L～0.75g/L的悬浮液，进行超声分散；
步骤2，在0～5℃，向MXene的悬浮液中加入吡咯；其中，吡咯与MXene的物质的量比计为40：1～50：1；
步骤3，向吡咯与MXene的混合液中，缓慢滴加氧化剂，滴加完毕后持续搅拌12-36h，得到MXene/PPy产物；其中，氧化剂与吡咯的物质的量比为1:1～3:1；
步骤4，所述的MXene/PPy产物经分离、洗涤、干燥研成粉末；
步骤5，将MXene/PPy粉末与液体石蜡均匀混合，得到MXene/PPy复合吸波剂；其中，MXene/PPy粉末的质量在MXene/PPy复合吸波剂总质量中占比为10-50％。
2.如权利要求1所述的MXene/PPy复合吸波剂的制备方法，其特征在于，步骤2中，MXene的悬浮液冷却至0～2℃，再加入吡咯。
3.如权利要求1所述的MXene/PPy复合吸波剂的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的氧化剂与吡咯的物质的量比为1:1～2：1。
4.如权利要求1所述的MXene/PPy复合吸波剂的制备方法，其特征在于，所述的氧化剂为采用FeCl3·6H2O。
5.如权利要求1所述的MXene/PPy复合吸波剂的制备方法，其特征在于，步骤4中，为减少外界温度变化对合成过程的影响，氧化剂在冰水浴中滴加，滴加时间为20-60min。
6.如权利要求1所述的MXene/PPy复合吸波剂的制备方法，其特征在于，步骤4中，干燥温度为50-80℃，干燥时间在12-36h。
7.如权利要求1所述的MXene/PPy复合吸波剂的制备方法，其特征在于，MXene/PPy粉末的质量在MXene/PPy复合吸波剂总质量中占比为10-30％。
8.一种采用权利要求1-7中任意一项所述的MXene/PPy复合吸波剂的制备方法制得的MXene/PPy复合吸波剂，其特征在于，所述的MXene/PPy复合吸波剂由MXene/PPy粉末与液体石蜡混合而成，所述的MXene/PPy粉末中，PPy均匀附着在MXene的表面。
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