一種鐵磁性導(dǎo)電氣凝膠材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣凝膠材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鐵磁性導(dǎo)電氣凝膠材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氣凝膠是近年來(lái)興起的一種明星材料，其由于材料自身較高的孔隙率、比表面積，很低的表觀強(qiáng)度、密度及折射指數(shù)，在強(qiáng)激光研究靶材料、隔熱材料、儲(chǔ)能材料、催化材料、吸附材料、切倫科夫閾值探測(cè)器等領(lǐng)域表現(xiàn)出極佳應(yīng)用前景。在眾多氣凝膠材料中，功能化氣凝膠同時(shí)具有氣凝膠獨(dú)特的材料結(jié)構(gòu)和特別的功能(如導(dǎo)電性、磁性)備受人們青睞。
[0003]導(dǎo)電氣凝膠為一類具有較佳電導(dǎo)率的氣凝膠多孔材料，在超級(jí)電容器、鋰電池、傳感器、人造器官等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的導(dǎo)電氣凝膠主要是炭氣凝膠，經(jīng)間苯二酚-甲醛有機(jī)氣凝膠炭化而來(lái)，制備過(guò)程較為復(fù)雜且需使用大量有毒溶劑，難以規(guī)?；a(chǎn)。導(dǎo)電氣凝膠一直是氣凝膠領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，近來(lái)各種導(dǎo)電氣凝膠相繼出現(xiàn)，如石墨烯氣凝膠、碳納米管氣凝膠、導(dǎo)電聚合物氣凝膠、聚合物/導(dǎo)電粒子雜化氣凝膠。磁性氣凝膠是另一類較為常見(jiàn)的功能氣凝膠，在生物醫(yī)藥，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，智能響應(yīng)等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。已見(jiàn)報(bào)道的磁性氣凝膠一般通過(guò)磁性納米粒子(如Fe304、CoFe204、Ni)負(fù)載在常見(jiàn)氣凝膠(多為具有較大孔隙的纖維素、聚苯乙烯氣凝膠)的表面或骨架制備而來(lái)。
[0004]尤其需要注意的是，雖然導(dǎo)電氣凝膠或磁性氣凝膠已被廣泛研究，同時(shí)具有高導(dǎo)電性和磁性的氣凝膠材料卻鮮有報(bào)道。這是因?yàn)橥瑫r(shí)賦予氣凝膠材料高電導(dǎo)率和高磁導(dǎo)率對(duì)材料設(shè)計(jì)的要求是極其復(fù)雜和困難的。例如受限于制備方法，常見(jiàn)碳?xì)饽z材料負(fù)載的金屬粒子量極少(通常小于10wt%)，雖具有較佳導(dǎo)電性，磁性質(zhì)卻不理想。相比單功能氣凝膠材料，磁性導(dǎo)電氣凝膠將在智能響應(yīng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、儲(chǔ)能材料、電磁屏蔽等領(lǐng)域表型出明顯優(yōu)勢(shì)。例如，理想的電磁屏蔽材料不僅要求材料具有高的電導(dǎo)率，還要求其具有較高的磁導(dǎo)率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]作為各種廣泛且細(xì)致的研究和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，采用天然陰離子多糖聚合物和金屬鹽為原料制備的氣凝膠，具有較高的電導(dǎo)率、鐵磁性和比表面?；谶@種發(fā)現(xiàn)，完成了本發(fā)明。
[0006]本發(fā)明的一個(gè)目的是解決至少上述問(wèn)題和/或缺陷，并提供至少后面將說(shuō)明的優(yōu)點(diǎn)。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)，提供了一種鐵磁性導(dǎo)電氣凝膠的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0008]步驟一、分別配制質(zhì)量百分比濃度為0.8?1.2%的天然陰離子多糖聚合物溶液和質(zhì)量百分比濃度為1?10%的金屬鹽溶液；
[0009]步驟二、在攪拌狀態(tài)下，通過(guò)針筒直徑為0.5?1_的注射器將天然陰離子多糖聚合物溶液滴加至金屬鹽溶液中，攪拌反應(yīng)24小時(shí)，獲得水凝膠；所述天然陰離子多糖聚合物溶液與金屬鹽溶液的體積比為1:1?3 ;所述滴加的速度為5?10mL/min ;
[0010]步驟三、將得到的水凝膠干燥；
[0011]步驟四、將干燥后的氣凝膠在惰性氣體中炭化，炭化溫度為800-1100°C，炭化時(shí)間為0.5-5小時(shí)，得到鐵磁性導(dǎo)電氣凝膠。
[0012]優(yōu)選的是，所述天然陰離子多糖聚合物為水溶性海藻酸鹽、水溶性羥甲基纖維素鹽、低酯果膠中的一種或幾種的組合；所述水溶性海藻酸鹽為海藻酸鈉；所述水溶性羥甲基纖維素鹽為羥甲基纖維素鈉；所述低酯果膠的酯化度小于50%。
[0013]優(yōu)選的是，所述金屬鹽為水溶性多價(jià)金屬鹽，其中金屬離子為Ni2+、Co2\ Fe2\ Fe3+中的一種或幾種。
[0014]優(yōu)選的是，所述水溶性多價(jià)金屬鹽為硝酸鎳、硝酸鈷、硝酸鐵、硝酸亞鐵中的一種或幾種的組合。
[0015]優(yōu)選的是，所述干燥為超臨界干燥，在超臨界干燥前須將步驟一中得到的水凝膠依次用去離子水、乙醇濃度為10 %、30 %、50 %、70 %、90 %的乙醇/水溶液進(jìn)行浸泡洗滌，每次浸泡時(shí)間為15分鐘，將浸泡洗滌后的水凝膠加入裝有新鮮乙醇的容器中進(jìn)行溶劑交換，每天更換新鮮乙醇，持續(xù)5?8天，得到乙醇凝膠；然后將乙醇凝膠進(jìn)行超臨界干燥，超臨界干燥的溫度為45°C，干燥壓力為200Bar。
[0016]優(yōu)選的是，所述干燥為冷凍干燥，在冷凍干燥前須將步驟一中得到的水凝膠用去離子水進(jìn)行浸泡洗滌，每24h置換一次，共7次；所述冷凍干燥的溫度為-190?-200°C。
[0017]優(yōu)選的是，所述步驟一中，在所述金屬鹽溶液中施加超聲，所述超聲波的功率調(diào)節(jié)范圍在800?1200W，超聲頻率在25?35KHz。
[0018]優(yōu)選的是，所述炭化采用程序升溫，其過(guò)程為:將干燥后的氣凝膠放入程序控溫旋轉(zhuǎn)炭化爐中，從室溫升溫至100°C抽真空，保溫1.5h，然后以25mL/min的氣流速度通入惰性氣體，以2?3°C /min的速度升溫至150?200°C，保溫30?40min，然后以0.5?1°C /min的速度升溫至300?500°C，保溫60?90min，然后以3?5°C /min的速度升溫至800?1100°C，保溫2?4h，自然冷卻到室溫，得到鐵磁性導(dǎo)電氣凝膠；所述程序控溫旋轉(zhuǎn)炭化爐的旋轉(zhuǎn)速度為2?8r/min ;所述惰性氣體為高純氬氣或高純氮?dú)狻?br>[0019]本發(fā)明還提供一種由上述的制備方法制備的鐵磁性導(dǎo)電氣凝膠，所述鐵磁性導(dǎo)電氣凝膠中炭以氣凝膠重量計(jì)為15?75%，余量為金屬納米顆粒；所述鐵磁性導(dǎo)電氣凝膠的比表面積介于250-600g/m2，電導(dǎo)率介于l-10S/m，飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度介于5.0-45.6emu/g。
[0020]優(yōu)選的是，所述金屬納米顆粒為為N1、Co、Fe中的至少一種。
[0021]本發(fā)明至少包括以下有益效果:本發(fā)明首次提出一種鐵磁性導(dǎo)電氣凝膠及其制備方法，該類氣凝膠是由鐵磁性金屬納米粒子和炭構(gòu)成的多孔材料，鐵磁性金屬納米粒子均勻分布在多孔炭的骨架結(jié)構(gòu)中，賦予氣凝膠鐵磁性、導(dǎo)電性和高比表面積，其比表面積介于250-650g/m2,電導(dǎo)率介于l_12S/m，飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度介于5.0-55.6emu/g ;由于以上特性，該氣凝膠在導(dǎo)電、導(dǎo)磁、智能響應(yīng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、儲(chǔ)能材料、電磁屏蔽等領(lǐng)域具有較佳應(yīng)用前景；如作為電磁屏蔽材料，該氣凝膠表現(xiàn)出極高的屏蔽效能。
[0022]同時(shí)在本發(fā)明提供的氣凝膠材料的制備方法中，金屬離子通過(guò)物理交聯(lián)作用固定在天然陰離子多糖聚合物分子鏈間，導(dǎo)致最終獲得的氣凝膠材料的金屬粒子含量很高，卻不破壞氣凝膠的多孔性質(zhì)，解決了氣凝膠鐵磁性和導(dǎo)電性難以共存的難題。并且該氣凝膠材料的主要原料之一天然陰離子多糖聚合物，是一種可再生生物來(lái)源材料，所用原料來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，復(fù)合當(dāng)今綠色環(huán)保的要求。
[0023]本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過(guò)下面的說(shuō)明體現(xiàn)，部分還將通過(guò)對(duì)本發(fā)明的研究和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。
【附圖說(shuō)明】
:
[0024]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備N(xiāo)1-碳?xì)饽z的能量色散X射線光譜EDX譜圖；
[0025]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備N(xiāo)1-碳?xì)饽z的X射線衍射XRD譜圖；
[0026]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備的N1-碳?xì)饽z的掃描電鏡SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
:
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說(shuō)明書(shū)文字能夠據(jù)以實(shí)施。
[0028]應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術(shù)語(yǔ)并不配出一個(gè)或多個(gè)其它元件或其組合的存在或添加。
[0029]實(shí)施例1:
[0030]步驟一、將3.5g硝酸鎳和0.5g海藻酸鈉分別溶于50mL水溶液中；配制硝酸鎳和海藻酸鈉溶液；
[0031]步驟二、在攪拌狀態(tài)下，通過(guò)針筒直徑為0.8mm的注射器將海藻酸鈉溶液以5mL/min的速度滴加至硝酸鎳溶液中，攪拌反應(yīng)24小時(shí)，獲得水凝膠；
[0032]步驟三、將得到的水凝膠分別用去離子水、乙醇濃度為10 %、30 %、50 %、70 %、90%的乙醇/水溶液，進(jìn)行浸泡洗滌，每次浸泡時(shí)間為