【摘 要】
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随着电子产业的发展,人们对电磁屏蔽技术的要求日益增加,兼具高导电性和轻薄的电磁屏蔽新材料成为了该领域的研究热点。碳材料具有导电性优异、低密度、化学稳定性高和成本低等优点,在电磁屏蔽领域具有巨大应用潜力。其中,具有优异导电性能和比表面积高的石墨烯是制备碳基电磁屏蔽材料理想的组分。但石墨烯存在易团聚、结构易坍塌等问题,难以发挥其在材料中的电磁屏蔽性能。木质素是储量丰富的天然芳香聚合物,是具有三维网络结
【基金项目】
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国家重点研发计划(2018YFB1501503); 国家自然科学基金(21690083,21878114,22038004,21908071); 广东省重点领域研发计划项目(2020B1111380002); 广东省自然科学基金(2018B030311052,2017A030308012)
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随着电子产业的发展,人们对电磁屏蔽技术的要求日益增加,兼具高导电性和轻薄的电磁屏蔽新材料成为了该领域的研究热点。碳材料具有导电性优异、低密度、化学稳定性高和成本低等优点,在电磁屏蔽领域具有巨大应用潜力。其中,具有优异导电性能和比表面积高的石墨烯是制备碳基电磁屏蔽材料理想的组分。但石墨烯存在易团聚、结构易坍塌等问题,难以发挥其在材料中的电磁屏蔽性能。木质素是储量丰富的天然芳香聚合物,是具有三维网络结构的刚性分子,同时含有疏水骨架和亲水官能团,赋予其一定的两亲性。基于木质素上述特点,将木质素与石墨烯复合,有望解决石墨烯作为电磁屏蔽材料中易团聚、结构易坍塌的应用难题。此外,木质素的含碳量高,其碳化产物导电性优良,可作为生物质资源替代部分石墨烯,达到降低成本的目的。因此,本文将木质素和石墨烯进行复合,通过碳化处理制备了碳气凝胶和碳泡沫两种木质素基/石墨烯复合碳材料,并探索对其在电磁屏蔽领域的应用主要研究结果如下:(1)首先采用超声空化法利用酶解木质素(EHL)对氧化石墨烯(GO)进行分散,制备得到EHL/GO复合物,进一步通过定向冷冻-冰模板法以及600°C高温碳化制备出了具有有序孔道网络结构、低密度(4.22~12.35 mg/cm~3)、高电导率(1.50×10-2~4.22×10-2 S·m-1)的复合碳气凝胶。在气凝胶制备过程中,木质素的两亲性和刚性三维网络结构产生协同作用,起到抑制气凝胶体积收缩效应,当木质素用量为30 wt%时,所制备的碳气凝胶(D-L30RGA)体积保持率维持在64.3%,远高于纯石墨烯碳气凝胶的34.2%。电化学测试结果表明,D-L30RGA中的木质素碳与还原氧化石墨烯(RGO)片产生的界面极化作用能够极大地损耗入射电磁波,在8.2~12.4 GHz波段展现出了高达52.83 d B的屏蔽效能,远超纯石墨烯碳气凝胶(30.97 d B)的屏蔽效能。(2)复合碳泡沫相对于碳气凝胶的制备工艺更简单、成本更低且生产效率更高,但是聚合物泡沫存在高温碳化过程中结构易坍塌等问题,本文利用EHL改性密胺泡沫,保留了聚合物完整的骨架并构建良好的导电网络。采用浸渍-吸附和高温碳化两步法制备了EHL改性碳泡沫。为了提高密胺泡沫对EHL分子的吸附能力,增加泡沫材料的含碳量,采用脱甲基化改性制备了富含邻苯二酚结构的木质素(DEHL),900°C碳化时,DEHL改性碳泡沫的电导率达到了0.74 S·m-1,比EHL改性碳泡沫的电导率提高了40.5%,8.2~12.4 GHz波段的电磁屏蔽效能达到了23.66 d B。形貌和结构表征结果表明,DEHL改性碳泡沫较优的电磁屏蔽效能主要是由于木质素碳层覆盖在泡沫骨架上,形成了刚性的核壳结构,对碳泡沫材料整体结构起到了支撑作用,使得密胺泡沫的网络结构完整保留。为进一步提高电磁屏蔽效能,在DEHL改性碳泡沫中掺入还原氧化石墨烯(RGO),构建木质素/还原氧化石墨烯改性复合碳泡沫,其具有高导电性(1.89 S·m-1)和低密度(20 mg·cm-3),材料中引入的RGO片沿着泡沫骨架方向搭建起了鳞片状平面,与木质素碳形成连续碳骨架互相穿插的致密网络结构,二者之间产生的界面极化使复合碳泡沫在8.2~12.4 GHz波段的电磁屏蔽效能达到42.39 dB。
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