CN106517960A - 一种石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥，包括石墨烯/钛酸钡复合粉体、发泡聚苯乙烯和硅酸盐水泥，所述石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥中，发泡聚苯乙烯的填充率为40‑70vol％，发泡聚苯乙烯的颗粒直径为2‑6mm，石墨烯/钛酸钡复合粉体的体积含量为2‑5％。本发明在水泥中掺杂加入石墨烯/钛酸钡复合粉体和发泡聚苯乙烯，在8‑18GHz的微波频段内，全频段达到‑13.8dB以上的吸收，使得水泥的吸波性能增强。

Description

一种石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥。
背景技术
水泥材料为多种内含多种金属氧化物的复合材料，其本身具有一定的吸波性能，但水泥材料对电磁波的吸收主要靠内部氧化物的电磁损耗，吸波性能比较低。水泥基体中加入传统吸波剂后，尽管可以提高水泥材料的吸波性能，但却大大降低了与空间波阻抗的匹配程度，因此吸波性能提高程度不大。如果在水泥基体中加入透波颗粒，尽管透波材料的加入减少了吸波剂的含量，但却可以明显改善水泥复合材料的阻抗匹配，同时透波颗粒经与水泥混合后，其表面会被包覆一层水泥层，也会对入射电磁波产生散射和反射作用。当透波颗粒的数目足够多时，各个颗粒之间的多次反射和多次散射将对入射电磁波的衰减起到根重要的作用。同时在电磁波的多次散射过程中，水泥基体本身也会对电磁波产生一定的损耗，因此透波颗粒的加入有望大大提高水泥复合材料的吸波性能。
发泡聚苯乙烯(Expanded polystyrene，EPS)是一种种轻质、内含小连续气孔的泡沫，具有密度低，吸水牢低，耐酸碱，保温性好等一系列优点，在工农业、交通运输业及建筑业等领域已经得到广泛应用。但将其应用于吸波材料领域，尚未见报导。
发明内容
本发明的目的在于提出一种石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥，能够使得传统水泥的吸波性能大大提高。
本发明的在先发明中，采用在水泥中掺杂发泡聚苯乙烯，来提高硅酸盐水泥的吸波性能，但尽管其在某系频段可以达到很好的吸波效果，但其在8-18GHz的微波频段内，很难全频段达到-10dB的吸收，因此本发明对其进行了改进，以使其全频段具备更高的吸收。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥，包括石墨烯/钛酸钡复合粉体、发泡聚苯乙烯和硅酸盐水泥，所述石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥中，发泡聚苯乙烯的填充率为40-70vol％，发泡聚苯乙烯的颗粒直径为2-6mm，石墨烯/钛酸钡复合粉体的体积含量为2-5％，石墨烯：钛酸钡质量比为2：1-1：2。
优选的，所述发泡聚苯乙烯经过表面改性，改性方法如下：
(1)将EPS表面用无机溶剂进行清洗，使EPS颗粒表面微溶；
(2)高分子粘结剂PVA用水稀释，搅拌均匀后倒入清洗过的EPS颗粒和偶联剂；
(3)浸渍晾干后得到所述表面改性的发泡聚苯乙烯。
所述石墨烯/钛酸钡粉体制备方法如下：
(1)在冰浴条件下，机械搅拌条件下，在98％浓硫酸中加入鳞片石墨粉，再加入占石墨粉50-80wt％的硝酸钠，和占石墨粉2-4倍重量的高锰酸钾，冰浴下反应30-120min；
(2)加热至30-40℃恒温4-5h，加入去离子水和双氧水，搅拌1-3h，加入5％浓度的HCl离心洗涤直至无硫酸根离子，干燥后得到氧化石墨烯；
(3)将所述的氧化石墨烯分散到无水乙醇溶液中，超声分散得到氧化石墨烯胶体溶液；
(4)将所述氧化石墨烯胶体溶液加热到65-75℃，搅拌下加入质量浓度为70-85％的水合肼，反应0.5-2小时后，按照石墨烯:钛酸钡质量比为2:1～1:2的比例，加入钛酸钡粉末，混合均匀；
(5)离心分离并洗涤，真空干燥得到石墨烯/钛酸钡粉体。
由于EPS表面为憎水性，与无机硅酸盐水泥相容性较差，而且EPS颗粒密度特别小，在与水泥混合搅拌过程中容易上浮，影响水泥浆体的均匀性，为了增强EPS颗粒与水泥浆体的亲和性，需要对EPS表面进行预处理。传统的方法是在EPS颗粒表面涂敷一层粘结剂，现有技术一般采用环氧乳胶或聚乙烯丙酸盐，其在与EPS颗粒的混合过程中，可以使EPS颗粒表面处于一种粘着状态，当加入水泥浆体后，可以在EPS颗粒表面形成一层水泥涂层，有助于EPS颗粒之间以及EPS颗粒与水泥基体之间的粘结，但这种方法大大提高了EPS水泥复合材料的制作成本。
本发明采用了一种全新的处理工艺。首先将EPS表面用无机溶剂进行清洗，使EPS颗粒表面微溶。用高分子粘结剂PVA用水稀释，搅拌均匀后倒入清洗过的EPS颗粒和偶联剂。由于EPS颗粒表面的溶解使得其表面粗糙度增加，极大地增加了EPS颗粒的比表面积，在与粘结剂混合时，就大大增加了EPS颗粒与粘结剂之间的接触界面面积，提高了两者之间的粘结性能。
普通硅酸盐水泥对电磁波的衰减主要是依靠水泥成分中的金属氧化物及一些矿物材料的介电损耗和磁损耗，吸波性能比较低，而且水泥试样比较致密，从而导致材料的输入波阻抗与自由空间波阻抗不相匹配，材料的透波性能比较差。EPS颗粒介电常数比较低，可以作为一种良好的透波材料。它加入硅酸盐水泥中后，可以调节水泥基复合材料的气孔率和电磁参数，大大提高了复合材料阻抗与空间波阻抗的匹配程度。而且EPS颗粒经表面处理后，与水泥浆体的相容性较好，在与水泥充分混合后其表面便会被包覆一层水泥层，可以散射部分电磁波，因此EPS填充水泥复合材料可以等效为一种闭孔吸波结构。当入射电磁波进入复合材料内部时，便会在各个颗粒之间发生多次反射和散射，从而提高材料对入射电磁波的损耗和吸收。
水泥中添加EPS颗粒后，试样的吸波性能都得到提高。添加40vol％EPS时，反射损耗达到-7～-10dB，而且试样的吸波性能随频率的增加而增大，当频率达到17.7GHz时，试样的反射损耗已达到-10.02dB；当EPS填充率达到60vol％后，吸波性能随频率的增加而持续增加，当频率超过12GHZ以后，试样的吸波性能都优于-10dB，直到频率达到18GHz时，吸渡性能达到-15.27dB，吸收优于-10dB的带宽为6.2GHz，当EPS填充量继续增加至70％时，材料的吸披性能反而下降。
材料的吸波性能是材料透波性能和损耗性能的综合，材料要具有良好的吸波性能，必须保证材料的透波性能达到一定的要求。当水泥基体中添加EPS颗粒后，改善了材料的透波性能，进入试样内部的电磁波在FPS颗粒表面经多次反射和散射作用得到衰减，从而提高了水泥材料的吸波性能，当EPS填充水泥复合材料中添加部分石墨烯/钛酸钡复合粉体后，复合材料的透射系数减小，反射系数增大，但石墨烯/钛酸钡复合粉体的电损耗却增加了入射电磁被在材料内部的衰减，所以材料的吸波性能会得到部分提高。
在一定范围内随石墨烯/钛酸钡复合粉体含量的增加而逐渐增大，即吸收系数首先有一个增大的过程。随着石墨烯/钛酸钡复合粉体含量的进一步增加，复合材料的导电性能提高，使得材料的透波性能进一步降低，电磁波在试样表面的反射现象增强，从而导致复合材料的吸波性能降低。
因此基于上述考虑，本发明中，将石墨烯/钛酸钡复合粉体在水泥中的体积含量设定为2-5％。
本发明在水泥中掺杂加入石墨烯/钛酸钡复合粉体和发泡聚苯乙烯，在8-18GHz的微波频段内，全频段达到-13.8dB以上的吸收，使得水泥的吸波性能增强。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
一种石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥，包括石墨烯/钛酸钡复合粉体、发泡聚苯乙烯和硅酸盐水泥，所述石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥中，发泡聚苯乙烯的填充率为40vol％，发泡聚苯乙烯的颗粒直径为2mm，石墨烯/钛酸钡复合粉体的体积含量为2％。
实施例2
一种石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥，包括石墨烯/钛酸钡复合粉体、发泡聚苯乙烯和硅酸盐水泥，所述石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥中，发泡聚苯乙烯的填充率为70vol％，发泡聚苯乙烯的颗粒直径为6mm，石墨烯/钛酸钡复合粉体的体积含量为5％。
实施例3
一种石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥，包括石墨烯/钛酸钡复合粉体、发泡聚苯乙烯和硅酸盐水泥，所述石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥中，发泡聚苯乙烯的填充率为50vol％，发泡聚苯乙烯的颗粒直径为4mm，石墨烯/钛酸钡复合粉体的体积含量为3％。
本发明实施例1-3中，水泥中掺杂加入石墨烯/钛酸钡复合粉体和发泡聚苯乙烯，在8-18GHz的微波频段内，全频段达到-13.8dB以上的吸收，使得水泥的吸波性能增强。

Claims (3)

1.一种石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥，包括石墨烯/钛酸钡复合粉体、发泡聚苯乙烯和硅酸盐水泥，所述石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥中，发泡聚苯乙烯的填充率为40-70vol％，发泡聚苯乙烯的颗粒直径为2-6mm，石墨烯/钛酸钡复合粉体的体积含量为2-5％，石墨烯：钛酸钡质量比为2:1-1:2。
2.如权利要求1所述的石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥，其特征在于，所述发泡聚苯乙烯经过表面改性，改性方法如下：
(1)将EPS表面用无机溶剂进行清洗，使EPS颗粒表面微溶；
(2)高分子粘结剂PVA用水稀释，搅拌均匀后倒入清洗过的EPS颗粒和偶联剂；
(3)浸渍晾干后得到所述表面改性的发泡聚苯乙烯。
3.如权利要求1或2所述的石墨烯/钛酸钡复合粉体改性的吸波水泥，所述石墨烯/钛酸钡粉体制备方法如下：
(1)在冰浴条件下，机械搅拌条件下，在98％浓硫酸中加入鳞片石墨粉，再加入占石墨粉50-80wt％的硝酸钠，和占石墨粉2-4倍重量的高锰酸钾，冰浴下反应30-120min；
(2)加热至30-40℃恒温4-5h，加入去离子水和双氧水，搅拌1-3h，加入5％浓度的HCl离心洗涤直至无硫酸根离子，干燥后得到氧化石墨烯；
(3)将所述的氧化石墨烯分散到无水乙醇溶液中，超声分散得到氧化石墨烯胶体溶液；
(4)将所述氧化石墨烯胶体溶液加热到65-75℃，搅拌下加入质量浓度为70-85％的水合肼，反应0.5-2小时后，按照石墨烯:钛酸钡质量比为2:1～1:2的比例，加入钛酸钡粉末，混合均匀；
(5)离心分离并洗涤，真空干燥得到石墨烯/钛酸钡粉体。
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