專(zhuān)利名稱(chēng)：從農(nóng)業(yè)廢棄物微波復(fù)合制備SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化合物的制備方法，尤其涉及一種從農(nóng)業(yè)廢棄物微波復(fù)合制備SiC/ 羰基鐵納米復(fù)合材料及其方法。
背景技術(shù)：
農(nóng)業(yè)廢棄物是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工等過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物的總稱(chēng)，主要包括果殼果核、秸稈、稻殼、玉米芯、樹(shù)枝落葉和雜草等。農(nóng)業(yè)廢棄物數(shù)量巨大、可再生、再生周期短、可生物降解，并富含碳和硅元素，是重要的碳硅資源。目前農(nóng)業(yè)廢棄物的利用水平并不高，大部分被直接遺棄在田地中，形成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題。農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化和無(wú)害化是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。碳化硅(SiC)是一種重要的無(wú)機(jī)材料，其具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛地用作耐磨材料、耐高溫材料、吸波材料等。尤其在吸波材料領(lǐng)域中，由于碳化硅的電阻率可調(diào)，其即可在高電阻率條件下作為透波層，又可在低電阻率條件下作為損耗層，是一種應(yīng)用很廣的電損耗型吸收劑。此外，碳化硅在有色金屬冶煉工業(yè)、鋼鐵行業(yè)、冶金選礦行業(yè)、建材陶瓷和節(jié)能工業(yè)等領(lǐng)域都具有重要的用途。由于一般的碳化硅合成方法中溫度很高，對(duì)設(shè)備的要求較高，并增大了能源損耗，從而增加了碳化硅的生產(chǎn)成本。利用農(nóng)業(yè)廢棄物中富含的Si和C元素，通過(guò)加入金屬還原劑可以大幅降低碳化硅的合成溫度，并充分利用了農(nóng)業(yè)廢棄物，具有成本低廉、資源可持續(xù)利用等優(yōu)點(diǎn)。羰基鐵粉是通過(guò)CO與鐵在高溫高壓下反應(yīng)，生成五羰基鐵液體，再將液體低溫分解后獲得。在分解過(guò)程中，羰基鐵粉形成了洋蔥狀的特殊結(jié)構(gòu)，密度與純鐵大致相當(dāng)。目前羰基鐵粉主要用于粉末冶金、金剛石觸媒、營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)鐵和微波吸收等領(lǐng)域。尤其在微波吸收領(lǐng)域，羰基鐵粉的介電常數(shù)較低，復(fù)合磁導(dǎo)率較高，從而對(duì)入射電磁波具有優(yōu)異的吸收性能， 是一種高性能的電磁波吸收劑。由于SiC為電損耗型吸收劑，將SiC與五羰基鐵液體在微波中共同加熱，五羰基鐵將分解成為羰基鐵粉原位包覆在SiC表面，從而形成SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料，復(fù)合材料兼具了 SiC與羰基鐵的優(yōu)點(diǎn)，并具有多孔結(jié)構(gòu)，從而在輕質(zhì)吸收劑領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種從農(nóng)業(yè)廢棄物微波復(fù)合制備SiC/ 羰基鐵納米復(fù)合材料及其方法。從農(nóng)業(yè)廢棄物微波復(fù)合制備SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料是一種復(fù)合材料，包括核心層和包覆層，其中核心層為SiC，包覆層為羰基鐵微粒，羰基鐵微粒的粒徑在1 100 nm 之間。從農(nóng)業(yè)廢棄物微波復(fù)合制備SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料的方法的步驟如下
1)將100 g農(nóng)業(yè)廢棄物充分粉碎，放入400 1200 °C爐中隔絕空氣或在惰性氣體的保護(hù)下煅燒0. 5 8 h，或在1 5 L強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液中浸泡1 24 h，得到主要成分為SiO2 和C的硅碳粉；
2)將硅碳粉與2 10g金屬還原劑粉末充分混合，放入爐中，隔絕空氣或在惰性氣體的保護(hù)下500 800 °C煅燒0.5 12 h ；或?qū)⒐杼挤鄯湃霠t中，在隔絕空氣或在惰性氣 體的保護(hù)下1300 1800 0C煅燒1 24 h ；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到0.05 2 M的鹽酸溶液中，浸泡0. 5 4 h，離心分離，水洗，固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將2g多孔碳化硅粉末與1 10 mL五羰基鐵液體充分混合，放入微波爐中，在 300 2700 W微波功率下處理1 20 min。反應(yīng)結(jié)束后經(jīng)過(guò)濾、清洗、烘干后即得SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料。所述的農(nóng)業(yè)廢棄物是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工過(guò)程中形成的果殼果核、秸稈、稻殼、玉米芯、枯枝落葉或雜草，其主要成分為含硅有機(jī)物；所述的惰性氣體為高純氮?dú)?、二氧化碳或氬氣；所述的?qiáng)酸溶液為質(zhì)量濃度為25 98%的濃硫酸或質(zhì)量濃度為20 68%的濃硝酸溶液中的一種或兩種；所述的強(qiáng)堿溶液為摩爾濃度為0. 5 2 M的NaOH或KOH溶液中的一種或兩種；所述的金屬還原劑為單質(zhì)鎂粉或鋁粉中的一種或兩種。本發(fā)明提出的從農(nóng)業(yè)廢棄物微波復(fù)合制備SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料的方法充分利用了我們目前富余的且開(kāi)發(fā)利用水平較低的農(nóng)業(yè)廢棄物為原材料，來(lái)源廣泛、成本低廉； 所得材料具有納米多孔結(jié)構(gòu)以及較高的比表面積，兼具SiC的電損耗特性和羰基鐵的磁損耗特性，在吸波材料尤其是輕質(zhì)吸收劑領(lǐng)域具有潛在的用途。本發(fā)明提出的從農(nóng)業(yè)廢棄物微波復(fù)合制備SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料的方法，工藝流程簡(jiǎn)單，原材料成本低廉，材料性能優(yōu)異，是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)有效的利用農(nóng)業(yè)廢棄物資源及提升電磁波吸收劑性能的方法。
具體實(shí)施例方式從農(nóng)業(yè)廢棄物微波復(fù)合制備SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料的方法的步驟如下
1)將農(nóng)業(yè)廢棄物分解成為以SiO2和碳為主要成分的硅碳粉。分解的方法主要包括高溫?zé)峤夥ɑ蛩釅A處理法等。高溫?zé)峤夥閷⑥r(nóng)業(yè)廢棄物放入400 1200 °C爐中隔絕空氣或在惰性氣體的保護(hù)下煅燒0. 5 8 h，由于惰性氣體或隔絕空氣的保護(hù)作用，農(nóng)業(yè)廢棄物中的有機(jī)物將碳化，而SiO2得到保留。而酸堿處理法為將農(nóng)業(yè)廢棄物放入1 5 L強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液中浸泡1 24 h，由于強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的腐蝕作用，農(nóng)業(yè)廢棄物中的有機(jī)物將碳化，從而也得到主要成分為SiO2和C的硅碳粉。2)將硅碳粉與金屬還原劑粉末如金屬鎂粉或金屬鋁粉等充分混合?；旌衔镌诟艚^空氣或惰性氣體的保護(hù)下加熱到500 800 0C,反應(yīng)0. 5 12 h，金屬還原劑將使SiO2被還原為Si而與C反應(yīng)生成碳化硅，同時(shí)金屬還原劑被氧化為金屬氧化物。具體的反應(yīng)方程式如下
SiO2 + C + 2Mg — SiC + 2Mg0 3Si02 + 3C + 4A1 — 3SiC + 2A1203
或直接將硅碳粉在隔絕空氣或在惰性氣體的保護(hù)下1300 1800 °C煅燒1 24 h，在更高溫度的需求下，SiO2被C還原為碳化硅，反應(yīng)方程式如下 SiO2 + 3C — SiC+2C0隨后將反應(yīng)產(chǎn)物在0. 05 2 M的稀酸溶液中浸泡0. 5 4 h，金屬氧化物被酸溶成為金屬鹽溶液，金屬氧化物被酸溶后留下的空洞使得固相產(chǎn)物呈多孔分布。固相產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾烘干后即得到多孔碳化硅粉末。3)將2 g多孔碳化硅粉末與1 10 mL五羰基鐵液體充分混合，放入微波爐中， 在300 2700 W微波功率下處理1 20 min。由于從農(nóng)業(yè)廢棄物制備的SiC粉體呈多孔狀，具有較高的比表面積以及較強(qiáng)的吸附性能，五羰基鐵液體將被吸附在SiC粉體的表面； 此外，由于SiC是電損耗型吸收劑，可以通過(guò)電子極化、原子極化、電偶極子取向極化和界面極化等吸收電磁波尤其是微波；因此在微波爐中，SiC將成為微波吸收的中心從而被選擇性地快速加熱，吸附在SiC上的五羰基鐵將被迅速熱解(見(jiàn)如下方程式)成為羰基鐵納米微粒而包覆在SiC表面，從而得到SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料。Fe(CO)5 — Fe+5C0 個(gè)
下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例1:以稻殼為原料
1)將100g稻殼充分粉碎，放入400 °C爐中隔絕空氣煅燒8 h，得到主要成分為SW2 和C的硅碳粉；
2)將所得硅碳粉與10g金屬鎂粉充分混合，放入爐中，在高純氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下500 °(煅燒 12 h ；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到0.05 M的鹽酸溶液中，浸泡4 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗，固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將2g多孔碳化硅粉末與1 mL五羰基鐵液體充分混合，放入微波爐中，在300 W微波功率下處理20 min。反應(yīng)結(jié)束后即得SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料。實(shí)施例2:以稻稈為原料
1)將100g稻稈充分粉碎，放入1200 °(爐中在高純氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下煅燒0.5 h，得到主要成分為SiA和C的硅碳粉；
2)將所得硅碳粉與2g金屬鋁粉充分混合，放入爐中，隔絕空氣800 °C煅燒0.5 h；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到2M的鹽酸溶液中，浸泡0. 5 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗，固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將2g多孔碳化硅粉末與10 mL五羰基鐵液體充分混合，放入微波爐中，在2700 W 微波功率下處理1 min。反應(yīng)結(jié)束后即得SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料。實(shí)施例3:以麥麩為原料
1)將100g麥麩充分粉碎，在1 L 25%的濃硫酸中浸泡M h，得到主要成分為SiO2和 C的硅碳粉；
2)將所得硅碳粉與5g金屬鎂粉充分混合，放入爐中，在高純氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下700 °(煅燒3 h ；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到0.2 M的鹽酸溶液中，浸泡2 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗，固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將2g多孔碳化硅粉末與2 mL五羰基鐵液體充分混合，放入微波爐中，在1500 W微波功率下處理3 min。反應(yīng)結(jié)束后即得SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料。實(shí)施例4:以玉米秸稈為原料1)將100g玉米秸稈充分粉碎，在5 L 68%的濃硝酸中浸泡1 h，得到主要成分為SiO2 和C的硅碳粉；
2)將所得硅碳粉與7g金屬鋁粉充分混合，放入爐中，隔絕空氣600 °C煅燒8 h；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到0.5 M的鹽酸溶液中，浸泡1 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗，固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將2g多孔碳化硅粉末與3 mL五羰基鐵液體充分混合，放入微波爐中，在1200 W微波功率下處理4 min0反應(yīng)結(jié)束后即得SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料。實(shí)施例5:以玉米芯為原料
1)將100g玉米芯充分粉碎，在5 L 0.5 M的NaOH溶液中浸泡24 h，得到主要成分為 SiO2和C的硅碳粉；
2)將硅碳粉隔絕空氣1300°C煅燒24 h ；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到1M的鹽酸溶液中，浸泡2 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗，固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將2g多孔碳化硅粉末與4 mL五羰基鐵液體充分混合，放入微波爐中，在1800 W微波功率下處理2 min0反應(yīng)結(jié)束后即得SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料。實(shí)施例6:以麥稈為原料
1)將100g麥稈充分粉碎，在1 L 2 M的KOH溶液中浸泡1 h，得到主要成分為SiO2和 C的硅碳粉；
2)將硅碳粉在高純氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下1800°C煅燒1 h ；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到1.5 M的鹽酸溶液中，浸泡0. 6 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗， 固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將2g多孔碳化硅粉末與5 mL五羰基鐵液體充分混合，放入微波爐中，在900 W微波功率下處理6 min0反應(yīng)結(jié)束后即得SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料。實(shí)施例7 以果殼為原料
1)將100g果殼充分粉碎，在5 L 25%的濃硫酸溶液中浸泡18 h，得到主要成分為SiO2 和C的硅碳粉；
2)將硅碳粉在氬氣的保護(hù)下1500°C煅燒12 h ；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到0.25 M的鹽酸溶液中，浸泡4 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗，固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將2g多孔碳化硅粉末與6 mL五羰基鐵液體充分混合，放入微波爐中，在750 W微波功率下處理8 min0反應(yīng)結(jié)束后即得SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料。實(shí)施例8 以雜草為原料
1)將100g雜草充分粉碎，在1 L 68%的濃硝酸中浸泡2 h，得到主要成分為SiO2和C 的硅碳粉；
2)將硅碳粉在二氧化碳的保護(hù)下1700°C煅燒3 h ；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到0.7 M的鹽酸溶液中，浸泡2. 5 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗， 固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將2g多孔碳化硅粉 末與7 mL五羰基鐵液體充分混合，放入微波爐中，在600 W微波功率下處理12 min。反應(yīng)結(jié)束后即得SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料。
實(shí)施例9 以落葉為原料
1)將100g落葉充分粉碎，在1 L 2 M的NaOH溶液中浸泡12 h，得到主要成分為SW2 和C的硅碳粉；
2)將所得硅碳粉與3g金屬鎂粉充分混合，放入爐中，在高純氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下550 °(煅燒9 h ；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到1.2 M的鹽酸溶液中，浸泡3. 5 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗， 固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將2g多孔碳化硅粉末與8 mL五羰基鐵液體充分混合，放入微波爐中，在450 W微波功率下處理15 min。反應(yīng)結(jié)束后即得SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.從農(nóng)業(yè)廢棄物微波復(fù)合制備SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料，其特征在于它是一種復(fù)合材料，包括核心層和包覆層，其中核心層為SiC，包覆層為羰基鐵微粒，羰基鐵微粒的粒徑在 1 100 nm之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種從農(nóng)業(yè)廢棄物制備的SiC/磁性金屬納米輕質(zhì)復(fù)合材料， 其特征在于所述的農(nóng)業(yè)廢棄物是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工過(guò)程中形成的果殼果核、秸稈、 稻殼、玉米芯、枯枝落葉或雜草，其主要成分為含硅有機(jī)物。
3.—種如權(quán)利要求1所述從農(nóng)業(yè)廢棄物微波復(fù)合制備SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料的方法，其特征在于它的步驟如下1)將100g農(nóng)業(yè)廢棄物充分粉碎，放入400 1200 °C爐中隔絕空氣或在惰性氣體的保護(hù)下煅燒0. 5 8 h，或在1 5 L強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液中浸泡1 24 h，得到主要成分為SiO2 和C的硅碳粉；2)將硅碳粉與2 10g金屬還原劑粉末充分混合，放入爐中，隔絕空氣或在惰性氣體的保護(hù)下500 800 °C煅燒0.5 12 h ；或?qū)⒐杼挤鄯湃霠t中，在隔絕空氣或在惰性氣體的保護(hù)下1300 1800 0C煅燒1 24 h ；3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到0.05 2 M的鹽酸溶液中，浸泡0. 5 4 h，離心分離，水洗，固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；4)將2g多孔碳化硅粉末與1 10 mL五羰基鐵液體充分混合，放入微波爐中，在 300 2700 W微波功率下處理1 20 min，反應(yīng)結(jié)束后經(jīng)過(guò)濾、清洗、烘干后即得SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的從農(nóng)業(yè)廢棄物微波復(fù)合制備SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的惰性氣體為高純氮?dú)狻⒍趸蓟驓鍤狻?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的從農(nóng)業(yè)廢棄物微波復(fù)合制備SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的強(qiáng)酸溶液為質(zhì)量濃度為25 98%的濃硫酸或質(zhì)量濃度為20 68% 的濃硝酸溶液中的一種或兩種。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的從農(nóng)業(yè)廢棄物微波復(fù)合制備SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的強(qiáng)堿溶液為摩爾濃度為0. 5 2 M的NaOH或KOH溶液中的一種或兩種。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的從農(nóng)業(yè)廢棄物微波復(fù)合制備SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的金屬還原劑為單質(zhì)鎂粉或鋁粉中的一種或兩種。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種從農(nóng)業(yè)廢棄物微波復(fù)合制備SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料及其方法，其核心層為SiC，其上通過(guò)微波復(fù)合包覆了羰基鐵納米微粒。通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟首先將農(nóng)業(yè)廢棄物通過(guò)熱解或酸堿處理成為以SiO2和碳為主要成分的硅碳粉；隨后將硅碳粉通過(guò)金屬熱或高溫反應(yīng)得到SiC；最后在產(chǎn)物上通過(guò)微波復(fù)合技術(shù)包覆羰基鐵納米微粒，得到SiC/羰基鐵納米復(fù)合材料。這種材料具有納米多孔結(jié)構(gòu)以及較高的比表面積，兼具SiC的電損耗特性和羰基鐵的磁損耗特性，在吸波材料尤其是輕質(zhì)吸收劑領(lǐng)域具有潛在的用途。本發(fā)明工藝流程簡(jiǎn)單，原材料成本低廉，材料性能優(yōu)異，是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)有效的利用農(nóng)業(yè)廢棄物資源及提升電磁波吸收劑性能的方法。
文檔編號(hào)C09K3/00GK102304347SQ201110152178
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月8日
發(fā)明者劉舒婷, 葉瑛, 張奧博, 張海燕, 戴凌青, 朱旭恒, 邵蘇東, 陳雪剛 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)