[发明专利]一种石墨烯复合纤维吸收剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，涉及电磁波吸收材料技术，特别涉及石墨烯吸收剂技术。

背景技术

吸波材料是指能够吸收、衰减入射电磁波的能量，并通过材料将电磁能快速转换成热能或其他能量形式的一类功能材料。传统的铁磁类吸收剂主要包括金属微粉、铁氧体等，这些材料存在密度大、结构设计困难、耐环境性差等问题，使其应用受到极大限制。碳纤维、多晶铁纤维、碳化硅纤维等纤维类吸收剂，由于其具有独特的电磁性能、密度小、添加量低等优点，已成为当前研究的热点。石墨烯由于具有表面效应、量子尺寸效应、霍尔效应等独特性能，且密度小易加工，近几年来在吸波材料领域备受瞩目。但单一损耗性的吸收剂难以同时调整介电常数和磁导率两个决定性的参数，无法满足吸波材料的要求。

相关石墨烯作为吸收剂的报道主要是将石墨烯表面负载磁性材料的片状粉末吸收剂或将磁性材料与石墨烯直接复合制备多元石墨烯复合粉末吸收剂。

CN 105647468 A公开了一种基于石墨烯的吸波材料及其制备方法，采用球磨法将石墨粉体与铁氧体、羰基铁粉或超细金属粉三种磁介质型材料中的其中一种或几种掺杂，与干冰混合后在行星球磨机中研磨数小时，制备石墨烯复合吸收剂。此方法仅是将石墨烯和磁性材料机械混合，虽然可以增加吸收剂中石墨烯的含量，但其组分间界面效应明显，不利于阻抗匹配。

CN101550003B公开了一种纳米石墨烯基吸波复合材料及其制备方法，该材料首先采用电化学方法在石墨烯表面沉积金属，再通过高温氧化，将金属转化成氧化物，制备纳米石墨烯/金属氧化物吸波复合材料。此方法通过电化学方法可以使金属氧化物颗粒克服界面效应很好的结合在一起，但由于石墨烯尺寸较小，沉积其中的金属氧化物含量较低，对吸收剂的磁损耗贡献少。

CN 104690289 A公开了一种石墨烯-纳米镍吸波材料的制备方法，该方法通过溶剂热法将纳米镍离子成功负载到石墨烯片层表面。同样，此方法由于石墨烯尺寸限制，复合吸收剂磁损耗较小，不利于吸波材料的阻抗匹配。

上述复合吸收剂虽由石墨烯和磁性材料组成，并且磁性材料在一定程度上改善了石墨烯的吸波性能，但由于各功能成分之间电磁特性的差异，仍存在阻抗不匹配特性，导致吸收剂整体吸收频带窄，并且整体密度较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具介电损耗、电损耗和磁损耗的石墨烯复合纤维吸收剂，同时提供其制备方法。

本发明的目的是这样实现的，以碳纤维前躯体聚丙烯腈为载体，利用热处理过程中聚丙烯腈分子链上的N、O、H活性元素与石墨烯材料中的含氧官能团与磁性材料的化学反应，使石墨烯、碳和磁性材料各功能成分产生化学键合，利用纺丝技术赋予吸收剂各向异性，结合纤维长径比，提高吸收剂对电磁波的吸收能力。同时利用纤维内各功能成分的介电损耗、磁损耗、界面极化及空间极化有效提高吸收效率。

本发明涉及的石墨烯复合纤维吸收剂，以聚丙烯腈基碳纤维为载体，纤维直径介于5～30μm之间，密度不大于3.5g/cm³，物料有效组分的质量组成为：

石墨烯0.5～15份，

磁性材料1～25份，

聚丙烯腈100固体份；

采用湿法纺丝或干喷湿纺工艺、预氧化和碳化还原工艺成型；

所述石墨烯材料为石墨烯或氧化石墨烯；所述磁性材料为纳米级铁磁性金属粉或其化合物中的至少一种。

本发明涉及的石墨烯复合纤维吸收剂，有效物料成分的质量组成为：

石墨烯2～10份，

磁性材料5～15份，

聚丙烯腈100固体份。

本发明涉及的石墨烯复合纤维吸收剂，有效物料成分的质量组成为：

石墨烯5～12份，

磁性材料10～20份，

聚丙烯腈100固体份。

本发明涉及的石墨烯复合纤维吸收剂，纤维长径比介于40～400之间。

本发明涉及的石墨烯复合纤维吸收剂，所述聚丙烯腈树脂为丙烯腈与共聚单体的共聚体系，共聚单体为衣康酸、丙烯酸、衣康酸胺、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸中的一种或其中几种的混合体系。

本发明涉及的石墨烯复合纤维吸收剂，所述聚丙烯腈为15wt％～30wt％的二甲基亚砜、二甲基乙酰胺或N'N二甲基甲酰胺溶溶液。

本发明涉及的石墨烯复合纤维吸收剂的制备方法，包括纺丝液制备、纺丝、预氧化处理与碳化还原过程，其特征在于：