CN113122184B - 一种生物质多孔碳吸波材料的制备方法 - Google Patents

一种生物质多孔碳吸波材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物质多孔碳吸波材料的制备方法,属于吸波材料技术领域,首先将紫菜清洗干净,干燥至恒重后研磨成粉末,将紫菜粉在空气氛围下升温至300~500℃进行预碳化,将预碳化产物与活化剂充分研磨混合,将得到的混合物放入管式炉中,在氮气氛围下升温进行煅烧,结束后冷却至室温,将产物置于稀盐酸溶液中浸泡,过滤后用蒸馏水洗涤至中性,最后干燥,得到生物质多孔碳吸波材料。本发明制备流程简单、易操作且生产成本低,并可通过改变碳化温度来实现孔结构、孔径分布以及表面化学状态的同时调控,制得的吸波材料密度小、吸波频带宽,具有优异的电磁波吸收性能。

Description

一种生物质多孔碳吸波材料的制备方法
技术领域
本发明属于吸波材料技术领域,具体涉及一种以紫菜为生物质碳源的生物质衍生多孔碳吸波材料的制备方法。
背景技术
电子和通信技术在日常生活及军事上的广泛应用导致了大量的电磁辐射,引起了电磁波污染,严重影响了人类正常的生产生活。近年来,电磁波吸收材料受到了人们的广泛关注和研究。
性能优异的电磁波吸收材料需要具有“薄、轻、宽、强”的特点。现有技术的吸波材料存在密度大、吸波频带窄的问题,对电磁波的吸收性能较差。碳基材料由于具有电磁波衰减能力强、密度低、稳定性好等优点受到了广泛关注,多孔结构有助于吸波材料对电磁波的吸收,这种吸收性质的改善主要来源于电磁波在多孔介质的反射和散射,而孔隙率和孔径是影响吸波性能的两个重要参数。多孔结构一方面具有轻质的优势,另一方面对电磁参数的影响表现为介电常数实部变小并且损耗增大,既有利于吸波材料阻抗匹配,又有助于能量损耗,有利于调节材料电磁参数。
因此,研制出既拥有比表面积大、孔道丰富的特点,又具有优良电特性的具有石墨化结构的多孔碳作为吸波材料,发展前景将十分广阔。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的吸波材料密度大、吸波频带窄的问题,提供一种生物质多孔碳吸波材料的制备方法,制备流程简单、易操作且生产成本低,制得的吸波材料密度小、吸波频带宽,具有优异的电磁波吸收性能。
为解决上述技术问题,本发明采用了以下技术方案:
一种生物质多孔碳吸波材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将紫菜清洗干净后,置于真空干燥箱中,干燥至恒重,然后研磨成粉末,得到紫菜粉;
(2)在空气氛围下,将紫菜粉升温至300~500℃进行预碳化,得到预碳化产物;
(3)将预碳化产物与活化剂充分研磨混合,使混合均匀,将得到的混合物放入管式炉中,在氮气氛围下升温进行煅烧,煅烧结束后冷却至室温,将产物置于稀盐酸溶液中浸泡,过滤后用蒸馏水洗涤至中性,最后干燥,得到生物质多孔碳吸波材料。
进一步,步骤(1)中,干燥温度为60~80℃。
进一步,步骤(2)中,所述升温速率为1~2℃/min,预碳化时间为1~2h。
进一步,步骤(3)中,所述活化剂为氢氧化钾。
进一步,步骤(3)中,所述预碳化产物与活化剂的质量比为1:1。
进一步,步骤(3)中,所述升温速率为5~8℃/min。
进一步,步骤(3)中,所述煅烧温度为600~900℃,时间为2~4h。
进一步,步骤(3)中,所述干燥温度为60~80℃,时间为12~14h。
有益效果:本发明提供了一种以紫菜为生物质碳源的生物质多孔碳吸波材料的制备方法,本发明方法制得的生物质多孔碳吸波材料具有大的比表面积和丰富的孔道结构,大量孔隙结构能够产生大量的界面极化,并且由于采用紫菜为生物质碳源,紫菜中存在的氨基酸带来的杂原子掺杂使得入射电磁波进行多次反射、散射及能量耗散,从而有效地衰减电磁波。
附图说明
图1为实施例1-4制得的生物质多孔碳吸波材料的XRD图;
图2为实施例1-4制得的生物质多孔碳吸波材料的Raman图;
图3为实施例1-4制得的生物质多孔碳吸波材料的SEM图;
图4为实施例3制得的生物质多孔碳吸波材料在厚度为1.5~6.0mm下的反射率损耗曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白,以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解,以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式,并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
实施例1
一种生物质多孔碳吸波材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将紫菜用蒸馏水和无水乙醇清洗干净后,置于真空干燥箱中,60℃干燥12h,然后研磨成粉末,得到紫菜粉;
(2)在空气氛围下,将紫菜粉以1℃/min的升温速率升温至300℃进行预碳化,保温1h后冷却至室温,得到预碳化产物;
(3)将质量比为1:1的预碳化产物与活化剂氢氧化钾充分研磨混合,使混合均匀,将得到的混合物放入管式炉中,通入氮气,在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升温至650℃煅烧2h,煅烧结束后冷却至室温,将产物置于浓度为1mol/L的稀盐酸溶液中浸泡24h,过滤后用蒸馏水洗涤至中性,在真空干燥箱中60℃下干燥12h,得到生物质多孔碳吸波材料(记为BPC-650)。
实施例2
一种生物质多孔碳吸波材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将紫菜用蒸馏水和无水乙醇清洗干净后,置于真空干燥箱中,60℃干燥12h,然后研磨成粉末,得到紫菜粉;
(2)在空气氛围下,将紫菜粉以1℃/min的升温速率升温至300℃进行预碳化,保温1h后冷却至室温,得到预碳化产物;
(3)将质量比为1:1的预碳化产物与活化剂氢氧化钾充分研磨混合,使混合均匀,将得到的混合物放入管式炉中,通入氮气,在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升温至700℃煅烧2h,煅烧结束后冷却至室温,将产物置于浓度为1mol/L的稀盐酸溶液中浸泡24h,过滤后用蒸馏水洗涤至中性,在真空干燥箱中60℃下干燥12h,得到生物质多孔碳吸波材料(记为BPC-700)。
实施例3
一种生物质多孔碳吸波材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将紫菜用蒸馏水和无水乙醇清洗干净后,置于真空干燥箱中,60℃干燥12h,然后研磨成粉末,得到紫菜粉;
(2)在空气氛围下,将紫菜粉以1℃/min的升温速率升温至300℃进行预碳化,保温1h后冷却至室温,得到预碳化产物;
(3)将质量比为1:1的预碳化产物与活化剂氢氧化钾充分研磨混合,使混合均匀,将得到的混合物放入管式炉中,通入氮气,在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升温至750℃煅烧2h,煅烧结束后冷却至室温,将产物置于浓度为1mol/L的稀盐酸溶液中浸泡24h,过滤后用蒸馏水洗涤至中性,在真空干燥箱中60℃下干燥12h,得到生物质多孔碳吸波材料(记为BPC-750)。
实施例4
一种生物质多孔碳吸波材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将紫菜用蒸馏水和无水乙醇清洗干净后,置于真空干燥箱中,60℃干燥12h,然后研磨成粉末,得到紫菜粉;
(2)在空气氛围下,将紫菜粉以1℃/min的升温速率升温至300℃进行预碳化,保温1h后冷却至室温,得到预碳化产物;
(3)将质量比为1:1的预碳化产物与活化剂氢氧化钾充分研磨混合,使混合均匀,将得到的混合物放入管式炉中,通入氮气,在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升温至800℃煅烧2h,煅烧结束后冷却至室温,将产物置于浓度为1mol/L的稀盐酸溶液中浸泡24h,过滤后用蒸馏水洗涤至中性,在真空干燥箱中60℃下干燥12h,得到生物质多孔碳吸波材料(记为BPC-800)。
通过X射线衍射仪(XRD)和激光拉曼光谱仪(Raman)对所得样品进行物相结构分析;利用扫描电子显微镜(SEM)对样品的微观结构进行分析,借助矢量网络分析仪(VNA)分析样品的电磁参数,进而计算出其吸波性能。测试结果见图1~4所示。
图1为实施例1-4制得的生物质多孔碳吸波材料的XRD图,从图中可以看出,不同活化温度制备的多孔碳材料均在2θ=25.2°、44.8°分别出现两个衍射峰,分别对应着碳的(002)及(100)晶面,较宽的衍射峰表明所制备的多孔碳是无定形结构碳。随着活化温度的升高,这两个衍射峰峰值逐渐减弱,表明石墨化程度降低。一般来说,石墨化程度会随着温度的升高而升高,但在本实施例中,生物材料制备的多孔碳,随着温度的升高,孔隙体积会增大,增大的孔隙会破坏碳材料内部的石墨晶体结构。
图2为实施例1-4制得的生物质多孔碳吸波材料的Raman图。通常认为,碳材料存在1350cm-1以及1590cm-1两个特征峰,其中1350cm-1处的吸收带为D峰,代表碳材料的无序化程度,1590cm-1处的吸收带为G峰,代表碳材料的石墨化程度。通过常使用D峰以及G峰的相对强度的大小(ID/IG)评价样品的石墨化程度,ID/IG越小代表碳材料的石墨化程度越高。通过拟合计算D峰、G峰的相对强度比,当样品的活化温度从650℃增加到800℃时,样品的ID/IG值分别为0.9874,0.9996,1.0289,1.0375。随着活化温度的升高,KOH对碳材料的刻蚀程度增加,缺陷随之增多,石墨化程度降低,这与XRD的测试结果相一致。
图3为实施例1-4制得的生物质多孔碳吸波材料的SEM图,其中图3a对应的样品是BPC-650,图3b为BPC-700,图3c为BPC-750,图3d为BPC-800,从图中可以看出,采用KOH作为活化剂,在650、700、750和800℃下均形成了三维连通的多孔骨架碳结构,均存在大量的孔隙结构,由一些蜂窝状孔洞和开放的微孔组成,随着活化温度的升高,孔隙结构增加,样品的孔隙结构更加丰富。当活化温度升高到800℃时,碳骨架有一定程度的坍塌。
图4为实施例3制得的生物质多孔碳吸波材料在厚度为1.5~6.0mm下的反射率损耗曲线,从图中可以发现当匹配厚度为3.5mm,频率为9.68GHz时,样品的最小反射损耗值可以达到-57.75dB,有效吸收频带为7.60GHz(7.84-15.44GHz),满足吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求。
上面结合实施例对本发明的实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,对于本技术领域的普通技术人员来说,在获知本发明中记载内容后,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对其作出若干同等变换和替代,这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种生物质多孔碳吸波材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将紫菜清洗干净后,置于真空干燥箱中,干燥至恒重,然后研磨成粉末,得到紫菜粉;
(2)在空气氛围下,将紫菜粉升温至300~500 ℃进行预碳化,得到预碳化产物;
(3)将预碳化产物与活化剂充分研磨混合,使混合均匀,将得到的混合物放入管式炉中,在氮气氛围下升温进行煅烧,煅烧结束后冷却至室温,将产物置于稀盐酸溶液中浸泡,过滤后用蒸馏水洗涤至中性,最后干燥,得到生物质多孔碳吸波材料;
步骤(3)中,所述活化剂为氢氧化钾;所述预碳化产物与活化剂的质量比为1:1。
2.如权利要求1所述生物质多孔碳吸波材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,干燥温度为60~80 ℃。
3.如权利要求1所述生物质多孔碳吸波材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述升温速率为1~2 ℃/min,预碳化时间为1~2 h。
4.如权利要求1所述生物质多孔碳吸波材料的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述升温速率为5~8 ℃/min。
5.如权利要求1所述生物质多孔碳吸波材料的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述煅烧温度为600~900 ℃,时间为2~4 h。
6.如权利要求1至5任一项所述生物质多孔碳吸波材料的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述干燥温度为60~80 ℃,时间为12~14 h。
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