IJPS 国际高分子科学杂志 1687-9430 1687 - 9422 印地语 10.1155/2018/3417060 3417060 研究文章 聚苯胺-磁铁矿核壳结构杂化材料的制备及微波吸收性能 http://orcid.org/0000-0002-7427-0586 张 宣 熊 致远 化学工程系 西北大学 中国 nwu.edu.cn 2018 24 10 2018 2018 29 06 2018 07 08 2018 09 08 2018 24 10 2018 2018 版权所有©2018张萱。 这是一篇根据知识共享署名许可证发布的开放获取文章，允许在任何媒体中不受限制地使用、分发和复制，前提是原创作品被正确引用。

在本研究中，聚苯胺和铁3.O4(PAN@Fe3.O4)杂化材料的制备及其微波吸收性能的研究。PAN@Fe3.O4采用原位聚合法制备了铁杂化体系3.O4采用溶剂热法制备，采用傅里叶变换红外分光光度计（FTIR）、X射线衍射仪（XRD）和X射线光电子能谱仪（XPS）对所制备的材料进行了成分分析PAN@Fe3.O4杂交种的形态PAN@Fe3.O4利用扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）对杂化产物进行了研究，测定了杂化产物中聚苯胺的含量PAN@Fe3.O4通过热重分析（TGA）计算了杂化物的磁性能PAN@Fe3.O4利用振动样品磁强计（VSM）对杂化材料进行了表征。杂化材料的微波吸收特性PAN@Fe3.O4混合在矢量网络分析仪上进行测量。研究表明，该材料具有良好的微波吸收性能PAN@Fe3.O4杂化产物可以通过控制铁在球形上的原位聚合来调节3.O4．

 中国国家自然科学基金 20176169 1.介绍

随着电子设备的广泛使用，包括个人电脑、手机、微波炉和其他军事设备和/或太空设备，微波已经成为对我们健康的新污染[ 1- - - - - - 6]解决这一问题的有效途径是开发新型微波吸收材料[ 7， 8］．微波吸收材料的基本要求是表现出强的微波吸收，以反射损耗为代表[ 9］．通常微波吸收材料是对入射微波的耗散，其中包括介电耗散和磁耗散[ 10， 11]优秀的微波吸收材料还表现出介电损耗和磁损耗之间的兼容性。磁损耗可以通过使用磁性材料（如磁性氧化铁）轻松实现。因此，磁铁矿主要用作微波吸收材料[ 12， 13］．介质耗散可以通过引入介质材料和/或导电材料[ 14， 15］．其中包括酞菁铜及其衍生物[ 16]碳材料包括碳纳米管[ 17]、炭黑和石墨烯[ 18]，以及导电聚合物，如聚苯胺和聚噻吩[ 19］．结合低密度和优良导电性的导电聚合物在研究和实际应用中都引起了广泛的关注。在导电聚合物中，聚苯胺(PAN)掺杂后表现出优异的导电性。到目前为止，PAN已被用于与聚乙烯、聚偏氟乙烯、石墨烯、碳纳米管等复合材料的制备[ 20， 21］．

以磁铁矿为磁耗散部分，聚苯胺为介电耗散部分，可以得到聚苯胺和磁铁矿杂化材料作为微波吸收材料。然而，另一个问题是由于磁铁矿的无机部分和聚丙烯腈的有机部分，它们之间的相容性。为了解决这一问题，可以设想磁铁矿核和聚壳的核壳结构混合体。

在本研究中，我们制作了混合动力车PAN@Fe3.O4采用原位苯胺聚合法，在铁球表面进行聚合3.O4它是通过溶剂热法制备的。的PAN@Fe3.O4通过XPS、XRD、TGA、SEM、TEM、FTIR和VSM等手段对杂化产物进行了表征。然后，对所制备的PAN@Fe的微波吸收性能进行了测试3.O4对杂交种进行了详细的研究。

 2.实验部分 2.1. 材料

乙二醇（99%），氯化铁3.·6H2O(99%)、聚乙二醇2000(99%)购于中国成都科龙试剂。十二烷基苯磺酸钠(SDBS, 99%)、盐酸(37%)、硫酸铵(98%)、苯胺(99%)购于中国成都长征试剂。其他化学品和试剂均为商业产品，所有这些产品均按收到的情况使用。

 2．2.制备铁<子> 3 < /子> O <子> 4子> < /

在以前的文献中，磁铁矿是通过溶剂热法制造的[ 8].FeCl3.·6H2O（10.0 g） 和聚乙二醇2000(3.7) g） 混合了160种 在室温下加入1毫升乙二醇，然后加入三水合醋酸钠（27.0 g） 该系统通过机械搅拌和超声波处理混合40分钟 然后，将上述制备的混合物倒入高压釜中；整个系统在180°C下加热12分钟 h、 然后将其冷却至RT。产品通过磁铁分离，并分别用纯化水和乙醇纯化3-5次。最后，产品在70°C的真空下干燥8小时 H

 2．3.聚苯胺与Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub> (PAN@Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>)杂化的制备

聚苯胺与铁3.O4(PAN@Fe3.O4)采用原位苯胺聚合法，在铁球表面制备了杂化材料3.O4硫酸铵的存在。随着苯胺与硫酸铵、聚苯胺与铁的用量的变化3.O4得到了不同聚苯胺含量的杂化产物。典型操作步骤如下:0.25 g Fe3.O4在SDBS (25 mg)和机械搅拌的帮助下，分散在100ml去离子水中。之后，系统通过冰冷却在0-5°C。同时，溶解在0.1 mol/l HCl (50 ml)中的苯胺(0.25 ml)也通过另一个冰系统在0-5°C下冷却。将冷却后的苯胺溶液与铁混合3.O4在冰浴中以强烈的机械搅拌分散。将硫酸铵(2.5 g)在0-5°C的条件下溶于25 ml纯净水中，置于第三个冰浴中。冷却后，硫酸铵滴入铁中3.O4和苯胺混合物。聚合反应持续至少12 h。在本研究中，三聚苯胺和铁3.O4杂交种命名为PAN@Fe3.O4-1, PAN@Fe3.O4-二,及PAN@Fe3.O43准备。

 ２.４.描述

PAN@Fe的结构3.O4通过XRD（Rigaku RINT 2400）和XPS（PHI-5300 ESCA）对杂化材料进行了表征。还利用FTIR（8000S）对样品进行了表征PAN@Fe3.O4混合动力车。在PAN@Fe3.O4用TGA（Q50）计算杂种优势。晶体的形态PAN@Fe3.O4利用SEM (JSM-6490LV)和TEM (H600)对杂交体进行了研究。磁性PAN@Fe3.O4杂交体采用VSM (BHV-525)进行研究。PAN@Fe的电磁特性3.O4在0.5-18 GHz的矢量网络分析仪(8720ET)上进行了混合测试。通过混合PAN@Fe制备样品3.O4蜡质量比为3的杂交种 : 1.

 3.结果和讨论

在研究中，聚苯胺和铁3.O4(PAN@Fe3.O4)杂化材料的制备及其微波吸收性能的研究。的PAN@Fe3.O4杂化材料是通过在铁的球形表面原位聚合苯胺制备的3.O4由溶剂热法制备[ 8］．数字 1显示了PAN、Fe的FTIR光谱3.O4，以及PAN@Fe3.O4-1; 与铁相比3.O4的红外光谱曲线PAN@Fe3.O4-1在3430 cm处有额外的吸收峰−1（N-H）、1585和1496 厘米−1(苯环)，和1189厘米−1(AR-N)，表明体系中存在聚苯胺[ 19].此外，峰值为588 厘米−1在Fe的光谱曲线上观察到（Fe-O）3.O4和PAN@Fe3.O4－1.

PAN，Fe的FTIR光谱3.O4和PAN@Fe3.O4－1.

XPS也用于表征所获得的产物的组成PAN@Fe3.O4杂种。图形 2(一个)显示了铁的XPS光谱3.O4和PAN@Fe3.O4-1.关于铁的光谱3.O4其中534 eV和716 eV的峰对应O1s和Fe2p, 287 eV的峰是C1s的结果，C1s可能来自溶剂热过程中使用的乙二醇和聚乙二醇2000。Fe2p峰可分为711 eV和725 eV两个峰，分别来自Fe2p1/2和Fe2p3/2，如图所示 2 (b)；这证实了Fe的存在3.O4.相比之下，X射线光电子能谱PAN@Fe3.O4-1在405 eV处出现新的峰，这是由于在PAN@Fe球形处聚苯胺的N1s3.O4-1.FTIR和XPS均证实了聚苯胺和铁的制备3.O4杂种[ 7］．

Fe的XPS光谱3.O4和PAN@Fe3.O4-1（a）和Fe2p峰值（b）。

x射线衍射(XRD)是一种通过与标准卡比较XRD谱峰来确定制备的新型纳米复合材料组成的技术。数字 3.显示了制备样品的XRD曲线。从图中可以看出，在30°、35°、43°、54°、57°和63°有6个峰，与磁铁矿标准XRD (JCPDS文件19-0629)的(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)面吻合良好3.O4．PAN曲线在20°处有一个宽峰。PAN@Fe3.O4-1显示了PAN和Fe的结合峰3.O4，表示PAN和Fe的组成3.O4在里面PAN@Fe3.O4－1.其他样品也显示出类似的XRD谱图，证实了Fe3.O4在PAN@Fe3.O4杂种[ 22］．

Fe的XRD图谱3.O4, PAN@Fe3.O4-1, PAN@Fe3.O42, PAN@Fe3.O43,锅。

之后对其组成进行表征PAN@Fe3.O4通过扫描电镜和透射电镜对其微观形貌进行了研究 4显示了铁的SEM显微图像3.O4和PAN@Fe3.O4－1.如图所示，Fe3.O4表面光滑。此外，观察到异常的纳米颗粒，包括球形、半球形、碗状和开放球3.O4．而对于PAN@Fe3.O4-1，其表面变得粗糙，表明聚苯胺的存在。更重要的是，聚苯胺的形状PAN@Fe3.O4-1变成了规则的球体PAN@Fe3.O41从铁3.O4表明形成了核壳结构的粒子。

Fe的SEM显微图像3.O4和PAN@Fe3.O4－1.

数字 5显示了铁的TEM显微图像3.O4和PAN@Fe3.O4-1.与SEM显微图像类似，Fe的TEM显微图像3.O4显示出不规则的纳米颗粒形状。此外，很明显，Fe3.O4显示空心结构。至于PAN@Fe3.O4-1，在纳米颗粒的球形处可以观察到一个壳层。而且，似乎铁的中空结构3.O4苯胺聚合后填充物。SEM和TEM结果均表明了该聚合物的核壳结构PAN@Fe3.O4－1.

铁的TEM显微图像3.O4和PAN@Fe3.O4－1.

在确认制造后PAN@Fe3.O4杂化物中聚苯胺的含量PAN@Fe3.O4杂交种是通过TGA测量计算的。数字 6显示了Fe的TGA曲线3.O4, PAN@Fe3.O4-1, PAN@Fe3.O4-二,及PAN@Fe3.O43所示。菲3.O4当温度达到600°C时，重量仅减少2%，这是可以忽略不计的PAN@Fe3.O4杂化物，由于聚苯胺的分解，重量明显下降。PAN@Fe的剩余质量3.O4-1, PAN@Fe3.O4-二,及PAN@Fe3.O4-3分别是90%，84%和77%。TGA结果表明:PAN@Fe中聚苯胺的含量显著高于其他组分3.O4-1, PAN@Fe3.O4-二,及PAN@Fe3.O4-3分别是10 wt%， 16 wt%和23 wt%。

铁的TGA曲线3.O4（曲线1），PAN@Fe3.O4-1(曲线2)，PAN@Fe3.O4-2(曲线3)和PAN@Fe3.O4-3（曲线4）。

磁性PAN@Fe3.O4通过VSM对混杂复合材料进行了研究 7显示了样品的饱和磁化强度，表明了PAN@Fe的磁性3.O4混合动力车。结果表明，由于铁含量的降低，饱和磁化强度随聚苯胺含量的增加而减小3.O4有效地提高了磁性能。磁材料的饱和磁化强度PAN@Fe3.O4-1, PAN@Fe3.O4-二,及PAN@Fe3.O4-3分别为75.3、58.9和42.1 emu/g。

磁性材料的磁化曲线PAN@Fe3.O4-1, PAN@Fe3.O4-二,及PAN@Fe3.O43所示。

通过制备和表征PAN@Fe3.O4研究了杂化材料的微波吸收性能。介电常数( ε  =  ε ” + 我 ε ” )以及渗透性( μ  =  μ ” + j μ ” )在0.5 ~ 18 GHz范围内测定3.O4和PAN@Fe3.O4混合动力车。利用得到的介电常数和磁导率，PAN@Fe3.O4利用传输线理论计算了杂化材料的微波吸收特性[ 23， 24］．数字 8（a）表现出Fe的反射损耗(RL)3.O4；在1.0、1.5、2.0和2.5 mm时，最小RL分别为−15.3、−12.7、−15.5和−17.2 dB。通常情况下，−10 dB以下的反射损耗表示90%的微波能量被耗散，−20 dB以下的反射损耗表示99%的微波能量被耗散。为Fe的最小反射损耗3.O4高于−20 dB，它不够好，不能直接使用。

铁的反射损耗3.O4（a） ,，PAN@Fe3.O41 (b), PAN@Fe3.O4-2 (c)和PAN@Fe3.O43 (d)。

数字 8（b）和 8（c）显示PAN@Fe的RL3.O4-1及PAN@Fe3.O4-2.结果显示两种方法的RLPAN@Fe3.O4-1及PAN@Fe3.O4-2比Fe差3.O4这可能是由于铁与铁之间阻抗不匹配造成的3.O4和聚苯胺。而PAN@Fe3.O4-3时，获得了良好的微波吸收性能。从图中可以看出 8 (d)，为PAN@Fe的最小RL3.O4-3低至−29.3 dB。光纤的低反射损耗PAN@Fe3.O4-3是由于聚苯胺的含量变化，通过苯胺在球形铁上聚合而成3.O4因此，控制原位苯胺聚合在铁的球形位置3.O4能否调节所得PAN@Fe3.O4混合动力车。

 4.结论

综上所述，一系列聚苯胺和铁3.O4(PAN@Fe3.O4)制备杂化材料以研究其微波吸收性能。PAN@Fe3.O4采用原位苯胺聚合法，在铁球表面制备了一种新型的聚合物3.O4．红外光谱(FTIR)、XPS和x射线衍射(XRD)分析表明聚苯胺和铁的组成3.O4在准备的PAN@Fe3.O4SEM和TEM显微图像显示了核壳结构PAN@Fe3.O4混合动力车。TGA分析结果表明:PAN@Fe中聚苯胺的含量显著高于其他组分3.O4-1, PAN@Fe3.O4-二,及PAN@Fe3.O4-3分别是10 wt%， 16 wt%和23 wt%。PAN@Fe的饱和磁化3.O4随着PAN含量的增加，复合材料的最小反射损耗逐渐减小PAN@Fe3.O4-3低至−29.3 dB，明显优于其他样品。控制铁球上苯胺的原位聚合3.O4可以调节微波的吸收，获得最佳的微波吸收效果PAN@Fe3.O4混合动力车。

 数据可用性

用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。资助声明将在即将修订的版本中提供。

 的利益冲突

作者声明，本论文的发表不存在利益冲突。

 致谢

中国国家自然科学基金（20176169）的财政支持得到了充分肯定。

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