一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶及其制备方法

本发明属于气凝胶材料，具体涉及一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶及其制备方法。

背景技术：

1、气凝胶材料具有超低密度、超低导热率和超级隔音等优异特性，已经广泛应用于保温节能、隔音降噪减震和军事领域。

2、聚苯并噁嗪(polybenzoxazine，pbo)气凝胶是一类新型热固性材料，具有模量高、强度大、耐热好、吸水率低等独特的性能优势，在航天热防护、航空结构与阻燃、电子器件等领域应用前景广阔。

3、另一方面，当今日益严重的电磁污染、电磁防护问题使得性能优异电磁屏蔽材料的需求越发迫切。

4、一般来说，导电性越强的材料其电磁屏蔽性能也越强，是因为导电性越强的材料越容易在材料之间形成电回路，对电磁波产生吸收与反射，从而提高电磁屏蔽性能。

5、常见的电磁屏蔽材料存在一系列问题，比如重量问题，成本问题，二次电磁污染问题等，同时导电性和电子热导率都与材料内部的电子运动相关，会导致材料保温隔热能力差，加重电子元件损耗等一系问题。

6、当前报道的电磁屏蔽性能强的材料一般电阻率都较低。

技术实现思路

1、本申请提供了一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶的制备方法，利用该方法制备的新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶具有较高电阻率的同时具有较强的电磁屏蔽性能，突破了电/热导率与电磁屏蔽性能的矛盾，能极大地拓展在精密电子器件、航空航天和高速网络信号传输等领域的应用范围。

2、本发明的第一个目的在于公开了一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶。

3、本发明的第二个目的在于公开了一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶的制备方法。

4、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

5、一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶，其中：所述新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶由以下重量份的原料制备：双酚f型苯并噁嗪10-40份、n,n-二甲基甲酰胺50-200份、盐酸0.5-5份，其中盐酸的浓度为36％-38％。

6、所述新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶比表面积为5.38-24.811平方米每克，平均孔径为5.95-14.16纳米；电阻率为4.93-7.34欧姆·米，对8-12.4ghz电磁波的电磁屏蔽为28.05-77.51分贝。

7、一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶的制备方法，其中，所述制备方法包括以下步骤：

8、(1)、将双酚f型苯并噁嗪溶于n,n-二甲基甲酰胺中并进行加热，得到双酚f溶液；将盐酸加入到n,n-二甲基甲酰胺中得到酸催化溶液；将双酚f溶液与酸催化溶液混合并搅拌，得到聚苯并噁嗪溶液；

9、(2)、将步骤(1)所得的聚苯并噁嗪溶液放入模具之中，形成湿凝胶；

10、(3)、将步骤(2)所得的湿凝胶进行老化，老化后常压干燥24小时；

11、(4)、将步骤(3)所得的老化的湿凝胶用n,n-二甲基甲酰胺清洗，得到湿导电凝胶；

12、(5)、将步骤(4)所得的湿导电凝胶常温常压干燥，干燥时间为24-48小时，得到具有导电性和电磁屏蔽性能的新型聚苯并噁嗪气凝胶；

13、(6)、将步骤(5)所得的聚苯并噁嗪气凝胶于氩气环境中加热升温到800℃，升温速率为5摄氏度/分钟，升温到800℃之后保温6小时，然后随炉冷却，加热及随炉冷却期间保证氩气流速大于50毫升/分钟，待其冷却后得到新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶。

14、上述技术方案所述的一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶的制备方法，其中：步骤(1)中，以重量份计，双酚f型苯并噁嗪为10-40份、n,n-二甲基甲酰胺为50-200份、盐酸为0.5-5份，盐酸的浓度为36％-38％。

15、上述技术方案所述的一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶的制备方法，以重量份计，其中：步骤(1)中，将10-30份双酚f型苯并噁嗪置入20-40份n,n-二甲基甲酰胺中，并在加热箱中于80℃加热12小时，待其冷却到室温得到双酚f溶液；将2-5份浓盐酸加入到20-40份n,n-二甲基甲酰胺中均匀搅拌得到酸催化溶液；将酸催化溶液加入到双酚f溶液中快速搅拌30s，得到聚苯并噁嗪溶液。

16、上述技术方案所述的一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶的制备方法，其中：步骤(2)中，凝胶时间大于15分钟。

17、上述技术方案所述的一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶的制备方法，其中：步骤(3)中，老化环境为常温常压；老化时间为12-24小时。

18、上述技术方案所述的一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶的制备方法，其中：步骤(4)中，将湿凝胶用n,n-二甲基甲酰胺清洗1-3次，每次清洗时间为10-20小时。

19、由上述技术方案所述制备方法制备得到的新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶。

20、上述技术方案所述的新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶，其中：新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶的比表面积为5.38-24.811平方米每克，平均孔径为5.95-14.16纳米；电阻率为4.93-7.34欧姆·米，对8-12.4ghz电磁波的电磁屏蔽为28.05-77.51分贝。

21、本发明具有以下有益效果：

22、1、本发明的新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶，以双酚f型苯并噁嗪单体为原料，可通过酸催化聚合，常压干燥制备，该气凝胶的制备方法简单，制得的气凝胶具有优异的电磁屏蔽性能。

23、2、本发明步骤(4)的清洗过程中采用n,n-二甲基甲酰胺溶液，使湿凝胶的反应更加充分，并加固刚形成的苯并噁嗪骨架结构；并将杂质去除，强化凝胶的网状结构，易于凝胶干燥，使该凝胶具有较好的电磁屏蔽性能。

24、3、本发明与其他电磁屏蔽材料相比，具有较强的电磁屏蔽性能、更高的电阻率和较差的导电性。

25、4、本发明制得的新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶相较于其他聚苯并噁嗪气凝胶，拥有更小的比表面积与更小的平均孔径，这种多孔网络结构特征增强了对电磁波的反射与散射，使其电磁屏蔽效果更强。

26、5、本发明步骤(6)增加了碳化步骤，碳化后材料本身导电性增强，更容易在材料内部形成电回路加强对电磁波的反射，进一步加强了电磁屏蔽能力。

技术特征：

1.一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶，其特征在于：所述新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶由以下重量份的原料制备：双酚f型苯并噁嗪10-40份、n,n-二甲基甲酰胺50-200份、盐酸0.5-5份，其中盐酸的浓度为36％-38％。

2.一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，以重量份计，双酚f型苯并噁嗪为10-40份、n,n-二甲基甲酰胺为50-200份、盐酸为0.5-5份，盐酸的浓度为36％-38％。

4.根据权利要求2所述的一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶的制备方法，以重量份计，其特征在于：步骤(1)中，将10-30份双酚f型苯并噁嗪置入20-40份n,n-二甲基甲酰胺中，并在加热箱中于80℃加热12小时，待其冷却到室温得到双酚f溶液；将2-5份浓盐酸加入到20-40份n,n-二甲基甲酰胺中均匀搅拌得到酸催化溶液；将酸催化溶液加入到双酚f溶液中快速搅拌30s，得到聚苯并噁嗪溶液。

5.根据权利要求2所述的一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，凝胶时间大于15分钟。

6.根据权利要求2所述的一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，老化环境为常温常压；老化时间为12-24小时。

7.根据权利要求2所述的一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，将湿凝胶用n,n-二甲基甲酰胺清洗1-3次，每次清洗时间为10-20小时。

8.由权利要求2-7所述制备方法制备得到的新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶。

9.权利要求8所述的新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶，其特征在于：新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶的比表面积为5.38-24.811平方米每克，平均孔径为5.95-14.16纳米；电阻率为4.93-7.34欧姆·米，对8-12.4ghz电磁波的电磁屏蔽为28.05-77.51分贝。

技术总结
本发明公开了一种新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶及其制备方法，该新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶是由新型聚苯并噁嗪气凝胶经过碳化制成，属于气凝胶材料技术领域。制备方法包括：制备聚苯并噁嗪溶液；将聚苯并噁嗪溶液放入模具之中，形成湿凝胶；湿凝胶进行老化，老化后常压干燥24小时；老化的湿凝胶用N,N‑二甲基甲酰胺清洗，得到湿导电凝胶；湿凝胶常温常压干燥进行干燥处理，得到新型聚苯并噁嗪气凝胶；聚苯并噁嗪气凝胶于氩气环境中在800℃下保温6小时进行碳化，然后随炉冷却，待其冷却后得到新型碳化聚苯并噁嗪气凝胶。本发明的优点：以双酚F型苯并噁嗪单体为原料，通过酸催化聚合、常压干燥制备，制备方法简单；与其他气凝胶材料相比，本发明的气凝胶具有优异的电磁屏蔽性能、较高的电阻率。

技术研发人员：秦国强
受保护的技术使用者：石家庄铁道大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/13