CN112408356B - 一种以酵母菌作为造孔剂的多孔碳微波吸收剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁波吸收材料领域，具体涉及一种以酵母菌作为造孔剂的多孔碳微波吸收剂的制备方法。以面粉作为碳源，采用微生物酵母菌发酵造孔和高温炭化工艺，制备出具有优异吸波性能的多孔碳材料。该方法具体包括以下步骤：面粉、酵母菌和水按一定比例均匀混合成面团，恒定温度下发酵，干燥；干燥面团在惰性气氛中预炭化；预炭化后获得的多孔碳破碎，筛选出孔隙发达的颗粒；惰性气氛中不同温度炭化，得到多孔碳微波吸收剂。本发明多孔碳微波吸收剂的材料孔结构丰富，比表面积大，介电常数大，对电磁波损耗强。本发明采用的原材料易获得，制备方法环境友好，工艺简单，制备成本低，适合工业化生产。

Description

一种以酵母菌作为造孔剂的多孔碳微波吸收剂的制备方法

技术领域

本发明属于电磁波吸收材料领域，具体涉及一种以酵母菌作为造孔剂的多孔碳微波吸收剂的制备方法。

背景技术

理想的吸波材料应具有吸收频带宽、质量轻、厚度薄、物理机械性能好，以及使用方便等特点。单一成分的结构材料很难同时满足以上特点，因此发展一种轻质，高吸收率的电磁波吸收剂也是极其重要的。多孔碳作为一种介电损耗型吸收剂，具有轻质，比表面积大，以及介电常数大等优点，在电磁波吸收剂领域具有很好的应用前景。

制备多孔碳材料的方法大致可分为模板法和发泡法两大类。模板法虽然能获得孔隙分布均匀的多孔碳，但是工艺复杂，对碳源材料的要求也相对比较苛刻。发泡法虽然不能获得同模板法一样均匀开孔的多孔碳，但是其制备工艺简单，且作为碳源的物质分布广泛，如：中间相沥青、树脂以及蔗糖等。面粉的理论含碳量高达40wt％，是一种理想的可再生的碳源；利用酵母菌替代传统发泡过程中添加的化学试剂作为发泡剂，是一种环境友好的制备方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种以酵母菌作为造孔剂的多孔碳微波吸收剂的制备方法，利用可再生的面粉作为碳源，酵母菌作为造孔剂，最终在惰性气氛中炭化制备出多孔碳微波吸收剂，该制备方法制备工艺简单，生产成本低，且可持续发展。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种以酵母菌作为造孔剂的多孔碳微波吸收剂的制备方法，该工艺包括以下步骤：

1)将干酵母菌粉、面粉和水按照质量比W_{干酵母菌粉}：W_面粉：W_水＝1：(200～400)：(100～200)混合均匀后，揉捏成面团，恒温发酵1～2h；

2)将步骤1)中发酵后的面团100～120℃下干燥，干燥后的产物置于惰性气氛中进行预炭化；

3)将步骤2)中得到的预炭化产物破碎，并筛选出孔隙发达颗粒；

4)将步骤3)中所得颗粒置于惰性气氛中高温煅烧，冷却后收集产物。

所述的以酵母菌作为造孔剂的多孔碳微波吸收剂的制备方法，步骤1)中，干酵母菌粉需要先分散在30～40℃的水浴锅中活化0.5～1h。

所述的以酵母菌作为造孔剂的多孔碳微波吸收剂的制备方法，步骤1)中，优选的，W_{干酵母菌粉}：W_面粉：W_水＝1：200：100。

所述的以酵母菌作为造孔剂的多孔碳微波吸收剂的制备方法，步骤1)中，发酵温度为30～40℃。

所述的以酵母菌作为造孔剂的多孔碳微波吸收剂的制备方法，步骤2)中，预炭化工艺为：升温速率为2～5℃/min，预炭化温度为300～600℃，预炭化时间为1～2h。

所述的以酵母菌作为造孔剂的多孔碳微波吸收剂的制备方法，步骤3)中，预炭化产物破碎后筛选出颗粒粒度为100～500μm，筛选后颗粒孔隙率为30％～80％。

所述的以酵母菌作为造孔剂的多孔碳微波吸收剂的制备方法，步骤4)中，高温煅烧工艺为：升温速率为5～10℃/min，煅烧温度为700～900℃，煅烧时间为1～2h。

本发明的设计思想是：吸波材料的设计过程中，对入射电磁波的损耗同阻抗匹配是相互矛盾的，具有高损耗的材料往往会对电磁波具有强反射，多孔材料在一定程度上缓解了这种矛盾。多孔碳作为一种已投入工业化生产的多孔材料，在制备过程中存在原材料不可再生以及环境不友好等缺点，本发明在满足具有高吸波性能的同时创新性解决了生产中存在的问题，以面粉作为碳源解决了原材料不可再生的问题，以微生物酵母菌作为发泡剂很好解决了制备过程中环境不友好的问题。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明以面粉作为碳源，采用微生物酵母菌发酵造孔和高温炭化工艺，制备出具有优异吸波性能的多孔碳材料。该多孔碳材料的孔结构丰富，比表面积大，介电常数大，对电磁波损耗强。

2、本发明制得的多孔碳吸收剂相比于传统的吸收剂具有比重轻，比表面积大，介电常数大等优点，且原材料易获得，制备方法环境环保友好，工艺简单，制备成本低，适合规模化大批量生产。

附图说明

图1为实施例2发明材料的SEM形貌图。

图2为实施例1、实施例2和实施例3发明材料的XRD图谱；图中，横坐标2θ代表衍射角(deg.)，纵坐标Intensity代表相对强度(a.u.)。

图3为实施例2发明材料的电磁参数(30wt％掺杂量)；图中，横坐标frequency代表频率(GHz)，纵坐标代表e′代表复介电常数实部，e″代表复介电常数虚部，u′代表复数磁导率实部，u″复数磁导率虚部。

图4为实施例2发明材料不同厚度的三维反射率曲面图(30wt％掺杂量)；图中，RL代表反射率(dB)，f代表频率(GHz)，d代表样品厚度(mm)。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明以酵母菌作为造孔剂的多孔碳微波吸收剂的制备方法，具体包括以下步骤：面粉、酵母菌和水按一定比例均匀混合成面团，恒定温度下发酵，干燥；干燥面团在惰性气氛中预炭化；预炭化后获得的多孔碳破碎，筛选出孔隙发达的颗粒；惰性气氛中不同温度炭化，得到多孔碳微波吸收剂。

下面将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的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部是实施例。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其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例中，多孔碳微波吸收剂的制备方法包括以下步骤：

步骤1：干酵母菌粉活化：用烧杯量取50ml去离子水，放在30℃水浴锅中加热备用；称取0.3g的干酵母粉，并将其倒入上述去离子水中，玻璃棒搅拌直至干酵母粉完全分散在水中；在水浴锅中30℃保持0.5h，以充分激发酵母菌的活性；

步骤2：制备炭化原材料：称取100g面粉放入大号烧杯中，将上述50ml分散有酵母菌的水溶液倒入面粉中并搅拌均匀。将含有酵母菌的湿面粉揉捏成面团后，放在烧杯中，用保鲜膜封口，在干燥箱中40℃恒温发酵1h；将发酵完的面团切成小块，干在燥箱中120℃干燥12h；

步骤3：原材料预炭化：将完全干燥的多孔面团放入坩埚中，在氩气保护下，以2℃/min的速率升温到400℃，保温2h，随炉冷却后获得预炭化多孔碳；将预炭化的样品用研钵碎化，筛选出100目的颗粒备用，筛选后颗粒孔隙率为60％；

步骤4：预炭化样品的炭化：将预炭化的100目颗粒放入坩埚中，在氩气保护下高温煅烧，以5℃/min的速率升温到700℃并保温2h，随炉冷却后即获得多孔碳微波吸收剂，将所得产物标记为C-700。

实施例2

本实施例中，多孔碳微波吸收剂的制备方法包括以下步骤：

步骤1：干酵母菌粉活化：用烧杯量取50ml去离子水，放在40℃水浴锅中加热备用；称取0.5g的干酵母粉，并将其倒入上述去离子水中，玻璃棒搅拌直至干酵母粉完全分散在水中；在水浴锅中40℃保持0.5h，以充分激发酵母菌的活性；

步骤2：制备炭化原材料：称取100g面粉放入大号烧杯中，将上述50ml分散有酵母菌的水溶液倒入面粉中并搅拌均匀。将含有酵母菌的湿面粉揉捏成面团后，放在烧杯中，用保鲜膜封口，在干燥箱中40℃恒温发酵1h；将发酵完的面团切成小块，干在燥箱中100℃干燥16h；

步骤3：原材料预炭化：将完全干燥的多孔面团放入坩埚中，在氩气保护下，以3℃/min的速率升温到500℃，保温1.5h，随炉冷却后获得预炭化多孔碳；将预炭化的样品用研钵碎化，筛选出100目的颗粒备用，筛选后颗粒孔隙率为60％；

步骤4，预炭化样品的炭化：将预炭化的100目颗粒放入坩埚中，在氩气保护下高温煅烧，以5℃/min的速率升温到800℃并保温2h，随炉冷却后即获得多孔碳微波吸收剂，将所得产物标记为C-800。

实施例3

本实施例中，多孔碳微波吸收剂的制备方法包括以下步骤：

步骤1：干酵母菌粉活化：用烧杯量取60ml去离子水，放在35℃水浴锅中加热备用；称取0.3g的干酵母粉，并将其倒入上述去离子水中，玻璃棒搅拌直至干酵母粉完全分散在水中；在水浴锅中35℃保持1h，以充分激发酵母菌的活性；

步骤2：制备炭化原材料：称取120g面粉放入大号烧杯中，将上述60ml分散有酵母菌的水溶液倒入面粉中并搅拌均匀。将含有酵母菌的湿面粉揉捏成面团后，放在烧杯中，用保鲜膜封口，在干燥箱中35℃恒温发酵1h；将发酵完的面团切成小块，干在燥箱中110℃干燥8h；

步骤3：原材料预炭化：将完全干燥的多孔面团放入坩埚中，在氩气保护下，以5℃/min的速率升温到600℃，保温1h，随炉冷却后获得预炭化多孔碳；将预炭化的样品用研钵碎化，筛选出100目的颗粒备用，筛选后颗粒孔隙率为65％；

步骤4，预炭化样品的炭化：将预炭化的100目颗粒放入坩埚中，在氩气保护下高温煅烧，以5℃/min的速率升温到900℃并保温2h，随炉冷却后即获得多孔碳微波吸收剂，将所得产物标记为C-900。

如图1所示，从样品C-800的SEM照片可以看出，样品的粒径约300μm，具有丰富的孔结构。

如图2所示，从样品C-700、C-800和C-900的X射线衍射图谱可以看出，三个样品在22°和45°附近都有两个较宽的非晶衍射峰，这说明样品的石墨化程度比较低，其中的碳原子大多是游离的无序状态。

如图3所示，从样品C-800同石蜡按照质量比为3:7掺杂后测得的电磁参数图可以看出，样品介电常数实部在13～9范围中随频率的升高呈波动性降低，而虚部则随频率的升高在5～0范围内成波动性降低，说明样品具有较好的介电损耗；磁导率的实部近似为1，虚部近似为0，说明样品没有磁损耗。

如图4所示，将图三中电磁参数的原始数据通过传输线理论计算得到的结果做出的反射率曲面图，从图4可以看出，样品C-800表现出优异的微波吸收性能，在频率为17GHz，匹配厚度为5mm时，最小反射率值可达到-27dB，匹配厚度为5mm时，样品在3～6GHz，15～18GHz频率范围内反射率值能达到-10dB以下，对入射电磁波的吸收能达到90％。

实施例结果表明，本发明多孔碳微波吸收剂通过用酵母菌发酵面粉惰性气氛中炭化制备而成，通过这种方法制备出来的多孔碳孔隙率高，由于多孔碳具有一定电导率，且比表面积很大，导电损耗和表面极化损耗吸收了大量的入射电磁波，再加上丰富的孔结构对入射电磁波的多次反射进一步提高了损耗。因此，本发明在较低厚度下也具有良好的吸波性能，有利于同空气的阻抗匹配，是一种理想的微波吸收剂。

Claims (3)

1.一种以酵母菌作为造孔剂的多孔碳微波吸收剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）将干酵母菌粉、面粉和水按照质量比W_{干酵母菌粉}：W_面粉：W_水=1：（200~400）：（100~200）混合均匀后，揉捏成面团，恒温发酵1~2h；

2）将步骤1）中发酵后的面团100~120℃下干燥，干燥后的产物置于惰性气氛中进行预炭化；

3）将步骤2）中得到的预炭化产物破碎，并筛选出孔隙发达颗粒；

4）将步骤3）中所得颗粒置于惰性气氛中高温煅烧，高温煅烧工艺为：升温速率为5~10℃/min，煅烧温度为700~900℃，煅烧时间为1~2h，冷却后收集产物；

步骤1）中，干酵母菌粉需要先分散在30~40℃的水浴锅中活化0.5~1h；

步骤2）中，预炭化工艺为：升温速率为2~5℃/min，预炭化温度为300~600℃，预炭化时间为1~2h；

步骤3）中，预炭化产物破碎后筛选出颗粒粒度为100~500μm，筛选后颗粒孔隙率为30%~80%。

2.根据权利要求1所述的以酵母菌作为造孔剂的多孔碳微波吸收剂的制备方法，其特征在于，步骤1）中，W_{干酵母菌粉}：W_面粉：W_水=1：200：100。

3.根据权利要求1所述的以酵母菌作为造孔剂的多孔碳微波吸收剂的制备方法，其特征在于，步骤1）中，发酵温度为30~40℃。

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