CN114369244B - 超轻环保型多孔电磁云毁伤复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

超轻环保型多孔电磁云毁伤复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超轻环保型多孔电磁云毁伤复合材料及其制备方法和应用，以蓖麻油、芳香二酐和异氰酸酯为主要原料，引入导电性能优异的碳材料，采用简单的一步法制备集聚氨酯和聚酰亚胺两种聚合物优异性能于一体的超轻聚氨酯酰亚胺多孔材料，继而将其通过发射药在目标作用范围内抛撒于空气中形成大范围的电磁干扰云团，通过对信号目标电磁波的持续高效干扰与屏蔽，致使机动性目标通讯中断而丧失作战能力，实现对于目标低成本的云毁伤效果。本发明样品制备过程中不产生有害气体，采用部分生物质原料，使所得产品具有一定的生物降解特性，对于绿色可持续发展具有重要意义。

Description

超轻环保型多孔电磁云毁伤复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于电磁毁伤技术领域，涉及一种超轻环保型多孔电磁云毁伤复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
碳材料不但具有良好的导电性能，并且表面存在大量的活性基团使其与绝大多数的聚合物基体具有良好的相容性。因此，添加碳基导电填料是提高聚合物导电性能的重要方法。导电聚合物基多孔材料由于质轻且具有丰富的孔洞结构，能够显著促进电磁波的吸收和多重反射损耗，在电磁屏蔽方面发挥着愈来愈重要的作用。聚氨酯泡沫塑料作为广泛使用的轻量化材料具有力学性能优异、制备工艺简单、设备要求宽松等优点，但由于其分子链中含有可燃烧的碳氢链段，在遇火、遇高温时极易燃烧和分解并释放出大量的刺激性气体。聚酰亚胺由于主链包含酰亚胺结构，同时酰亚胺环基团和芳环结构处于同一个平面而发生共轭效应，赋予了芳香族聚酰亚胺优异的热稳定性能和阻燃性能，在300～400℃高温环境下能够正常使用，但聚酰亚胺加工困难、成本高、柔性较差等缺点限制了其广泛应用。
目前生产聚氨酯的原料大多为石油基聚醚多元醇，存在资源不可再生和难以生物降解的缺陷，以天然可再生材料做为原料，引入导电碳基调料制备集聚氨酯和聚酰亚胺两种聚合物优异性能于一体的超轻聚氨酯酰亚胺该高温自阻燃复合材料，继而通过发射药将其在目标作用范围内抛撒形成大范围电磁干扰云团，致使敌方机动性目标信号被持续干扰而减弱或丧失作战能力，实现对于目标的大尺度、长时间、低成本的无源云毁伤，在城市作战和防空领域具有良好的发展前景。
发明内容
本发明涉及一种超轻环保型多孔电磁云毁伤复合材料及其制备方法和应用，该方法所得超轻多孔复合材料不但具有良好的电磁屏蔽性能，并且具有优异的机械性能和热稳定性，有望在电磁毁伤与防护领域发挥重要作用。
本发明是通过下述技术方案实现的。
超轻环保型多孔电磁云毁伤复合材料，制备方法的步骤如下：
步骤一、将30～50g均苯四甲酸二酐(PMDA)和5～10mL甲醇加入80mL二甲基甲酰胺(DMF)中在50～60℃条件下使得PMDA溶解为均一透明溶液并冷却至室温；
步骤二、向步骤一所得透明溶液中加入5～20g导电碳材料、30～50g蓖麻油、5～8g离子水、3～5g硅油、0.3～0.8g叔胺催化剂和0.2～0.5g有机锡催化剂混合均匀得到悬浊液；
步骤三、将步骤二所得悬浊液与100～150g异氰酸酯以2000r/min的速率快速搅拌5～10s使其快速发应得到中间体，之后将其在160～200℃条件下酰亚胺化，得到超轻聚氨酯酰亚胺多孔复合材料。
优选的，所述导电碳材料为炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管和碳纤维中的一种或任意组合。
优选的，所述硅油为硅酮稳定剂和硅酮聚醚共聚物稳定剂中的一种或任意组合；所述叔胺催化剂为三乙胺和三乙醇胺中的一种或任意组合；所述有机锡类催化剂为二丁基二月桂酸锡和辛酸亚锡中的一种或任意组合；所述异氰酸酯为多苯基多亚甲基多异氰酸酯和对苯二异氰酸酯中的一种或任意组合。
优选的，所述蓖麻油的羟值大于150mgKOH/g。
将步骤三所得超轻聚氨酯酰亚胺多孔复合材料按照实际使用需求粉碎成为米级、厘米级、毫米级等尺寸大小并通过发射药定向抛撒，在空气中形成具有较长滞空时间的大范围电磁干扰云团，通过对信号目标电磁波的持续高效干扰与屏蔽，致使机动性目标通讯中断而丧失作战能力，实现对于目标低成本的云毁伤效果。
优选的，所述发射药包括单基火药、双基火药和三基火药。
本发明有益效果：
(1)本发明所得超轻多孔复合材料不但具有良好的电磁屏蔽性能。导电性碳基填料赋予了聚氨酯酰亚胺良好的导电性能，促进了电磁波的介电损耗与吸收损耗；聚氨酯酰亚胺泡沫丰富的多孔结构为电磁波的多重反射提供了场所，有利于电磁波的吸收和衰减，使得复合材料表现出良好的电磁屏蔽性能，在X波段的屏蔽效能最高可达34dB。
(2)本发明所得聚氨酯酰亚胺复合材料兼具聚氨酯优异的力学性能和聚酰亚胺优异的耐高温和自阻燃性能。聚氨酯酰亚胺由聚氨酯软段与聚酰亚胺硬段接枝所形成的，聚氨酯柔性链段赋予了聚氨酯酰亚胺良好的回弹性和柔韧性，聚酰亚胺刚性链段赋予了聚氨酯酰亚胺优异的耐高温和阻燃性能。因此，本发明通过将聚酰亚胺链段接枝与聚氨酯当中得到了高性能的聚氨酯酰亚胺。
(3)本发明采用可再生的生物质原料蓖麻油制备聚氨酯酰亚胺，所得复合材料具有生物降解特性。所得多孔复合材料密度极低，有效滞空时间最高可达30s，是实现机动性目标非对称无源云毁伤的新方法。
附图说明：
图1是基于实施例1所制备的超轻多孔聚氨酯酰亚胺复合材料的SEM图片。
图2是基于实施例2所制备的超轻多孔聚氨酯酰亚胺复合材料的热稳定性能曲线。
图3是基于实施例3所制备的超轻多孔聚氨酯酰亚胺复合材料在X波段的电磁屏蔽效能。
具体实施方式：
为了对本发明的技术特征有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
(1)将40gPMDA和8mL甲醇加入80mLDMF中在55℃条件下使得PMDA溶解为均一透明溶液并冷却至室温；
(2)向所得透明溶液中加入6g石墨、40g蓖麻油、6g离子水、3g硅酮稳定剂、0.5g三乙醇胺和0.3g辛酸亚锡混合均匀得到悬浊液；
(3)将所得悬浊液与120g对苯二异氰酸酯以2000r/min的速率快速搅拌6s使其快速发应得到中间体，之后将其在180℃条件下酰亚胺化，得到超轻聚氨酯酰亚胺多孔复合材料；
(4)将所得超轻聚氨酯酰亚胺多孔复合材料粉碎成为厘米级尺寸大小并通过发射药定向抛撒，在空气中形成具有较长滞空时间的大范围电磁干扰云团。
图1是基于实施例1所制备的超轻多孔聚氨酯酰亚胺复合材料的SEM图片。所得电磁干扰云团在X波段的平均屏蔽效能为20dB，有效滞空时间为25s，极限氧指数为24％。
实施例2
(1)将40g PMDA和8mL甲醇加入80mL DMF中在55℃条件下使得PMDA溶解为均一透明溶液并冷却至室温；
(2)向所得透明溶液中加入10g石墨烯、40g蓖麻油、6g离子水、3g硅酮稳定剂、0.5g三乙醇胺和0.3g辛酸亚锡混合均匀得到悬浊液；
(3)将所得悬浊液与120g对苯二异氰酸酯以2000r/min的速率快速搅拌6s使其快速发应得到中间体，之后将其在180℃条件下酰亚胺化，得到超轻聚氨酯酰亚胺多孔复合材料；
(4)将所得超轻聚氨酯酰亚胺多孔复合材料粉碎成为厘米级尺寸大小并通过发射药定向抛撒，在空气中形成具有较长滞空时间的大范围电磁干扰云团。
图2是基于实施例2所制备的超轻多孔聚氨酯酰亚胺复合材料的热稳定性能曲线。所得电磁干扰云团在X波段的平均屏蔽效能为25dB，有效滞空时间为27s，极限氧指数为26％。
实施例3
(1)将40g PMDA和8mL甲醇加入80mL DMF中在55℃条件下使得PMDA溶解为均一透明溶液并冷却至室温；
(2)向所得透明溶液中加入10g石墨烯、40g蓖麻油、6g离子水、3g硅酮稳定剂、0.5g三乙醇胺和0.3g辛酸亚锡混合均匀得到悬浊液；
(3)将所得悬浊液与120g对苯二异氰酸酯以2000r/min的速率快速搅拌6s使其快速发应得到中间体，之后将其在180℃条件下酰亚胺化，得到超轻聚氨酯酰亚胺多孔复合材料；
(4)将所得超轻聚氨酯酰亚胺多孔复合材料粉碎成为毫米级尺寸大小并通过发射药定向抛撒，在空气中形成具有较长滞空时间的大范围电磁干扰云团。
图3是基于实施例3所制备的超轻多孔聚氨酯酰亚胺复合材料在X波段的电磁屏蔽效能。所得电磁干扰云团在X波段的平均屏蔽效能为29dB，有效滞空时间为34s，极限氧指数为26％。
实施例4
(1)将40g PMDA和8mL甲醇加入80mL DMF中在55℃条件下使得PMDA溶解为均一透明溶液并冷却至室温；
(2)向所得透明溶液中加入15g石墨烯、40g蓖麻油、6g离子水、3g硅酮稳定剂、0.5g三乙醇胺和0.3g辛酸亚锡混合均匀得到悬浊液；
(3)将所得悬浊液与120g对苯二异氰酸酯以2000r/min的速率快速搅拌6s使其快速发应得到中间体，之后将其在180℃条件下酰亚胺化，得到超轻聚氨酯酰亚胺多孔复合材料；
(4)将所得超轻聚氨酯酰亚胺多孔复合材料粉碎成为毫米级尺寸大小并通过发射药定向抛撒，在空气中形成具有较长滞空时间的大范围电磁干扰云团。
所得电磁干扰云团在X波段的平均屏蔽效能为31dB，有效滞空时间为34s，极限氧指数为29％。
实施例5
(1)将40g PMDA和8mL甲醇加入80mL DMF中在55℃条件下使得PMDA溶解为均一透明溶液并冷却至室温；
(2)向所得透明溶液中加入15g碳纳米管、40g蓖麻油、6g离子水、3g硅酮稳定剂、0.5g三乙醇胺和0.3g辛酸亚锡混合均匀得到悬浊液；
(3)将所得悬浊液与120g对苯二异氰酸酯以2000r/min的速率快速搅拌6s使其快速发应得到中间体，之后将其在180℃条件下酰亚胺化，得到超轻聚氨酯酰亚胺多孔复合材料；
(4)将所得超轻聚氨酯酰亚胺多孔复合材料粉碎成为毫米级尺寸大小并通过发射药定向抛撒，在空气中形成具有较长滞空时间的大范围电磁干扰云团。
所得电磁干扰云团在X波段的平均屏蔽效能为30dB，有效滞空时间为35s，极限氧指数为30％。

Claims (4)

1.超轻环保型多孔电磁云毁伤复合材料的应用，其特征在于，用于在空气中形成电磁干扰云团，对于目标信号的电磁云毁伤；所述的超轻环保型多孔电磁云毁伤复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将均苯四甲酸二酐PMDA和甲醇加入二甲基甲酰胺中在50~60℃条件下使得PMDA溶解为均一透明溶液并冷却至室温；
步骤二、向步骤一所得透明溶液中加入导电碳材料、蓖麻油、离子水、硅油、叔胺催化剂和有机锡催化剂混合均匀得到悬浊液；
步骤三、将步骤二所得悬浊液与异氰酸酯以2000r/min的速率快速搅拌5~10s使其快速反应得到中间体，之后将其在160~200℃条件下酰亚胺化，得到超轻聚氨酯酰亚胺多孔复合材料；
将步骤三所得超轻聚氨酯酰亚胺多孔复合材料按照实际使用需求粉碎成为米级、厘米级、毫米级尺寸大小并通过发射药定向抛撒，在空气中形成具有较长滞空时间的大范围电磁干扰云团，通过对信号目标电磁波的持续高效干扰与屏蔽，致使机动性目标通讯中断而丧失作战能力，实现对于目标低成本的云毁伤效果；
所述发射药包括单基火药、双基火药和三基火药；
原料按照以下比例：
步骤一中，30~50g均苯四甲酸二酐PMDA，5~10mL甲醇，80mL二甲基甲酰胺DMF；
步骤二中，5~20g导电碳材料，30~50g蓖麻油，5~8g离子水，3~5g硅油，0.3~0.8g叔胺催化剂，0.2~0.5g有机锡催化剂；
步骤三中，100~150 g异氰酸酯。
2.根据权利要求1所述的超轻环保型多孔电磁云毁伤复合材料的应用，其特征在于，所述导电碳材料为炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管和碳纤维中的一种或任意组合。
3.根据权利要求1所述的超轻环保型多孔电磁云毁伤复合材料的应用，其特征在于，所述叔胺催化剂为三乙胺和三乙醇胺中的一种或任意组合；
所述有机锡类催化剂为二丁基二月桂酸锡和辛酸亚锡中的一种或任意组合；
所述异氰酸酯为多苯基多亚甲基多异氰酸酯和对苯二异氰酸酯中的一种或任意组合。
4.根据权利要求1所述的超轻环保型多孔电磁云毁伤复合材料的应用，其特征在于，其特征在于：所述蓖麻油的羟值大于150mgKOH/g。
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