一种生物质基碳化硅复合纤维及其制备方法和一种电磁吸收材料

本发明涉及碳纤维材料及其复合材料制备，具体是一种生物质基碳化硅复合纤维及其制备方法和一种电磁吸收材料。

背景技术：

1、碳纤维作为新型多功能纤维材料，其具有优异的力学和电学性能等优良特性都使得其在高性能复合材料和新型功能材料领域展现出了巨大的应用前景。碳纤维材料是典型的电导损耗材料在电磁波吸收领域具有广泛应用，为提升吸波性能，碳/碳化硅复合材料是一种潜在的复合吸波材料，具有化学稳定性好等优势，sic组分在复合纤维中的引入，sic与c的界面增多，界面极化损耗能力增强，复合材料的吸波性能显著提升。但是由于碳纤维原料的导电性较高容易产生阻抗失配现象引起电磁波的反射影响其电磁吸收性能。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种生物质基碳化硅复合纤维及其制备方法和一种电磁吸收材料，本发明提供的制备方法能够制备得到中空度高、质轻且比表面积大的生物质基碳化硅复合纤维，制备方法简单，过程易控制。

2、本发明提供了一种生物质基碳化硅复合纤维，包括中空碳纤维和复合在所述中空碳纤维的碳化硅；所述中空碳纤维为树棉纤维的碳化物。

3、本发明所述复合纤维包括中空碳纤维。具体而言，本发明所述中空碳纤维为树棉纤维的碳化物；所述中空碳纤维的中空度为85％～90％；所述中空碳纤维的纤维直径为10μm～15μm；所述中空碳纤维的碳壁厚度为500nm～1000nm。

4、树棉是在云南原始森林边缘偶然发现野生植物灌木纤维物种牛角瓜的果实经脱籽后产生的冠毛纤维，是继全球数千年来仅棉花一种植物纤维之后第二种一次性生成100％植物纤维。树棉具有远超棉花的自身优异特性，中空度高；比重是棉花纤维四分之一，可悬浮飘逸空中。树棉纤维作为生物质模板进行后续碳化处理即可获得中空碳管纤维，在碳化过程中树棉纤维中包括纤维素、半纤维素、木素、蜡状物以及少量灰分的成分将在高温碳化处理过程中裂解生成单质碳材料。在本发明的某些实施例中，所述树棉纤维的中空度为85％～90％；所述树棉纤维的纤维长度为31mm～35mm；所述树棉纤维的纤维细度，即纤维直径或截面面积大小，为16μm～28μm。

5、本发明所述复合纤维还包括复合在所述中空碳纤维的碳化硅。本发明所述碳化硅复合在所述中空碳纤维的内部和所述中空碳纤维的管壁。在本发明的某些实施例中，所述复合纤维还包括分散在所述中空碳纤维的内部的碳化硅纳米线和原位复合在所述中空碳纤维的管壁的碳化硅颗粒。

6、本发明提供的生物质基碳化硅复合纤维，采用树棉纤维的碳化物为中空碳纤维，利用了树棉纤维的空心质轻特性，在所述中空碳纤维上复合碳化硅；sic组分在复合纤维中的引入，使得sic与c的界面增多，界面极化损耗能力增强，复合材料的吸波性能显著提升，基于中空生物质纤维为模板制备的空心轻质多壁碳纳米管的缺陷和多孔结构也增强了体系的介电损耗性能，并且通过调节引入碳化硅组分的含量可以实现复合材料介电性能的调控，也进一步提高了复合材料的吸波性能。

7、本发明还提供了一种生物质基碳化硅复合纤维的制备方法，包括以下步骤：将中空碳纤维与硅源进行固相反应，得到生物质基碳化硅复合纤维；所述中空碳纤维为树棉纤维的碳化物。

8、本发明所述中空碳纤维为树棉纤维的碳化物。本发明选定具有独特的空心形貌的生物质纤维树棉纤维为原料，其中空度高，具有空心的轻质特性，以此为模板在惰性气体保护下即可进行碳化处理实现中空碳纤维的制备。具体而言，本发明将树棉纤维在惰性气体的保护下进行碳化处理，得到树棉纤维的碳化物，即上述中空碳纤维。在本发明的某些实施例中，所述树棉纤维的中空度为85％～90％；所述树棉纤维的纤维长度为31mm～35mm；所述树棉纤维的纤维直径为16μm～28μm。在本发明的某些实施例中，所述惰性气体为氮气，所述氮气的纯度为99.99％以上。在本发明的某些实施例中，所述碳化处理的温度为600℃～800℃，所述碳化处理的时间为1h～6h；所述碳化处理的升温速率为1℃/min～5℃/min，优选为1℃/min。在一个实施例中，所述碳化处理的温度为800℃，所述碳化处理的时间为2h，所述碳化处理的升温速率为2℃/min。

9、本发明制备出上述中空碳纤维后，以此为碳源进行碳热还原反应引入碳化硅相即可实现碳/碳化硅复合纤维的制备。本发明将上述中空碳纤维与硅源进行固相反应，得到生物质基碳化硅复合纤维。在本发明的某些实施例中，将上述中空碳纤维与硅源混合后在惰性保护气体氛围下高温烧结进行固相反应，得到生物质基碳化硅复合纤维；自然冷却至室温后即得到空心碳/碳化硅复合纤维。在本发明的某些实施例中，上述制得的中空碳纤维的中空度为85％～90％；所述中空碳纤维的纤维直径为10μm～15μm；所述中空碳纤维的碳壁厚度为500nm～1000nm。在本发明的某些实施例中，所述中空碳纤维和所述硅源的质量比为4～10：1，优选为6：1。在本发明的某些实施例中，所述硅源选自二氧化硅、硅粉、硅酸钠、正硅酸甲酯(tmos)和正硅酸乙酯(teos)中的至少一种。在一个实施例中，所述硅源选自摩尔比为1：1的二氧化硅和硅粉。

10、在一些实施例中，所述固相反应的温度为1000℃～1300℃，优选为1100℃；所述固相反应的时间为30min～180min，优选为2h；所述固相反应的升温速率为1℃/min～3℃/min，优选为2.5℃/min。在一些实施例中，所述惰性保护气体选自氦气或氩气中的至少一种，所述惰性保护气体的流速为10ml/min～20ml/min。在一个实施例中，所述惰性保护气体为氩气，所述惰性保护气体的流速为10ml/min。

11、本发明在将上述中空碳纤维与硅源进行固相反应之前，还包括将上述中空碳纤维进行催化处理。具体而言，本发明将上述中空碳纤维浸渍于催化剂溶液中进行催化处理；所述催化处理能够便于后续碳化硅的生成。在本发明的某些实施例中，所述催化处理的温度为30℃～80℃；所述催化处理的时间为0.5h～10h。在本发明的某些实施例中，所述催化处理在乙二胺四乙酸二钠、氯化钠、氟化钠、fecl3·6h2o和co(no3)2中的一种或多种溶液中进行。在一个实施例中，所述催化处理在浓度为0.02mol/l的乙二胺四乙酸二钠和0.2mol/l的fecl3·6h2o的混合溶液中进行。

12、本发明在将上述中空碳纤维与硅源进行上述催化处理之前，还包括将上述中空碳纤维进行前处理。本发明将上述中空碳纤维进行前处理，增加碳纤维表面的粗糙度以及官能团，能够便于后续催化剂的负载以及与硅源进行生成碳化硅的反应。在本发明的某些实施例中，所述前处理的温度为30℃～65℃；所述前处理的时间为0.5h～2h。在本发明的某些实施例中，所述前处理在氢氟酸、稀盐酸、稀硫酸、次氯酸、过氧化氢、氨水中的一种或几种中进行。在一些实施例中，本发明将上述中空碳纤维在氢氟酸、稀盐酸、稀硫酸、次氯酸、过氧化氢、氨水中的一种或几种中先后浸渍进行前处理。在一个实施例中，本发明将上述中空碳纤维在40wt％的氢氟酸中进行浸渍4h。

13、本发明还提供了一种电磁吸收材料，包括纤维材料和绝缘材料；所述纤维材料为上述的复合纤维或者上述的方法制备的复合纤维。

14、本发明提供了一种生物质基碳化硅复合纤维，包括中空碳纤维和复合在所述中空碳纤维的碳化硅；所述中空碳纤维为树棉纤维的碳化物。本发明提供的生物质基碳化硅复合纤维，选择具有独特的空心形貌的中空度较高，比表面积较大的生物质纤维树棉纤维为原料进行碳化处理后获得的中空碳纤维为碳源进行碳热还原反应引入碳化硅相实现碳/碳化硅复合纤维的制备，即生物质基碳化硅复合纤维的制备。碳化硅组分在催化剂的作用下可以穿梭在空心碳管的内部，增加复合材料的界面以及调节其介电常数，能够实现电磁吸收性能的优化，可以实现电化学方向的应用，提升树棉生物质纤维的经济附加值同时表现出多功能化应用。