一种新型泡沫炭电磁屏蔽复合材料的制备方法与流程

本发明属于泡沫炭电磁屏蔽复合材料制备方法，涉及一种新型泡沫炭电磁屏蔽复合材料的制备方法。

背景技术：

电子技术的进步和信息工业的迅速发展不可避免的带来了电磁波辐射问题。由电磁波辐射引起的电磁干扰和射频干扰不仅会引起电子设备失灵、通讯中断和电磁信息泄密等问题，而且严重危害着人类生存的生活环境和健康。因此，发展新型高效的电磁屏蔽材料逐渐引起了人们的广泛关注。目前，占据市场主要份额的电磁屏蔽材料以金属及其合金为主，这些材料具有优良的电磁屏蔽性能，但是，它们在使用过程中仍受到许多缺陷的限制，比如密度大、耐腐蚀性差和成本高等。因此，开发轻质高效、柔性、耐腐蚀和低成本的新型电磁屏蔽材料已成为电磁屏蔽材料领域的重要发展方向，具有十分重要的实际意义和应用价值。

作为具有一种三维孔状结构的新型炭材料，泡沫炭具有低密度、强度高、导电性好、耐腐蚀、易加工成型等优点，被认为是下一代电磁屏蔽材料的理想候选材料之一。而泡沫炭本身的电磁屏蔽性能一般，距电磁屏蔽材料的性能要求尚有一定差距。选择合适的第二相材料与泡沫炭进行复合制备泡沫炭复合材料，是提高泡沫炭电磁屏蔽性能的主要手段，也是推动其实际应用最有效的方法之一。过渡金属氧化物因其高磁导率、低成本、良好的生物兼容性和高饱和磁化度等特性在电磁屏蔽领域有着广阔的应用前景，是制备电磁屏蔽复合材料常用的材料之一。

然而过渡金属氧化物纳米颗粒作为填充材料制备复合材料时，极易在基体(尤其是聚合物)中团聚，这主要是因为纳米颗粒比表面积大，表面能大，处于热力学不稳定态，在范德华力等分子间作用力的作用下会聚集到一起，产生团聚。团聚现象会降低纳米颗粒与基体材料之间的界面结合，大幅削弱纳米颗粒对基体的增强效果。目前，解决纳米颗粒或是炭纳米管在泡沫炭基体中的团聚问题常用的方法主要包括超声分散法、球磨法、压延法、搅拌挤压法以及添加表面活性剂等，但是这些方法的分散效果一般，并不能保证纳米颗粒均匀分散。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种新型泡沫炭电磁屏蔽复合材料的制备方法，将fe3o4纳米颗粒与柔泡沫炭进行复合，获得电磁屏蔽性能优良的柔性轻质电磁屏蔽复合材料且能够使得fe3o4纳米颗粒分散均匀。

本发明所采用的技术方案是，一种新型泡沫炭电磁屏蔽复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，三聚氰胺泡沫的预处理；

步骤2，将步骤1经过预处理的三聚氰胺泡沫进行炭化，然后冷却至室温，制得泡沫炭；

步骤3，配置fe3o4纳米颗粒的反应溶液；

步骤4，量取一定量步骤3配置fe3o4纳米颗粒的反应溶液以及量取一定量步骤2制备的泡沫炭，将量取的泡沫炭置于fe3o4纳米颗粒的反应溶液中，对溶液进行超声处理1～2h，在超声过程中用浓氨水调节溶液ph值至9.5～10.5，得到反应混合液；

步骤5，将步骤4制备的反应混合液进行超声清洗后干燥，获得制备好的fe3o4纳米颗粒/泡沫炭复合材料。

本发明的特征还在于，

步骤1具体为：将三聚氰胺泡沫用去离子水和无水乙醇分别进行超声清洗，各清洗10～30min，然后在烘箱中进行干燥，温度为70～90℃，时间为12-24h。

步骤2具体为：将步骤1经过预处理的三聚氰胺泡沫置于管式炉中，在n2气氛的保护下进行多段式炭化处理，第一阶段：从室温加热至200℃，保温1～2h；第二阶段：加热至400℃，保温1～2h；第三阶段：升温至炭化温度，保温1～2h，然后控制降温速率，将样品冷却至室温，制得泡沫炭。

步骤2中三聚氰胺泡沫多段式炭化处理过程中的升温速率和降温速率均为3～5℃/min。

炭化温度为800～1000℃。

步骤3具体为：在去离子水中分别溶解一定质量的fecl3·6h2o和feso4·7h2o，并加入表面活性剂pvp，然后磁力搅拌1～2h得到均匀的fe3o4纳米颗粒的反应溶液。

fecl3·6h2o的浓度为0.72mol/l，feso4·7h2o的浓度为0.39mol/l，令表面活性剂pvp的质量m1，令fecl3·6h2o、feso4·7h2o质量之和m2，m1：m2＝1：10～1：12。

步骤4中量取fe3o4纳米颗粒的反应溶液与量取泡沫炭的体积比为5：3～5:1。

步骤5具体为：将步骤4制备的反应混合液在去离子水中进行超声清洗5～10min，然后置于真空干燥箱中干燥，温度为90℃，时间为12～24h。

本发明的有益效果是，本发明选择fe3o4纳米颗粒作为第二相材料，以泡沫炭为基体，通过基体和添加相之间介电损耗和磁损耗的协同优化作用，实现对泡沫炭电磁屏蔽性能的增强，外加泡沫炭柔性轻质的特点，获得电磁屏蔽性能优良的柔性轻质电磁屏蔽复合材料；本发明的制备方法，使得fe3o4纳米颗粒在泡沫炭表面原位生长，因此具有优良的分散性，同时，本方法制备过程简单，成本低，无污染。

附图说明

图1是本发明实施例1中制备得到的fe3o4纳米颗粒/泡沫炭复合材料的xrd(x射线衍射)图谱；

图2是本发明实施例1中制备得到的泡沫炭的照片和sem(扫描电子显微镜)图片；

图3是本发明实施例1中制备得到的fe3o4纳米颗粒/泡沫炭复合材料的微观形貌图；

图4本发明实施例1中制备的fe3o4纳米颗粒/泡沫炭复合材料的电磁屏蔽性能曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种新型泡沫炭电磁屏蔽复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，三聚氰胺泡沫的预处理；具体为：将三聚氰胺泡沫用去离子水和无水乙醇分别进行超声清洗，各清洗10～30min，然后在烘箱中进行干燥，温度为70～90℃，时间为12-24h；

步骤2，将步骤1经过预处理的三聚氰胺泡沫进行炭化，然后冷却至室温，制得泡沫炭；具体为：将步骤1经过预处理的三聚氰胺泡沫置于管式炉中，在n2气氛的保护下进行多段式炭化处理，第一阶段：从室温加热至200℃，保温1～2h；第二阶段：加热至400℃，保温1～2h；第三阶段：升温至炭化温度，保温1～2h，然后控制降温速率，将样品冷却至室温，制得泡沫炭；其中，三聚氰胺泡沫多段式炭化处理过程中的升温速率和降温速率均为3～5℃/min；炭化温度为800～1000℃；

步骤3，配置fe3o4纳米颗粒的反应溶液；具体为：在去离子水中分别溶解一定质量的fecl3·6h2o和feso4·7h2o，并加入表面活性剂pvp，然后磁力搅拌1～2h得到均匀的fe3o4纳米颗粒的反应溶液；fecl3·6h2o的浓度为0.72mol/l，feso4·7h2o的浓度为0.39mol/l，令表面活性剂pvp的质量m1，令fecl3·6h2o、feso4·7h2o质量之和m2，m1：m2＝1：10～1：12。

步骤4，按照体积比5：3～5:1量取一定量步骤3配置fe3o4纳米颗粒的反应溶液以及步骤2制备的泡沫炭，将量取的泡沫炭置于fe3o4纳米颗粒的反应溶液中，对溶液进行超声处理1～2h，在超声过程中用浓氨水调节溶液ph值至9.5～10.5，得到反应混合液；

步骤5，将步骤4制备的反应混合液在去离子水中进行超声清洗5～10min，然后置于真空干燥箱中干燥，温度为90℃，时间为12～24h。

实施例1

步骤1，三聚氰胺泡沫的预处理：

将三聚氰胺泡沫用去离子水和无水乙醇分别进行超声清洗，各清洗30min，然后在烘箱中进行干燥，温度为90℃，时间为12h；

步骤2，将步骤1经过预处理的三聚氰胺泡沫置于管式炉中，在n2气氛的保护下进行多段式炭化处理，第一阶段从室温加热至200℃，保温1～2h；第二阶段加热至400℃，保温1～2h；最后升温至800℃，保温1～2h，最后控制降温速率，将样品冷却至室温，升温速率和降温速率均为5℃/min，制得泡沫炭；

步骤3，配置fe3o4纳米颗粒的反应溶液：在20ml去离子水中分别溶解2.3g的fecl3·6h2o和1.2g的feso4·7h2o，并加入0.3g表面活性剂pvp(聚乙烯吡咯烷酮)，然后磁力搅拌1～2h得到均匀的fe3o4纳米颗粒的反应溶液；

步骤4，取步骤2得到的泡沫炭12cm³置于步骤3配置fe3o4纳米颗粒的反应溶液中，然后对溶液进行超声处理1～2h，在超声过程中利用浓氨水调节溶液ph值至9.5，得到反应混合液；步骤5，将步骤4制备的反应混合液在去离子水中进行超声清洗5～10min，最后将样品置于真空干燥箱中干燥，温度为90℃，时间为12～24h，获得制备好的fe3o4纳米颗粒/泡沫炭复合材料。

实施例2

步骤1，三聚氰胺泡沫的预处理：

将三聚氰胺泡沫用去离子水和无水乙醇分别进行超声清洗，各清洗30min，然后在烘箱中进行干燥，温度为90℃，时间为12h；

步骤2，将步骤1经过预处理的三聚氰胺泡沫置于管式炉中，在n2气氛的保护下进行多段式炭化处理，第一阶段从室温加热至200℃，保温1～2h；第二阶段加热至400℃，保温1～2h；最后升温至850℃，保温1～2h。最后控制降温速率，将样品冷却至室温，升温速率和降温速率均为3℃/min，制得泡沫炭；

步骤3，配置fe3o4纳米颗粒的反应溶液：在40ml去离子水中分别溶解4.6g的fecl3·6h2o和2.4g的feso4·7h2o，并加入0.73g表面活性剂pvp(聚乙烯吡咯烷酮)，然后磁力搅拌1～2h得到均匀的fe3o4纳米颗粒的反应溶液；

步骤4，取步骤2得到的泡沫炭体积为24cm³置于步骤3配置fe3o4纳米颗粒的反应溶液中，然后对溶液进行超声处理1～2h，在超声过程中利用浓氨水调节溶液ph值至10，得到反应混合液；

步骤5，将步骤4制备的反应混合液在去离子水中进行超声清洗5～10min，最后将样品置于真空干燥箱中干燥，温度为90℃，时间为12～24h，获得制备好的fe3o4纳米颗粒/泡沫炭复合材料。

实施例3

步骤1，三聚氰胺泡沫的预处理：

将三聚氰胺泡沫用去离子水和无水乙醇分别进行超声清洗，各清洗30min，然后在烘箱中进行干燥，温度为90℃，时间为12h；

步骤2，将步骤1经过预处理的三聚氰胺泡沫置于管式炉中，在n2气氛的保护下进行多段式炭化处理，第一阶段从室温加热至200℃，保温1～2h；第二阶段加热至400℃，保温1～2h；最后升温至900℃，保温1～2h，最后控制降温速率，将样品冷却至室温，升温速率和降温速率均为4℃/min，制得泡沫炭；

步骤3，配置fe3o4纳米颗粒的反应溶液：在60ml去离子水中分别溶解6.9g的fecl3·6h2o和3.6g的feso4·7h2o，并加入1.05g表面活性剂pvp(聚乙烯吡咯烷酮)，然后磁力搅拌1～2h得到均匀的fe3o4纳米颗粒的反应溶液；

步骤4，将步骤2得到的泡沫炭体积为36cm³置于步骤3配置fe3o4纳米颗粒的反应溶液中，然后对溶液进行超声处理1～2h，在超声过程中利用浓氨水调节溶液ph值至10，得到反应混合液；

步骤5，将步骤4制备的反应混合液在去离子水中进行超声清洗5～10min，最后将样品置于真空干燥箱中干燥，温度为90℃，时间为12～24h，获得制备好的fe3o4纳米颗粒/泡沫炭复合材料。

实施例4

步骤1，三聚氰胺泡沫的预处理：

将三聚氰胺泡沫用去离子水和无水乙醇分别进行超声清洗，各清洗30min，然后在烘箱中进行干燥，温度为90℃，时间为12h；

步骤2，将步骤1经过预处理的三聚氰胺泡沫置于管式炉中，在n2气氛的保护下进行多段式炭化处理，第一阶段从室温加热至200℃，保温1～2h；第二阶段加热至400℃，保温1～2h；最后升温至1000℃，保温1～2h。最后控制降温速率，将样品冷却至室温，升温速率和降温速率均为5℃/min，制得泡沫炭；

步骤3，配置fe3o4纳米颗粒的反应溶液：在80ml去离子水中分别溶解9.2g的fecl3·6h2o和4.8g的feso4·7h2o，并加入1.4g表面活性剂pvp(聚乙烯吡咯烷酮)，然后磁力搅拌1～2h得到均匀的fe3o4纳米颗粒的反应溶液；

步骤4，将步骤2得到的泡沫炭体积为48cm³置于步骤3配置fe3o4纳米颗粒的反应溶液中，然后对溶液进行超声处理1～2h，在超声过程中利用浓氨水调节溶液ph值至10.5，得到反应混合液；

步骤5，将步骤4制备的反应混合液在去离子水中进行超声清洗5～10min，最后将样品置于真空干燥箱中干燥，温度为90℃，时间为12～24h，获得制备好的fe3o4纳米颗粒/泡沫炭复合材料。

图1为本发明实施例1中制备得到的fe3o4纳米颗粒/泡沫炭复合材料的xrd(x射线衍射)图谱，由图可见制备得到的复合材料中含有fe3o4。

图2为本发明实施例1中制备得到的泡沫炭的照片和sem(扫描电子显微镜)图片，由图2(a)可见本方法制备的泡沫炭具有良好的柔性，泡孔结构完整，连接泡孔与泡孔的韧带结构清晰，泡孔密度大；图2(b)表面制备得到的样品具有柔性，可实现较大弯曲而没有断裂。

图3为本发明实施例1中制备得到的fe3o4纳米颗粒/泡沫炭复合材料的微观形貌，可以观察到fe3o4纳米颗粒成功在泡沫炭韧带表面上生长(图3(b))，且分散均匀。

图4为本发明实施例1中制备的fe3o4纳米颗粒/泡沫炭复合材料的电磁屏蔽性能，在8～12.4ghz的波段内，其总屏蔽效能最高可达19db,可见本发明制备的复合材料具有良好的电磁屏蔽性能。