一种表面拓扑碳微纳米材料及其制备方法和应用

本发明涉及电磁波吸收材料，尤其涉及一种表面拓扑碳微纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、无线通信技术的快速发展，为人们的生产生活带来极大的便利。然而，电磁波污染问题日益突出，电磁波不仅会干扰精密设备的正常运行，同时还危害人体健康。电磁波吸收材料可以在一定程度上减少电磁波污染，其类别主要包括碳材料、mofs材料、导电聚合物、铁氧体等。其中碳材料作为一种常见的电磁波吸收材料，具备优异的热稳定性、化学稳定性、低密度、大比表面积和高载流子流动性等优势，常应用于吸波性能研究。然而，碳材料作为吸波剂的最大问题就是其吸收频宽窄，不能满足实际应用的要求。普遍的改良方案为改变碳材料的电导率、偶极子、界面和缺陷程度来调节导电损耗、偶极极化、界面极化和缺陷诱导极化强度，从而调整电磁波吸收性能。并且，有研究发现，材料的组成控制和形貌设计在一定程度上也可以提高碳材料的有效吸收频带和反射损耗。而如何控制材料组成，以及如何设计材料形貌，成为电磁波吸收材料领域中亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、因此，本发明人从材料的组成设计入手，在总结大量实验结果的基础上，通过大量实验研究与分析总结终于完成了本发明。

2、本发明的目的在于提供一种表面拓扑碳微纳米材料及其制备方法和应用，解决现有碳材料的吸收频宽窄、无法满足在电磁波吸收中应用需求的问题。

3、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

4、本发明提供了一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)以质量份数计，将3～15份丙烯腈、0.1～2份第一碳碳双键不饱和单体、30～70份第一溶剂与0.01～0.5份第一引发剂混合，进行沉淀聚合反应，得到第一粉末；

6、以质量份数计，将2份第一粉末、50～100份第二溶剂、0.5～2.5份第二碳碳双键不饱和单体与0.1～0.3份第二引发剂混合，进行种子聚合反应，得到碳微球前驱体粉末；

7、(2)步骤(1)得到的碳微球前驱体粉末进行预氧化，然后在保护气氛下进行碳化，得到表面拓扑碳微纳米材料；

8、其中，步骤(1)所述第一溶剂为25～45份酯类溶剂与5～25份其他溶剂的混合物。

9、优选的，在所述一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法中，步骤(1)所述第一碳碳双键不饱和单体与所述第二碳碳双键不饱和单体独立的为丙烯腈、苯乙烯、α-甲基苯乙烯、二乙烯苯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、丙烯酸、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸十二酯、甲基丙烯酸十二酯、丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸十八酯、丙烯酰胺、n-(羟甲基)丙烯酰胺、甲基丙烯酸烯丙酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸环己酯、4-丙烯酰吗啉、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸异冰片酯中的一种或多种。

10、优选的，在所述一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法中，所述酯类溶剂包括乙酸乙酯、甲酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸甲酯、乙酸异戊酯、碳酸二乙酯中的一种或多种，所述其他溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、乙腈、二甲苯、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、环丁砜中的一种或多种；步骤(1)所述第二溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、乙腈、二甲苯、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、乙酸乙酯、乙酸丁酯、环丁砜、二甲基亚砜、水中的一种或多种。

11、优选的，在所述一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法中，步骤(1)所述第一引发剂与所述第二引发剂独立的为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丁酸二甲酯或过氧化苯甲酰。

12、优选的，在所述一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法中，步骤(1)所述沉淀聚合反应的温度为65～80℃，步骤(1)所述沉淀聚合反应的时间为3～6h；步骤(1)所述种子聚合反应的温度为70～85℃，步骤(1)所述种子聚合反应的时间为3～6h。

13、优选的，在所述一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法中，步骤(2)所述预氧化的温度为200～300℃，步骤(2)所述预氧化的时间为1～2h，步骤(2)所述预氧化的升温速率为0.2～5℃/min。

14、优选的，在所述一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法中，步骤(2)所述碳化的温度为700～1100℃，步骤(2)所述碳化的时间为1～3h，步骤(2)所述碳化的升温速率为1～5℃/min。

15、优选的，在所述一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法中，步骤(1)所述碳微球前驱体粉末的粒径为0.3～2.5μm。

16、本发明还提供了一种所述表面拓扑碳微纳米材料的制备方法制得的表面拓扑碳微纳米材料，所述表面拓扑碳微纳米材料的粒径为0.7～1.7μm。

17、本发明还提供了一种所述表面拓扑碳微纳米材料在制备吸波材料中的应用。

18、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

19、(1)本发明制备了表面拓扑碳微纳米材料，通过改变单体种类、单体用量、溶剂比例、溶剂种类来控制聚合物微球的形貌、粒径和组成，使其具有不同的优势；通过控制不同的煅烧程序来获得不同组成、不同形貌、不同碳化程度的表面拓扑碳微纳米材料，具有产率高、工艺流程简单、可满足规模化生产需求等优点；目前本发明的方案单次、单反应器的最大产能可达到3l；

20、(2)本发明对制备的表面拓扑碳微纳米材料进行了吸波性能探究，在匹配厚度1.5～5.5mm的条件下，在频率2～18ghz的范围内，其制备的吸波材料最小反射损耗为-37.5～-48.7db，有效吸收频宽为3.8～6.1ghz，说明本发明制得的表面拓扑碳微纳米材料具有厚度薄、损耗强的优点。

技术特征：

1.一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述第一碳碳双键不饱和单体与所述第二碳碳双键不饱和单体独立的为丙烯腈、苯乙烯、α-甲基苯乙烯、二乙烯苯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、丙烯酸、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸十二酯、甲基丙烯酸十二酯、丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸十八酯、丙烯酰胺、n-(羟甲基)丙烯酰胺、甲基丙烯酸烯丙酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸环己酯、4-丙烯酰吗啉、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸异冰片酯中的一种或多种。

3.如权利要求2所述的一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法，其特征在于，所述酯类溶剂包括乙酸乙酯、甲酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸甲酯、乙酸异戊酯、碳酸二乙酯中的一种或多种，所述其他溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、乙腈、二甲苯、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、环丁砜中的一种或多种；步骤(1)所述第二溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、乙腈、二甲苯、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、乙酸乙酯、乙酸丁酯、环丁砜、二甲基亚砜、水中的一种或多种。

4.如权利要求1～3任一项所述的一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述第一引发剂与所述第二引发剂独立的为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丁酸二甲酯或过氧化苯甲酰。

5.如权利要求4所述的一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述沉淀聚合反应的温度为65～80℃，步骤(1)所述沉淀聚合反应的时间为3～6h；步骤(1)所述种子聚合反应的温度为70～85℃，步骤(1)所述种子聚合反应的时间为3～6h。

6.如权利要求1所述的一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述预氧化的温度为200～300℃，步骤(2)所述预氧化的时间为1～2h，步骤(2)所述预氧化的升温速率为0.2～5℃/min。

7.如权利要求1或6所述的一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述碳化的温度为700～1100℃，步骤(2)所述碳化的时间为1～3h，步骤(2)所述碳化的升温速率为1～5℃/min。

8.如权利要求5所述的一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述碳微球前驱体粉末的粒径为0.3～2.5μm。

9.权利要求1～8任一项所述的一种表面拓扑碳微纳米材料的制备方法制得的表面拓扑碳微纳米材料，其特征在于，所述表面拓扑碳微纳米材料的粒径为0.7～1.7μm。

10.权利要求9所述的一种表面拓扑碳微纳米材料在制备吸波材料中的应用。

技术总结本发明属于电磁波吸收材料技术领域，公开了一种表面拓扑碳微纳米材料及其制备方法和应用。本发明所述制备方法，包括以下步骤：将丙烯腈、第一碳碳双键不饱和单体、第一溶剂与第一引发剂混合，进行沉淀聚合反应，得到第一粉末；将第一粉末、第二溶剂、第二碳碳双键不饱和单体与第二引发剂混合，进行种子聚合反应，得到碳微球前驱体粉末；碳微球前驱体粉末进行预氧化，然后在保护气氛下碳化，得到表面拓扑碳微纳米材料。本发明通过改变单体种类及用量、溶剂种类及比例来控制形貌、粒径和组成，碳化后得到不同组成、形貌及碳化程度的表面拓扑碳微纳米材料，其最小反射损耗为‑37.5～‑48.7dB，有效吸收频宽为3.8～6.1GHz。技术研发人员：于良民,张相义,姜晓辉,闫雪峰,李昌诚,张志明,李霞,董磊,莫位君受保护的技术使用者：中国海洋大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18