聚苯胺与磁铁矿核壳结构杂化材料的制备及其微波吸收性能

摘要

在本研究中，聚苯胺和铁_3.O₄(PAN@Fe_3.O₄)制备了杂化材料，并对其微波吸收性能进行了研究。PAN@Fe_3.O₄采用原位苯胺聚合法，在铁球表面制备了杂化材料_3.O₄它是通过溶剂热法制备的。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)确定了所制备的PAN@Fe的组成_3.O₄混合动力车。PAN@Fe的形态_3.O₄利用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对杂交种进行了研究。聚合物中聚苯胺的含量PAN@Fe_3.O₄杂交种的计算通过热重分析(TGA)。PAN@Fe的磁性_3.O₄采用振动样品磁强计(VSM)进行表征。PAN@Fe的微波吸收性能_3.O₄混合态是在矢量网络分析仪上测量的。研究表明，所得的PAN@Fe具有良好的微波吸收性能_3.O₄杂化物可以通过控制原位苯胺聚合在铁球上进行调节_3.O₄．

1.导言

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烈的微波吸收，表现为反射损耗[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]优异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。通过使用磁性材料，如磁性氧化铁，可以很容易地实现磁耗散。因此，磁铁矿主要用作微波吸收材料[12，13]介电损耗可通过引入介电材料和/或导电材料来实现[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]，以及聚苯胺和聚噻吩等导电聚合物[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，PAN为介电耗散部分，可以得到PAN和磁铁矿杂化材料作为微波吸收材料。但由于磁铁矿的无机部分和PAN的有机部分的存在，两者之间的相容性也存在问题。为了解决这一问题，可以设想含有磁铁矿核和PAN壳的核壳结构混合材料。

在本研究中，我们制作了混合动力车PAN@Fe_3.O₄通过原位聚苯胺在铁的球形上_3.O₄它是通过溶剂热法制备的。的PAN@Fe_3.O₄通过XPS、XRD、TGA、SEM、TEM、FTIR和VSM对杂化材料进行了表征，并对其微波吸收性能进行了测试PAN@Fe_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%)，FeCl_3.h·6₂O(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_3.O₄

在以前的文献中，磁铁矿是通过溶剂热法制备的[8］．FeCl_3.h·6₂O (10.0 g)和聚乙二醇2000 (3.7 g)在室温下与160 ml乙二醇混合，然后加入三水合乙酸钠(27.0 g)。该体系通过机械搅拌和超声混合40分钟，形成橙色溶液。然后，将上述配制的混合物倒入高压釜中;整个系统在180°C加热12 h，冷却至rt。产物用磁体分离，用纯化水和乙醇分别纯化3-5次。最后，产品在70℃真空干燥8 h。

2．3.聚苯胺和铁的制备_3.O₄(PAN@Fe_3.O₄)杂种

聚苯胺和铁_3.O₄(PAN@Fe_3.O₄)，通过原位聚苯胺法制备了杂化产物_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 Fe_3.O₄分散在100个地方 在SDBS（25）的帮助下，使用ml去离子水 mg）和机械搅拌。之后，系统通过冰在0–5°C下冷却。当时，苯胺（0.25 ml），溶于0.1 摩尔/升盐酸（50 在0–5°C下通过另一个冰系统冷却。冷却的苯胺溶液与铁混合_3.O₄在冰浴中通过剧烈机械搅拌进行分散。硫酸铵（2.5 g） 在25年内解散 在第三个冰浴中，在0–5°C温度下加入1毫升纯化水。冷却后，将硫酸铵逐滴放入铁中_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名为PAN@Fe的混合动力车_3.O₄1, PAN@Fe_3.O₄2, PAN@Fe_3.O₄3准备。

２.４.描述

PAN@Fe的结构_3.O₄用XRD (Rigaku RINT 2400)和XPS (PHI-5300 ESCA)对杂化材料进行了表征。利用FTIR (8000S)表征了PAN@Fe_3.O₄混合动力车。在PAN@Fe_3.O₄用TGA (Q50)计算。PAN@Fe的形态_3.O₄利用扫描电镜（JSM-6490LV）和透射电镜（H600）对杂交种进行了研究。磁性PAN@Fe_3.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与蜡的质量比为3:1的杂种。

3.结果与讨论

在这项研究中，聚苯胺和铁_3.O₄(PAN@Fe_3.O₄)杂化材料的制备及其微波吸收性能的研究。的PAN@Fe_3.O₄采用原位聚苯胺法制备了铁的球形杂化材料_3.O₄它是通过溶剂热法制备的[8].图1显示了PAN、Fe的红外光谱_3.O₄，以及PAN@Fe_3.O₄1;与Fe相比较_3.O₄的FTIR曲线_3.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］．另外，峰值在588厘米处⁻¹(Fe- o)在铁的光谱曲线上被观察到_3.O₄和PAN@Fe_3.O₄－1.

XPS还用于表征所得到的PAN@Fe的组成_3.O₄混合动力车。数字2(一个)显示了Fe的XPS谱_3.O₄和PAN@Fe_3.O₄－1.在Fe的光谱上_3.O₄，峰值为534 eV和716 eV对应于O1s和Fe2p，而峰值为287 eV是由溶剂热过程中使用的乙二醇和聚乙二醇2000中的C1s产生的。Fe2p峰在711处可分为两个峰 eV和725 来自Fe2p1/2和Fe2p3/2的eV，如图所示2 (b)；这证实了Fe的存在_3.O₄．相比之下，PAN@Fe的XPS光谱_3.O₄-1显示405处的新峰值 eV，这归因于聚苯胺在球形PAN@Fe_3.O₄－1.红外光谱和XPS证实了聚苯胺和铁的制备_3.O₄混合动力汽车(7］．

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.显示制备样品的XRD曲线。如图所示，在铁的曲线上观察到30°、35°、43°、54°、57°和63°处的六个峰，它们与磁铁矿标准XRD（JCPDS文件号19-0629）的（220）、（311）、（400）、（422）、（511）和（440）平面非常匹配_3.O₄．PAN曲线在20°处有一个宽峰。PAN@Fe_3.O₄-1表示PAN和Fe的结合峰_3.O₄，表明PAN和Fe的组成_3.O₄在PAN@Fe_3.O₄-1.其他样品也显示出类似的XRD图谱，证实了Fe_3.O₄在PAN@Fe_3.O₄混合动力汽车(22］．

对PAN@Fe的成分进行表征后_3.O₄通过扫描电镜和透射电镜对其微观形貌进行了研究。数字4显示了Fe的SEM显微图像_3.O₄和PAN@Fe_3.O₄－1.如图所示，Fe_3.O₄展品光滑的表面。此外，反常的纳米颗粒，包括球，半球，碗，和开放的球为铁观察_3.O₄．而对于PAN@Fe_3.O₄-1时，表面变粗，表明聚苯胺的存在。更重要的是，PAN@Fe的形状_3.O₄-1变成了规则的球体。PAN@Fe的结构变化_3.O₄1从铁_3.O₄表示核壳结构粒子的形成。

数字5显示了铁的TEM显微图像_3.O₄和PAN@Fe_3.O₄－1.与SEM显微图像相似，TEM显微图像显示了铁的微观结构_3.O₄显示出不规则的纳米颗粒形状。此外，很明显，Fe_3.O₄显示了空心结构。至于PAN@Fe_3.O₄-1时，可以在球形的纳米粒子上观察到壳层。更重要的是，铁的中空结构似乎是_3.O₄被苯胺聚合后的物质填充。SEM和TEM结果均表明了PAN@Fe的核壳结构_3.O₄－1.

确认后制作PAN@Fe_3.O₄在PAN@Fe_3.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@Fe_3.O₄1, PAN@Fe_3.O₄2, PAN@Fe_3.O₄-3.Fe_3.O₄当温度达到600°C时，重量仅减少2%，这是可以忽略的。至于PAN@Fe_3.O₄结果表明，由于聚苯胺的分解，聚苯胺的重量明显下降。剩余质量PAN@Fe_3.O₄1, PAN@Fe_3.O₄2, PAN@Fe_3.O₄-3分别为90%、84%和77%。热重分析结果表明，聚苯胺的含量PAN@Fe_3.O₄1, PAN@Fe_3.O₄2, PAN@Fe_3.O₄-3分别是10 wt%， 16 wt%和23 wt%。

磁性PAN@Fe_3.O₄采用VSM对复合材料进行了研究。数字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。PAN@Fe的饱和磁化强度_3.O₄1, PAN@Fe_3.O₄2, PAN@Fe_3.O₄-3分别为75.3、58.9和42.1 emu/g。

通过PAN@Fe的制备和表征_3.O₄研究了杂化材料的微波吸收性能。介电常数(= +  ）以及渗透性(= +  ）在0.5-18 GHz范围内测量了Fe_3.O₄和PAN@Fe_3.O₄混合动力车。利用得到的介电常数和磁导率，PAN@Fe_3.O₄利用传输线理论计算了杂合子的微波吸收特性[23，24].图8(一个)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大于−20 dB时，不能直接使用。

数据8 (b)和8（c）显示的RLPAN@Fe_3.O₄1和PAN@Fe_3.O₄2。结果显示了PAN@Fe的RL_3.O₄1和PAN@Fe_3.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。而对于PAN@Fe_3.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RL_3.O₄-3低至−29.3 dB。PAN@Fe的低反射损耗_3.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，控制苯胺在球形铁上的原位聚合_3.O₄可调节所获得材料的微波吸收性能PAN@Fe_3.O₄混合动力车。

4.结论

综上所述，一系列聚苯胺和铁_3.O₄(PAN@Fe_3.O₄)，研究其微波吸收特性。PAN@Fe_3.O₄在Fe_3.O₄FTIR、XPS和XRD测量表明聚苯胺和铁的组成_3.O₄在准备好的PAN@Fe_3.O₄混合动力车。SEM和TEM显微图像显示了PAN@Fe的核壳结构_3.O₄TGA结果表明，聚苯胺的含量PAN@Fe_3.O₄1, PAN@Fe_3.O₄2, PAN@Fe_3.O₄-3分别是10 wt%， 16 wt%和23 wt%。PAN@Fe的饱和磁化_3.O₄随杂种PAN含量的增加而降低。PAN@Fe的最小反射损耗_3.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@Fe_3.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

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

感谢国家自然科学基金(20176169)的资助。

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