一种基于聚氧化乙烯的轻质PEO/MXene气凝胶吸波材料及其制备方法

一种基于聚氧化乙烯的轻质peo/mxene气凝胶吸波材料及其制备方法
技术领域
1.本发明属于微波吸收材料技术领域，具体涉及一种基于聚氧化乙烯的轻质peo/mxene气凝胶吸波材料及其制备方法。


背景技术：

2.随着电子信息和无线通信的发展，电子设备所产生的电磁干扰问题越来越严重，电磁辐射不仅会对高精度仪器设备产生干扰，也会对人体带来巨大危害，因此电磁波的吸收显得尤为重要。电磁波吸收材料是能够将入射的电磁波转换成热能的功能材料。理想的电磁波吸收材料应具有“宽频带，强吸收，低厚度，轻质量”的特点。
3.传统的铁氧体吸波材料虽然吸收强度大也能满足较宽的频带，但是其质量较大，不能满足“重量轻”的要求。junwu wen等人在《journal of colloid and interface science》(594(2021)424
–
434)杂志上发表题为controllable adjustment of cavity of core-shelled co3o4@nico2o
4 composites via facile etching and deposition for electromagnetic wave absorption(通过简单的刻蚀和沉积获得可调控核壳空腔的co3o4@nico2o4复合材料用于电磁波吸收)的文章，该文章作者所制备的co3o4@nico2o4复合材料在50％的负载下2.6mm的厚度获得4.88ghz的带宽，并不能满足“低厚度”和“质量轻”的要求。磁性金属/合金材料有较高的磁损耗能力，但作为金属材料有较高的电导率导致复介电常数往往较大(εr＞30)，不利于其阻抗匹配性能，且磁性金属密度过大，不利于“重量轻”的要求。碳基吸波材料有比表面积大，质量轻等优点，但损耗机理主要局限于电阻型损耗，单独使用时阻抗匹配性能差，吸收强度弱和吸波频带窄等不足。
4.目前对于mxene有广泛的研究，mxene有着质量轻，比表面积大，表面官能团丰富等特点，目前主要研究方向是mxene表面的原位生长或与其他物质的复合，复合后还是二维的形状，不能形成良好的导电网络，因此也需要在较高的填充比下才能获得良好的吸波性能，xiaopeng han等人在《acs applied nano materials》(2021,4,691-701)上发表题为ti3c2t
x mxene nanosheet/metal-organic framework composites for microwave absorption(ti3c2t
x mxene/金属有机骨架用于微波吸收)的文章，作者在ti3c2t
x mxene表面原位生长co-zif和ni-zif得到mxene/co-zif和mxene/ni-zif然后在高温下煅烧得到mxene/co-czif和mxene/ni-czif，也是对mxene二维形貌的重新设计，因此在负载大于33％的情况下才有较好的吸波性能，且原位生长的zif含有co和ni两种金属，其质量进一步增加。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于聚氧化乙烯的轻质peo/mxene气凝胶吸波材料及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明实施例的第一方面提供一种基于聚氧化乙烯的轻质peo/mxene气凝胶吸波材料的制备方法，包括以下步骤：
7.步骤一、制备ti3c2t
x mxene溶液；
8.步骤二、制备peo溶液；
9.步骤三、将所述ti3c2t
x mxene溶液加入所述peo溶液中，搅拌至混合均匀后进行冷冻，冷冻干燥后获得所述peo/mxene气凝胶吸波材料；
10.所述peo/mxene气凝胶吸波材料为具有多孔道的片层组装而成的三维网状结构；其中，ti3c2t
x mxene自组装形成多孔结构，然后ti3c2t
x mxene与peo结合组装形成多个多孔道的片层结构，且ti3c2t
x mxene被peo包覆；最后，多个所述片层结构相互之间组装以形成三维网状结构。
11.在本发明的一个实施例中，所述peo/mxene气凝胶吸波材料的ti3c2t
x mxene与peo形成氢键以使ti3c2t
x mxene与peo形成连接。
12.在本发明的一个实施例中，所述步骤一的具体步骤包括：
13.在聚四氟乙烯杯中加入去离子水，加入盐酸并且不断搅拌，得到稀释后的盐酸溶液；
14.将lif加入稀释后的盐酸溶液中进行搅拌；
15.搅拌完成之后将固体ti3alc2加入到溶液中；
16.将聚四氟乙烯杯转移至水浴锅中，水浴反应12～72h，并且不断搅拌；
17.将反应所得溶液转移至离心管中，加入去离子水，进行离心操作，之后去掉上层的液体，向沉淀中加入去离子水进行超声操作然后再进行离心操作，多次重复超声和离心操作获得下层沉淀；
18.向沉淀中加入无水乙醇，超声20min～3h，使ti3c2t
x mxene片层之间打开，离心去掉上层液体，然后加入去离子水进行超声，使ti3c2t
x mxene片层分开获得单层ti3c2t
x mxene，离心收集上层黑色液体，得到ti3c2t
x mxene溶液。
19.在本发明的一个实施例中，所述peo/mxene气凝胶吸波材料的密度为0.005g/cm3～0.1g/cm3。
20.本发明实施例的第二方面提供一种基于聚氧化乙烯的轻质peo/mxene气凝胶吸波材料，由本发明实施例的第一方面所述的制备方法制备得到，所述peo/mxene气凝胶吸波材料为具有多孔道的片层组装而成的三维网状结构。
21.本发明的有益效果：
22.本发明制备方法通过peo溶液和ti3c2t
x mxene溶液的混合，ti3c2t
x mxene表面的-oh与peo形成氢键，ti3c2t
x mxene自组装能形成多孔结构，最终ti3c2t
x mxene与peo结合组装形成多孔道的片层结构，且ti3c2t
x mxene被peo包覆。片层结构之间进一步组装形成三维网状结构的气凝胶吸波材料。三维网状结构延长了电子传输路径，进而增强其电导损耗，同时电磁波可在材料内部多重反射和散射从而增强能量耗散。因此，该结构可有效提升材料对电磁波的吸收性能。此外，该三维网状结构能有效防止ti3c2t
x mxene的堆叠，peo/mxene气凝胶吸波材料满足新型吸波材料对“轻质”的要求。peo/mxene气凝胶吸波材料为具有多孔道片层组装而成的三维网状结构。
23.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
24.图1是本发明实施例一的一种基于聚氧化乙烯的轻质peo/mxene气凝胶吸波材料截面的扫描电子显微镜图；
25.图2是本发明实施例一的一种基于聚氧化乙烯的轻质peo/mxene气凝胶吸波材料的扫描电子显微镜图；
26.图3是本发明实施例二制备的peo/mxene气凝胶吸波材料内部的扫描电子显微镜图；
27.图4是本发明实施例二制备的peo/mxene气凝胶吸波材料的吸波性能图；
28.图5是本发明实施例三制备的peo/mxene气凝胶吸波材料截面的扫描电子显微镜图；
29.图6是本发明实施例三制备的peo/mxene气凝胶吸波材料的吸波性能图；
30.图7是本发明实施例提供的一种基于聚氧化乙烯的轻质peo/mxene气凝胶吸波材料的制备方法流程图。
具体实施方式
31.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
32.实施例一
33.如图7所示，一种基于聚氧化乙烯的轻质peo/mxene气凝胶吸波材料的制备方法，包括以下步骤：
34.步骤一、制备ti3c2t
x mxene溶液；步骤一的具体步骤包括步骤11-步骤16.
35.步骤11，在聚四氟乙烯杯中加入所需量的去离子水，缓慢加入盐酸并且不断搅拌，得到稀释后的盐酸溶液；
36.步骤12，将lif加入稀释后的盐酸溶液中进行搅拌一段时间；
37.步骤13，再加入固体ti3alc2；
38.步骤14，将聚四氟乙烯杯转移至水浴锅中，水浴反应12～72h，并且不断搅拌；
39.步骤15，将步骤14反应所得溶液转移至离心管中，加入去离子水，进行离心操作，之后去掉上层的液体，向沉淀中加入去离子水进行超声操作，超声操作持续一定的时间后进行离心操作，多次重复本步骤的超声操作以及之后的离心操作的操作以获得下层沉淀。多次超声操作和离心操作以保证残余的hf，hcl，lif全部除净。
40.步骤16，向沉淀中加入无水乙醇，超声20min～3h，使ti3c2t
x mxene片层之间打开，离心去掉上层液体，然后加入去离子水进行超声，超声持续一定的时间，使ti3c2t
x mxene片层分开获得单层ti3c2t
x mxene，离心收集上层黑色液体，得到ti3c2t
x mxene溶液。
41.步骤二、制备peo溶液；具体地，取固体peo加入沸水，搅拌直至peo完全溶解，获得浓度为0.01g/ml～0.25g/ml的peo溶液。
42.步骤三、将ti3c2t
x mxene溶液加入peo溶液中，搅拌至混合均匀后进行冷冻，冷冻干燥后获得peo/mxene气凝胶吸波材料。
43.peo/mxene气凝胶吸波材料为具有多孔道的片层组装而成的三维网状结构，其中，ti3c2t
x mxene自组装能形成多孔结构，最终ti3c2t
x mxene与peo结合组装形成多孔道的多
个片层结构，且ti3c2t
x mxene被peo包覆。片层结构之间进一步组装形成三维网状结构的气凝胶吸波材料。peo/mxene气凝胶吸波材料的密度为0.005g/cm3～0.1g/cm3。ti3c2t
x mxene表面的-oh与peo形成氢键，以使ti3c2t
x mxene与peo形成连接。
44.步骤三的具体步骤为：取所需浓度的peo溶液加入ti3c2t
x mxene溶液中搅拌使其充分混合，放入冰箱冷冻，冷冻干燥后获得peo/mxene气凝胶吸波材料，结构如图1、图2、图3和图5所示。
45.本实施例中，peo/mxene气凝胶吸波材料的ti3c2t
x mxene与peo形成氢键以使ti3c2t
x mxene与peo形成紧密连接，ti3c2t
x mxene自组装形成多孔结构，ti3c2t
x mxene被peo将表面包覆，ti3c2t
x mxene与peo结合组装形成多孔道的多个片层结构，最终形成多孔道片层结构组装而成的三维网状结构，随着peo浓度的增大，片会相应的变大，片的厚度会变厚。peo/mxene气凝胶吸波材料的三维网状结构的大量孔道结构有利于使材料质量更轻。peo/mxene气凝胶吸波材料的密度为0.005g/cm3～0.1g/cm3，质量较轻，相较于传统吸波材料的高负载比例，本实施例的吸波材料能在小于5％的负载比例下获得不错的吸波性能，能很好满足吸波材料对“轻质”的要求。
46.其中，peo/mxene气凝胶吸波材料的三维网状结构的网状指的是peo与mxene混合后形成的网状结构。
47.本实施例中，通过ti3c2t
x mxene溶液和peo溶液简单混合就能够得到peo/mxene气凝胶吸波材料，制备方法简单易行。且可以通过调整peo浓度和ti3c2t
x mxene溶液的浓度可以调控吸波材料的电磁参数，以获得满足不同应用波段的peo/mxene气凝胶吸波材料。peo/mxene气凝胶吸波材料的三维网状结构，避免了单层mxene的堆叠，延长了电子传输路径。三维网状结构增加了电磁波在内部的传播路径的复杂度，因此，电磁波的反射和散射次数增加，会增加能量的耗散，从而提升吸收电磁波的能力。
48.实施例二
49.一种基于聚氧化乙烯的轻质peo/mxene气凝胶吸波材料的制备方法，包括以下步骤：
50.步骤210、制备ti3c2t
x mxene溶液。步骤210的具体步骤包括步骤2101-步骤2106。
51.步骤2101，在聚四氟乙烯杯中加入10ml的去离子水，缓慢加入30ml12mol/l盐酸并且不断搅拌，得到40ml 9mol/l的盐酸溶液；
52.步骤2102，将2g的lif加入稀释后的盐酸溶液中持续搅拌；
53.步骤2103，再加入固体2g ti3alc2；
54.步骤2104，将聚四氟乙烯杯转移至水浴锅中，在水浴温度35℃下水浴反应24h，并且不断搅拌；
55.步骤2105，将步骤2104反应所得溶液分成4份，分别转移至一个离心管中，每份加入40ml去离子水，进行7000r/min离心5min，之后去掉上层的液体，向沉淀中加入40ml去离子水进行超声10min，重复3次加入去离子水进行超声以及离心的操作以获得下层沉淀。多次超声操作和离心操作以保证残余的hf，hcl，lif全部除净。
56.步骤2106，向沉淀中加入40ml无水乙醇，超声1h，使ti3c2t
x mxene片层之间打开，10000r/min离心10min，去掉上层液体，然后加入40ml去离子水进行超声20min，使ti3c2t
x mxene片层分开获得单层ti3c2t
x mxene，3500r/min离心5min，收集上层黑色液体，旋转蒸发
制备得到10mg/ml的ti3c2t
x mxene溶液。
57.步骤220、制备浓度为0.05g/ml的peo溶液；具体地，取固体1g peo加入20ml沸水中，水浴加热搅拌直至peo完全溶解，获得浓度0.05g/ml的peo溶液。
58.步骤230、将5ml 10mg/ml的ti3c2t
x mxene溶液加入5ml 0.05g/ml的peo溶液中，搅拌5min使其充分混合，放入冰箱冷冻，冷冻干燥72h后获得peo/mxene气凝胶吸波材料，如图3所示，peo/mxene气凝胶吸波材料为具有多孔道的片层组装而成的三维网状结构；其中，ti3c2t
x mxene表面的-oh与peo形成氢键，ti3c2t
x mxene自组装能形成多孔结构，ti3c2t
x mxene与peo结合组装形成多孔道的多个片层结构，且ti3c2t
x mxene被peo包覆，片层结构之间进一步组装形成三维网状结构的气凝胶吸波材料。步骤240：制备吸波性能测试样品
59.将石蜡加热融化，灌入peo/mxene气凝胶吸波材料中，待石蜡冷却后，且材料切成内径3.04mm，外径7.00mm，厚度2.00mm的圆环。
60.peo/mxene气凝胶吸波材料为高度2.4cm，直径2.4cm的圆柱体气凝胶，质量仅为0.24g，密度为0.022g/cm3。
61.如图4所示，本实施例制备的吸波材料在2.1mm的厚度时能获得4.32ghz(9.36ghz-13.68ghz)的带宽。
62.实施例三
63.步骤310、制备ti3c2t
x mxene溶液。步骤310的具体步骤包括步骤3101-步骤3106。
64.步骤3101，在聚四氟乙烯杯中加入10ml的去离子水，缓慢加入30ml12mol/l盐酸并且不断搅拌，得到40ml 9mol/l的盐酸溶液；
65.步骤3102，将2g的lif加入稀释后的盐酸溶液中持续搅拌；
66.步骤3103，再加入固体2g ti3alc2；
67.步骤3104，将聚四氟乙烯杯转移至水浴锅中，在水浴温度35℃下水浴反应24h，并且不断搅拌；
68.步骤3105，将步骤3104反应所得溶液分成4份，分别转移至一个离心管中，每份加入40ml去离子水，进行7000r/min离心5min，之后去掉上层的液体，向沉淀中加入40ml去离子水进行超声10min，重复3次加入去离子水进行超声以及离心的操作以获得下层沉淀。多次超声操作和离心操作以保证残余的hf，hcl，lif全部除净。
69.步骤3106，向沉淀中加入40ml无水乙醇，超声1h，使ti3c2t
x mxene片层之间打开，10000r/min离心10min，去掉上层液体，然后加入40ml去离子水进行超声20min，使ti3c2t
x mxene片层分开获得单层ti3c2t
x mxene，3500r/min离心5min，收集上层黑色液体，旋转蒸发制备得到10mg/ml的ti3c2t
x mxene溶液。
70.步骤320、制备浓度为0.1g/ml的peo溶液；具体地，取固体2g peo加入20ml沸水中，水浴加热搅拌直至peo完全溶解，获得浓度0.1g/ml的peo溶液。
71.步骤330、将5ml 10mg/ml的ti3c2t
x mxene溶液加入5ml的0.1g/ml的peo溶液中，搅拌5min使其充分混合，放入冰箱冷冻，冷冻干燥72h后获得peo/mxene气凝胶吸波材料，如图5所示peo/mxene气凝胶吸波材料为具有多孔道的片层组装而成的三维网状结构；其中，ti3c2t
x mxene表面的-oh与peo形成氢键，ti3c2t
x mxene自组装能形成多孔结构，ti3c2t
x mxene与peo结合组装形成多孔道的多个片层结构，且ti3c2t
x mxene被peo包覆，多个片层结构之间进一步组装形成三维网状结构的气凝胶吸波材料。
72.步骤340：制备吸波性能测试样品
73.将石蜡加热融化，灌入peo/mxene气凝胶吸波材料中，待石蜡冷却后，且材料切成内径3.04mm，外径7.00mm，厚度2.00mm的圆环。
74.peo/mxene气凝胶吸波材料为高度2.4cm，直径2.4cm的圆柱体气凝胶，质量仅为0.5g，密度为0.046g/cm3。
75.如图6所示，本实施例制备的吸波材料在1.5mm的厚度时能获得4.32ghz(11.52ghz-15.84ghz)的带宽。
76.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
77.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
78.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
79.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
80.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
81.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。