椰壳炭/三维石墨烯复合材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术提供一种椰壳炭/三维石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1预处理椰壳得到三维椰壳纤维骨架；S2将三维椰壳纤维骨架在惰性气氛下炭化，然后进行扩孔和活化处理得到三维多孔活性炭纤维骨架；S3制备氧化石墨烯分散液，向氧化石墨烯分散液中加入功能组份得到复合溶液；S4将活性炭纤维骨架与复合溶液在高温高压下反应0.5h‑24h，反应结束后清洗干燥；S5将步骤S4中得到的样品在惰性气氛下烧结，即得到本发明专利技术中的椰壳炭/三维石墨烯复合材料。本发明专利技术椰壳炭/三维石墨烯复合材料的制备方法解决了三维石墨烯在制备过程中容易开裂的问题，且得到的椰壳炭/三维石墨烯复合材料具有更好的力学性能和电磁波吸收性能。

Preparation and application of coconut shell carbon / three dimensional graphene Composites

【技术实现步骤摘要】
椰壳炭/三维石墨烯复合材料的制备方法及应用
本专利技术涉及复合材料领域，尤其涉及一种椰壳炭/三维石墨烯复合材料的制备方法及应用。
技术介绍
石墨烯具有耐高温、柔软性好、质量轻、吸波频段宽、热传导率高、多孔等显著特点，在能源、电子、电力、导热、通信等领域已取得大量的应用。石墨烯的应用研究是当今的一大热点，现有技术将石墨烯用于电磁波吸收或隐身结构件上主要通过将石墨烯、吸波剂与基体树脂共混后制备成吸波复合材料。三维石墨烯具有石墨烯的众多优点，但其力学性能较差，且现有技术制备的三维石墨烯容易出现开裂问题，很难制备出较大尺寸的三维石墨烯材料，且将三维石墨烯用于电磁波吸收或隐身结构件上，尤其是用于高端武器装备上，需要三维石墨烯具有一定的强度和尺寸，因此限制了三维石墨烯在电磁波吸收或隐身结构件上的应用。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术一种椰壳炭/三维石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1预处理椰壳得到三维椰壳纤维骨架结构；S2将三维椰壳纤维骨架结构在惰性气氛下炭化，然后进行扩孔和活化处理得到三维多孔活性炭纤维骨架；S3制备氧化石墨烯分散液，向氧化石墨烯分散液中加入功能组份得到复合溶液；S4将活性炭纤维骨架与复合胶体溶液在高温高压下反应0.5h～24h，反应结束后清洗干燥备用；S5将步骤S4中得到的样品在惰性气氛下烧结，即得到本专利技术中的椰壳炭/三维石墨烯复合材料。本专利技术通过预先制备三维多孔活性炭纤维骨架，然后再将含有氧化石墨烯的复合溶液在三维多孔活性炭纤维骨架内反应，从而制备出大尺寸椰壳炭/三维石墨烯复合材料，解决了三维石墨烯在制备过程中容易开裂的问题，通过高温烧结可进一步增强椰壳炭与三维石墨烯的界面强度，使本专利技术中的椰壳炭/三维石墨烯复合材料具有更好的力学性能和电磁波吸收性能。在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S1包括去除椰壳内部的木质素。在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S1包括将椰壳浸入酸性或碱性溶液中浸泡0.5h～48h，碱性溶液包括氢氧化钠溶液、或氢氧化钾溶液、或氢氧化钙溶液、或氨水，酸性溶液包括磷酸溶液、或硫酸溶液、或盐酸溶液、或硝酸溶液，溶液的摩尔浓度为0.02mol/L～10mol/L。将椰壳放入上述溶液中浸泡，既可以除去椰壳内的木质素，同时还能侵蚀椰壳纤维，使椰壳纤维内部结构暴露出来，提高了椰壳纤维的比表面积。在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S1还包括预先将椰壳压平，清洗干燥后裁制成预设大小，可进一步提高复合材料的纯度，满足个性化设计需求。在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S2中炭化温度为150℃～500℃，可排除椰壳内的挥发物，提高椰壳中的固定碳含量。在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S2中扩孔和活化处理包括在低压或高压作用下，使强酸或强碱溶液充分压入椰壳内，可使纤维活化，同时可增加三维多孔活性炭纤维骨架结构的孔径大小，所述强酸或强碱溶液的摩尔浓度为1mol/L～10mol/L。在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S2中扩孔和活化处理包括在高压蒸汽作用下，用微波对椰壳炭骨架进行活化处理。在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S2中得到的三维多孔活性炭纤维骨架的孔径大于5um。在本专利技术的一些实施例中，所述氧化石墨烯的浓度为1mg/ml～10mg/ml，所述氧化石墨烯溶液中氧化石墨烯的D50＜4um，氧化石墨烯的单层率>90％，有利于氧化石墨烯在三维多孔活性炭纤维骨架内发生自组装反应。在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S3中的功能组份包括阳离子聚合物、阴离子聚合物、偶联剂、功能填料中的一种或多种，所述活性组份占氧化石墨烯溶液的质量百分比为1～60wt％。在本专利技术的一些实施例中，所述功能填料包括经偶联剂改性的羰基铁粉或合金粉。在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S3中包括用无水乙醇调节氧化石墨烯溶液的浓度至0.1～1mg/ml，所述阳离子聚合物占氧化石墨烯的质量百分比为1～10wt％。在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S4中高温高压反应的温度为120℃～200℃，压力为20MPa～30MPa。在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S4中干燥工艺为冷冻干燥，其中，冷冻温度为-40℃～-10℃，冷冻时间为10h～72h；冷冻结束后采用3℃/min～6℃/min的升温速度，升温至40℃～60℃，干燥时间24h～72h。在本专利技术的一些实施例中，所述步骤S5中烧结温度为200℃～900℃。烧结温度过高容易使过高，例如高于1100℃，容易导致本专利技术中的三维多孔石墨烯导电系数太高，例如，石墨烯的电阻率最小可达到10-6Ω·cm，或比金属铜或银更低，会影响本专利技术三维多孔石墨烯材料的吸波性能。本专利技术还公开一种由上述或下述的椰壳炭/三维石墨烯复合材料的制备方法得到的复合材料。本专利技术还公开一种上述或下述的椰壳炭/三维石墨烯复合材料在电磁波吸收或隐身设计上的应用。本专利技术一种椰壳炭/三维石墨烯复合材料的制备方法通过预先制备三维多孔活性炭纤维骨架，然后再将含有氧化石墨烯的复合溶液在三维多孔活性炭纤维骨架内发生自组装反应，从而制备出大尺寸椰壳炭/三维石墨烯复合材料，解决了三维石墨烯在制备过程中容易开裂的问题；本专利技术中的复合溶液中还具有功能组份，利用单片层石墨烯比表面积大，吸附能力强等特点能较好的分散在三维石墨烯内，能实现复合材料的功能化设计；同时通过高温烧结步骤可进一步增强椰壳炭与三维石墨烯的界面强度，使本专利技术中制备得到的椰壳炭/三维石墨烯复合材料具有更好的力学性能和电磁波吸收性能。【附图说明】图1本专利技术椰壳炭/三维石墨烯复合材料的制备流程图；图2为样品1-3与未经处理的石墨烯在不同频率下的反射曲线。【具体实施方式】为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1S1预先将椰壳压平，清洗烘干后进入氢氧化钠溶液中浸泡24h,氢氧化钠溶液的摩尔浓度为0.02mol/L，得到三维椰壳纤维骨架结构；S2将三维椰壳纤维骨架在惰性气氛下炭化，将炭化后的三维椰壳纤维骨架侵入氢氧化钠中，氢氧化钠的摩尔浓度为10mol/L，在高压作用下，使强碱溶液充分压入椰壳纤维骨架内进行扩孔和活化处理得到三维多孔活性炭纤维骨架，所得三维多孔活性炭纤维骨架的孔径为50um。S3采用humers方法制备氧化石墨烯分散液，所得氧化石墨烯的浓度为1mg/ml，所述氧化石墨烯溶液中氧化石墨烯的D50＜4um，氧化石墨烯的单层率>90％，向氧化石墨烯分散液中加入偶联剂处理过的羰基铁粉得到复合溶液，羰基铁粉占氧化石墨烯溶液的质量百分比为60wt％。具体humers方法制备氧化石墨烯分散液的具体步骤为(1)膨胀石墨的制备：称取1～10g的天然鳞片石墨置于三口烧瓶中，缓慢加入12～120ml浓硫酸和浓硝酸的混和酸(浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1)，室温条件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种椰壳炭/三维石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：/nS1预处理椰壳得到三维椰壳纤维骨架结构；/nS2将三维椰壳纤维骨架结构在惰性气氛下炭化，然后进行扩孔和活化处理得到三维多孔活性炭纤维骨架；/nS3制备氧化石墨烯分散液，向氧化石墨烯分散液中加入功能组份得到复合溶液；/nS4将活性炭纤维骨架与复合溶液在高温高压下反应0.5h～24h，反应结束后清洗干燥备用；/nS5将步骤S4中得到的样品在惰性气氛下烧结，即得到本专利技术中的椰壳炭/三维石墨烯复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种椰壳炭/三维石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1预处理椰壳得到三维椰壳纤维骨架结构；
S2将三维椰壳纤维骨架结构在惰性气氛下炭化，然后进行扩孔和活化处理得到三维多孔活性炭纤维骨架；
S3制备氧化石墨烯分散液，向氧化石墨烯分散液中加入功能组份得到复合溶液；
S4将活性炭纤维骨架与复合溶液在高温高压下反应0.5h～24h，反应结束后清洗干燥备用；
S5将步骤S4中得到的样品在惰性气氛下烧结，即得到本发明中的椰壳炭/三维石墨烯复合材料。


2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括去除椰壳内部的木质素。


3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括将椰壳浸入酸性溶液或碱性溶液中浸泡0.5h～48h，碱性溶液包括氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化钙溶液、碳酸钠溶液、氨水中的一种或多种，酸性溶液包括磷酸溶液、硫酸溶液、盐酸溶液、硝酸溶液中的一种或多种，溶液的摩尔浓度为0.02mol/L～10mol/L。


4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘若鹏，赵治亚，李妤婕，王太保，
申请(专利权)人：深圳光启岗达创新科技有限公司，深圳光启高等理工研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44