CN110641130A - 一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及吸波材料制备技术领域，更具体而言，涉及一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法，通过浸渍工艺将聚氨酯软质泡沫与得到还原氧化石墨烯/羰基铁泡沫或羟基化碳纳米管/羰基铁泡沫浆料复合，进一步热还原得到上层匹配吸收层；通过浸渍工艺将聚氨酯软质泡沫与碳纳米管水性浆料或低缺陷石墨烯复合，得到下层反射吸收层，贴合后形成最终的吸波泡沫，研究工艺参数对吸波泡沫结构和性能的影响。在保持吸波泡沫厚度薄，宽频吸收的前提下，重点解决吸波泡沫在L波段（1~2 GHz）吸收性能不高的问题。

Description

一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法

技术领域

本发明涉及吸波材料制备技术领域，更具体而言，涉及一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法。

背景技术

随着人类社会的不断发展，人们对生活便利化、信息化和智能化的需求越来越多，极大地推动了电子通信技术、计算机技术和雷达技术的发展。随之而来的，是电磁安全及电磁辐射污染等诸多问题。特别是在计算机、雷达通信等领域，外界电磁辐射的影响、设备间电磁干扰以及设备内部各电子器件间的干扰，严重影响了信号的正常传递和设备的常态运行。因此，消除杂波，改善电子设备电磁兼容成为当前人们研究讨论的热点。

通过吸波材料吸收和衰减有害电磁辐射，是保护电子设备，改善设备电磁兼容性能的有效途径之一。在众多吸波材料中，吸波泡沫材料因其重量轻、吸收频段宽、吸波效果好成为目前一类备受青睐的吸波材料，被广泛用于微波暗室、天线罩、天线支架、雷达舱等部位杂波干扰的消除。传统吸波泡沫材料通常用炭黑作为吸收剂，采用浸渍或原位发泡工艺填充进入泡沫基体。但单独采用炭黑作为吸收剂制备的吸波泡沫在低频区域吸收效果较差，往往需要把泡沫厚度增加方能满足要求。这限制了吸波泡沫在电子设备、雷达设备等狭小空间处的应用。除了炭黑，另一种常用的低频吸收剂是羰基铁粉。羰基铁粉属磁性金属颗粒粉体，具备优异的低频吸波性能，但其自身吸收频段较窄且重量重，不利于在宽频轻质吸收材料中应用。

纳米材料，特别是碳纳米材料如石墨烯、碳纳米管等在电磁防护领域显示出诸多独特的优势，是很好的宽频吸波剂。在碳系材料家族中，石墨烯介电常数高，密度小，具备良好的化学稳定性和热稳定性。是极具应用前景的高效吸收剂。碳纳米管导电性能优异，具备较高的电损耗正切角。高比表面积的碳纳米管所形成的大量晶格缺陷及表面悬挂键促进了界面极化和多重散射，可以有效衰减入射电磁波能量。此外，碳纳米管作为一维纳米材料，粒子尺度远小于雷达及红外波长，因而较传统吸波材料的吸波性能更好。然而单纯石墨烯的电磁波损耗机制相对单一且自身高导电性导致与入射空间阻抗匹配性较差，造成对电磁波反射增加。报道称，单纯石墨烯反射率（RL）最低值仅-7 dB。然而，单一组分的碳纳米材料作为吸收剂制备吸波泡沫仍然有其局限性，特别是对于低频的吸收仍不能满足现有需求。

羰基铁是传统的磁性吸波剂之一，但密度高，吸收频带窄。此外，羰基铁多为微米级的球状结构，大量填充于泡沫中反而阻塞孔道，不利于电磁波的衰减。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，本发明提供一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法，在保持吸波泡沫厚度薄，宽频吸收的前提下，重点解决吸波泡沫在低频区域吸收性能不高的问题。

一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法，包括以下步骤：

S1、将氧化石墨烯粉体、羰基铁粉、水性聚氨酯乳液混合均匀，得到吸波浆料A；

S2、将第一软质聚氨酯泡沫在S1中吸波浆料A中充分浸渍后，进行热还原；

S3、反应完成后，将S2中热还原后泡沫用去离子水充分淋洗，再经干燥得到匹配吸收层吸波泡沫；

S4、将多壁碳纳米管粉体、去离子水、表面活性剂、水性聚氨酯乳液混合均匀，得到吸波浆料B；

S5、将第二软质聚氨酯泡沫在吸波浆料B中充分浸渍后，干燥得反射吸收层吸波泡沫；

S6、将吸收层吸波泡沫与反射吸收层吸波泡沫紧密贴合后制备得到吸波泡沫。

进一步地，所述S1中氧化石墨烯与羰基铁粉质量比为1:1-1:5；所述S4表面活性剂用量为多壁碳纳米管用量的10%-50%；所述S4中多壁碳纳米管固含量为1%-10%。

进一步地，一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法，包括以下步骤：

S1、将羰基化碳纳米管粉体、表面活性剂、羰基铁粉、水性聚氨酯乳液混合均匀，得到吸波浆料A；

S2、将第一软质聚氨酯泡沫在S1中吸波浆料A中充分浸渍后，进行热还原；

S3、反应完成后，将S2中热还原后泡沫用去离子水充分淋洗，再经干燥得到匹配吸收层吸波泡沫；

S4、将低缺陷石墨烯粉体、去离子水、水性聚氨酯乳液混合均匀，得到吸波浆料B；

S5、将第二软质聚氨酯泡沫在吸波浆料B中充分浸渍后，干燥得反射吸收层吸波泡沫；

S6、将吸收层吸波泡沫与反射吸收层吸波泡沫紧密贴合后制备得到吸波泡沫。

进一步地，所述S1中水性聚氨酯乳液固含量为30%，所述S4中水性聚氨酯乳液固含量为25%-45%。

进一步地，所述S2中热还原在铁氟龙反应釜中进行，热还原温度为85-95℃，热还原时间为12-15h。

进一步地，所述S4中表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、碳纳米管水分散剂中的一种或几种。

进一步地，所述S2中吸波浆料A完全浸润第一软质聚酯泡沫，所述S5中吸波浆料B完全浸润第二软质聚氨酯泡沫。

进一步地，所述S2中第一软质聚氨酯泡沫与S5中第二软质聚氨酯泡沫规格相同。

进一步地，所述S6中吸波泡沫是由两层泡沫组成的，上层为吸收层泡沫，下层为反射吸收层泡沫。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

本发明提供了一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法，利用石墨烯、碳纳米管的宽频高效吸收特性，结合聚氨酯软质泡沫柔性及多孔特性，以聚氨酯软质泡沫为基体，在泡沫孔壁上及孔道内填充碳纳米材料，碳纳米材料吸波剂提供以介电损耗为主的损耗机制包括电阻损耗、极化弛豫、多重散射等；羰基铁提供了额外的磁损耗机制如涡流损耗，与现有技术相比，在降低泡沫厚度的前提下，保证吸波泡沫的宽频吸收特性，同时提升在低频区域的吸收性能；将碳纳米吸收剂与羰基铁粉吸收剂相结合，开展多层吸波泡沫阻抗匹配设计，分别设计各层组分和含量，与现有技术相比，所制备吸波泡沫在保证宽频吸收的前提下在低频区域（1-4 GHz）具备优异的吸波性能，出现低于-20 dB的深吸收，相比单一羰基铁，密度下降，实现轻质化；原料采用氧化石墨烯、多壁碳纳米管、羰基铁粉工业级原材料，价格相对低廉，易于放大实现产品生产。

在本发明中，石墨烯经官能团修饰和缺陷引入后，阻抗匹配程度改善，吸波性能提升。将改性碳纳米材料（还原氧化石墨烯或官能化碳纳米管）与羰基铁复配作为匹配吸收层吸波剂，在原介电损耗机制基础上进一步引入磁损耗机制，拓展材料对电磁波的损耗途径，使吸收峰向低频移动，实现对电磁波的高效吸收；同时降低了吸收剂密度，减轻了重量。将高固含量的高导电碳纳米材料（低缺陷石墨烯或多壁碳纳米管）作为反射吸收层吸波剂，对透过吸收层的电磁辐射再次吸收并将剩余电磁波再次反射进入吸收层，以此达到充分衰减入射电磁波，特别是实现对低频区域电磁辐射的高效吸收，同时本发明制备的吸波泡沫在其他波段同样具备良好的吸收效果。

附图说明

图1为本发明提供的一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法；

图2为吸波浆料A SEM图；

图3为吸波浆料B SEM图；

图4为本发明提供的一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫样品图；

图5为本发明提供的一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫在L波段反射率曲线；

图6为本发明提供的一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫在S波段反射率曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法，包括以下步骤：

S1、将氧化石墨烯粉体、羰基铁粉、水性聚氨酯乳液混合均匀，得到吸波浆料A，吸波浆料A的SEM图如图2所示；

S2、将第一软质聚氨酯泡沫在S1中吸波浆料A中充分浸渍后，在铁氟龙反应釜中进行热还原，热还原温度为85-95℃，热还原时间为12-15h；

S3、反应完成后，将S2中热还原后泡沫用去离子水充分淋洗，再经干燥得到匹配吸收层吸波泡沫；

S4、将多壁碳纳米管粉体、去离子水、表面活性剂、水性聚氨酯乳液混合均匀得到吸波浆料B，吸波浆料B的SEM图如图3所示；

S5、将第二软质聚氨酯泡沫在吸波浆料B中充分浸渍后，干燥得反射吸收层吸波泡沫；

S6、将吸收层吸波泡沫与反射吸收层吸波泡沫紧密贴合后制备得到吸波泡沫。

在本实施例中，所述S1中氧化石墨烯与羰基铁粉质量比为1:1-1:5，所述水性聚氨酯乳液固含量为30%。所述S4中表面活性剂用量为多壁碳纳米管用量的10%-50%，多壁碳纳米管固含量为1%-10%。

在本实施例中，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、TNWDIS中的一种或几种。

在本实施例中，所述S2中吸波浆料A完全浸润第一软质聚酯泡沫，所述S5中吸波浆料B完全浸润第二软质聚氨酯泡沫。所述S2中第一软质聚氨酯泡沫与S5中第二软质聚氨酯泡沫规格相同。

本实施例所制备的吸波泡沫是由两层泡沫组成的，上层为吸收层泡沫，下层为反射吸收层泡沫，所制备的吸波泡沫如图4所示，其在L波段（1-2 GHz）反射率曲线如图5所示。本发明提供的吸波泡沫在其他波段同样具备良好的吸波性能，如其在S波段（2-4 GH）反射率曲线如图6所示。将碳纳米材料与聚氨酯泡沫复合，借助泡沫的多孔结构，可以实现在宽频范围内对电磁波的有效衰减，结合基体材料的多孔结构和多层结构阻抗匹配设计，可以实现吸波泡沫在低频区域（1-4 GHz）出现低于-20 dB的深吸收。

实施例1

1）将8.2 g氧化石墨烯（GO）粉体、16.4 g羰基铁粉、固含量为30%的水性聚氨酯乳液250mL混合均匀，得到吸波浆料A；

2）将尺寸为180 mm×180 mm×10 mm的软质聚氨酯泡沫在吸波浆料A中充分浸渍后，转移至Teflon反应釜中,并在95 ℃下热还原12 h；

3）反应完成后，将泡沫从Teflon反应釜中取出并用去离子水充分淋洗，再经干燥得到匹配吸收层吸波泡沫；

4）将12.5 g多壁碳纳米管、400 mL去离子水、3.8 g十二烷基磺酸钠、固含量为30%的水性聚氨酯乳液100 mL混合均匀，得到吸波浆料B；

5）将尺寸为180 mm×180 mm×10 mm的软质聚氨酯泡沫在吸波浆料B中充分浸渍后，干燥得反射吸收层吸波泡沫；

6）将匹配吸收层吸波泡沫作为第一层，反射吸收层吸波泡沫作为第二层，紧密贴合后制备得到目标产品。

实施例2

1）将8.2 g氧化石墨烯（GO）粉体、8.2 g羰基铁粉、固含量为30%的水性聚氨酯乳液250mL混合均匀，得到吸波浆料A；

2）将尺寸为300 mm×300 mm×10 mm的软质聚氨酯泡沫在吸波浆料A中充分浸渍后，转移至Teflon反应釜中,并在85 ℃下热还原15 h；

3）反应完成后，将泡沫从Teflon反应釜中取出并用去离子水充分淋洗，再经干燥得到匹配吸收层吸波泡沫；

4）将12.5 g多壁碳纳米管、400 mL去离子水、4 g碳纳米管水性分散剂（TNWDIS）、固含量为30%的水性聚氨酯乳液50 mL混合均匀，得到吸波浆料B；

5）将尺寸为300 mm×300 mm×10 mm的软质聚氨酯泡沫在吸波浆料B中充分浸渍后，干燥得反射吸收层吸波泡沫；

6）将匹配吸收层吸波泡沫作为第一层，反射吸收层吸波泡沫作为第二层，紧密贴合后制备得到目标产品。

实施例3

1）将8.2 g氧化石墨烯（GO）粉体、16.4 g羰基铁粉、固含量为30%的水性聚氨酯乳液250mL混合均匀，得到吸波浆料A；

2）将尺寸为300 mm×300 mm×8 mm的软质聚氨酯泡沫在吸波浆料A中充分浸渍后，转移至Teflon反应釜中,并在95 ℃下热还原12 h；

3）反应完成后，将泡沫从Teflon反应釜中取出并用去离子水充分淋洗，再经干燥得到匹配吸收层吸波泡沫；

4）将12.5 g多壁碳纳米管、400 mL去离子水、4 g碳纳米管水性分散剂（TNWDIS）、固含量为40%的水性聚氨酯乳液80 mL混合均匀，得到吸波浆料B；

5）将尺寸为300 mm×300 mm×8 mm的软质聚氨酯泡沫在吸波浆料B中充分浸渍后，干燥得反射吸收层吸波泡沫；

6）将匹配吸收层吸波泡沫作为第一层，反射吸收层吸波泡沫作为第二层，紧密贴合后制备得到目标产品。

实施例4

1）将8.2 g羟基化碳纳米管粉体、16.4 g羰基铁粉、2.8 g碳纳米管水性分散剂（TNWDIS）以及固含量为30%的水性聚氨酯乳液250 mL混合均匀，得到吸波浆料A；

2）将尺寸为300 mm×300 mm×12 mm的软质聚氨酯泡沫在吸波浆料A中充分浸渍后，干燥得到匹配吸收层吸波泡沫；

3）将12.5 g低缺陷石墨烯粉体、400 mL去离子水、固含量为40%的水性聚氨酯乳液80mL混合均匀，得到吸波浆料B；

5）将尺寸为300 mm×300 mm×12 mm的软质聚氨酯泡沫在吸波浆料B中充分浸渍后，干燥得反射吸收层吸波泡沫；

6）将匹配吸收层吸波泡沫作为第一层，反射吸收层吸波泡沫作为第二层，紧密贴合后制备得到目标产品。

实施例5

1）将8.2 g氧化石墨烯（GO）粉体、41 g羰基铁粉、固含量为30%的水性聚氨酯乳液250mL混合均匀，得到吸波浆料A；

2）将尺寸为300 mm×300 mm×8 mm的软质聚氨酯泡沫在吸波浆料A中充分浸渍后，转移至Teflon反应釜中,并在90 ℃下热还原13 h；

3）反应完成后，将泡沫从Teflon反应釜中取出并用去离子水充分淋洗，再经干燥得到匹配吸收层吸波泡沫；

4）将12.5 g多壁碳纳米管、400 mL去离子水、1.25 g十二烷基苯磺酸钠、固含量为20%的水性聚氨酯乳液50 mL混合均匀，得到吸波浆料B；

5）将尺寸为300 mm×300 mm×8 mm的软质聚氨酯泡沫在吸波浆料B中充分浸渍后，干燥得反射吸收层吸波泡沫；

6）将匹配吸收层吸波泡沫作为第一层，反射吸收层吸波泡沫作为第二层，紧密贴合后制备得到目标产品。

实施例6

1）将8.2 g氧化石墨烯（GO）粉体、32.8 g羰基铁粉、固含量为30%的水性聚氨酯乳液250mL混合均匀，得到吸波浆料A；

2）将尺寸为300 mm×300 mm×8 mm的软质聚氨酯泡沫在吸波浆料A中充分浸渍后，转移至Teflon反应釜中,并在95 ℃下热还原12 h；

3）反应完成后，将泡沫从Teflon反应釜中取出并用去离子水充分淋洗，再经干燥得到匹配吸收层吸波泡沫；

4）将12.5 g多壁碳纳米管、400 mL去离子水、6.25 g十二烷基苯磺酸钠、固含量为45%的水性聚氨酯乳液80 mL混合均匀，得到吸波浆料B；

5）将尺寸为300 mm×300 mm×8 mm的软质聚氨酯泡沫在吸波浆料B中充分浸渍后，干燥得反射吸收层吸波泡沫；

6）将匹配吸收层吸波泡沫作为第一层，反射吸收层吸波泡沫作为第二层，紧密贴合后制备得到目标产品。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将氧化石墨烯粉体、羰基铁粉、水性聚氨酯乳液混合均匀，得到吸波浆料A；

S2、将第一软质聚氨酯泡沫在S1中吸波浆料A中充分浸渍后，进行热还原；

S3、反应完成后，将S2中热还原后泡沫用去离子水充分淋洗，再经干燥得到匹配吸收层吸波泡沫；

S4、将多壁碳纳米管粉体、去离子水、表面活性剂、水性聚氨酯乳液混合均匀，得到吸波浆料B；

S5、将第二软质聚氨酯泡沫在吸波浆料B中充分浸渍后，干燥得反射吸收层吸波泡沫；

S6、将吸收层吸波泡沫与反射吸收层吸波泡沫紧密贴合后制备得到吸波泡沫。

2.根据权利要求1所述的一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法，其特征在于：所述S1中氧化石墨烯与羰基铁粉质量比为1:1-1:5；所述S4表面活性剂用量为多壁碳纳米管用量的10%-50%；所述S4中多壁碳纳米管固含量为1%-10%。

3.根据权利要求1所述的一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将羰基化碳纳米管粉体、表面活性剂、羰基铁粉、水性聚氨酯乳液混合均匀，得到吸波浆料A；

S2、将第一软质聚氨酯泡沫在S1中吸波浆料A中充分浸渍后，进行热还原；

S3、反应完成后，将S2中热还原后泡沫用去离子水充分淋洗，再经干燥得到匹配吸收层吸波泡沫；

S4、将低缺陷石墨烯粉体、去离子水、水性聚氨酯乳液混合均匀，得到吸波浆料B；

S5、将第二软质聚氨酯泡沫在吸波浆料B中充分浸渍后，干燥得反射吸收层吸波泡沫；

S6、将吸收层吸波泡沫与反射吸收层吸波泡沫紧密贴合后制备得到吸波泡沫。

4.根据权利要求1或3所述的一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法，其特征在于：所述S1中水性聚氨酯乳液固含量为30%，所述S4中水性聚氨酯乳液固含量为25%-45%。

5.根据权利要求1或3所述的一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法，其特征在于：所述S2中热还原在铁氟龙反应釜中进行，热还原温度为85-95℃，热还原时间为12-15h。

6.根据权利要求1或3所述的一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法，其特征在于：所述S4中表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、碳纳米管水分散剂中的一种或几种。

7.根据权利要求1或3所述的一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法，其特征在于：所述S2中吸波浆料A完全浸润第一软质聚酯泡沫，所述S5中吸波浆料B完全浸润第二软质聚氨酯泡沫。

8.根据权利要求1或3所述的一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法，其特征在于：所述S2中第一软质聚氨酯泡沫与S5中第二软质聚氨酯泡沫规格相同。

9.根据权利要求1或3所述的一种针对低频电磁波吸收的吸波泡沫的制备方法，其特征在于：所述S6中吸波泡沫是由两层泡沫组成的，上层为吸收层泡沫，下层为反射吸收层泡沫。

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