一種高開孔率石墨化泡沫炭的製備方法

2023-12-10 10:21:27 1

專利名稱：一種高開孔率石墨化泡沫炭的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種高開孔率石墨化泡沫炭的製備方法，屬於無機非金屬材料科學技 術分支一炭素材料科學技術領域。
背景技術：
最早的泡沫炭是W. Ford在20世紀60年代初通過熱解熱固性酚醛泡沫製得的網 狀玻璃炭材料。這種泡沫炭具有高孔隙率、低密度、熱穩定性好、化學純度高等優點，作為 電極材料、絕熱材料、防衝擊材料和催化劑載體具有廣泛的應用。然而，網狀玻璃炭材料是 一種典型的非石墨化炭。而石墨材料因具有高導熱導電性能，高強度等特點成為炭素材料 研究者競相追逐的目標。1992年，美國空軍材料實驗室的Hager首次採用中間相浙青為 原料通過造泡技術製備了泡沫炭，其方法是將中間相浙青在高壓下充氣發泡，然後進行預 氧化處理，再炭化禾口石墨化(Hager J W. Idealized ligament formation and geometry in open—celled foams. Materials Research Society Symposium Proceedings， California，1992，270 :41.)。美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員Klett成功以中間相 瀝青為原料通過自揮發發泡法製備高石墨化泡沫炭(Klett J，Hardy R，Romine E，et al. High-thermal-conductivity, mesophase-pitch-derived carbon foams :effect of precursor on structure and properties. Carbon, 2000, 38 (7))。天津大學的 李同起將中間相浙青或發泡劑與中間相浙青加入常壓定容容器中，然後在軟化點以上的溫 度進行發泡；再經氧化、炭化、石墨化工藝獲得石墨化泡沫炭材料(CN2004100938M.幻。石 墨化後的泡沫炭具有高導熱率、高導電率和優異的機械性能，是一種具有廣闊應用前景的 無機非金屬材料。雖然通過上述這些方法可以獲得具有高石墨化程度的泡沫炭，但所得到的泡沫炭 開孔率低，使其在許多領域的應用受到了嚴重的限制。例如，低開孔率使活性物質無法進入 泡沫炭內部，因此導致泡沫炭內表面不能得到有效利用，這是泡沫炭不能作為鉛酸電池基 板的一個重要原因。同樣由於泡沫炭的低開孔率，使泡沫炭內部流體阻力大，導致泡沫炭內 部不能形成流體的強制對流，因此雖然高石墨化碳材料具有較高的熱導率，但泡沫炭作為 散熱材料效果較差。而陳亞等人以聚胺脂泡沫為模板，通過將浙青與水和有機添加劑混合 後獲得漿狀浸漬液浸漬於泡沫表面，再通過氧化、炭化以及石墨化工藝獲得具有高開孔率 的浙青基泡沫炭。但所獲得的泡沫炭孔壁由浙青顆粒燒結而成且碳層層間距為0. 338nm大 於石墨晶體的0. 33Mnm，證實具有較低的石墨化程度，這導致了所獲得的泡沫炭的熱學、電 學性質受到了嚴重的影響。

發明內容
為了克服上述現有技術中存在的問題，本發明提供一種高開孔率石墨化泡沫炭的 製備方法。該方法過程簡單，泡沫炭具有高度開放的孔泡結構和高度的石墨化，同時泡沫炭 的形狀，尺寸易控。
本發明採用的技術方案是一種高開孔率石墨化泡沫炭的製備方法的具體步驟如 下用浙青類物質重量的1-5倍的有機溶劑對浙青類物質進行萃取獲得萃取液，將作為模 板的高聚物泡沫在上述萃取液中浸漬2-lOmin，取出浸漬後的模板泡沫，擠壓出過量萃取液 獲得複合物泡沫，將擠壓後的複合物泡沫在0-150°C下乾燥5-300min，將乾燥後的複合物 泡沫在空氣或氧氣氣氛下，以0. 5-50C /min程序升溫至200-350°C，氧化處理20-120min， 冷卻至室溫後得到氧化後的複合物泡沫；將氧化後的複合物泡沫在惰性氣體保護下，以 0. 01-500C /min程序升溫至700-1500°C得到泡沫炭；將所得泡沫炭以1_50°C /min程序升 溫至^00-300(TC，得到高開孔率石墨化泡沫炭。所述有機溶劑選自四氫呋喃、吡啶、喹啉以及上述兩種或兩種以上溶劑的混合物。所述浙青類物質選自煤系浙青、石油系浙青或萘系中間相浙青，有機溶劑可溶物 超過30%。所述模板泡沫選自聚氨酯泡沫或酚醛樹脂泡沫。本發明與現有技術相比具有如下優點(1)得到的泡沫炭兼具高石墨化和高度開放的孔泡結構。(2)本發明可方便的調節泡沫炭的孔結構、密度和強度，泡沫炭孔泡結構均勻。(3)製備過程簡單、對設備要求不高，參數容易控制，操作容易、易於放大。
具體實施例方式下面通過實施例對本發明作進一步說明。實施例一用浙青重量1倍的四氫呋喃對軟化點為142°C的石油浙青進行萃取獲得四氫呋喃 可溶物的溶液，將作為模板的聚胺脂泡沫在上述萃取液中浸漬2min，取出浸漬後的聚胺脂 泡沫，擠壓出過量萃取液獲得複合物泡沫，將擠壓後的複合物泡沫在0°C下乾燥5min，將幹 燥後的複合物泡沫在空氣氣氛下，以0. 50C /min程序升溫至200°C，氧化處理lh，冷卻至室 溫後得到氧化後的複合物泡沫；將氧化後的複合物泡沫在惰性氣體保護下，以0. Ol0C /min 程序升溫至700°C得到泡沫炭。將所得上述泡沫炭以1°C /min程序升溫至^00°C，得到高 開孔率石墨化泡沫炭。所得泡沫炭孔徑為500微米，開孔率達到100%，碳層層間距為0. 3356納米。具有 高度開放的孔泡結構和高石墨化結構。實施例二用浙青重量4倍的喹啉對軟化點為193°C的煤浙青進行萃取獲得喹啉可溶物的溶 液，將作為模板的酚醛樹脂泡沫在上述萃取液中浸漬5min，取出浸漬後的酚醛樹脂泡沫，擠 壓出過量萃取液獲得複合物泡沫，將擠壓後的複合物泡沫在150°C下乾燥20min，將乾燥後 的複合物泡沫在空氣氣氛下，以5°C /min程序升溫至300°C，氧化處理lh，冷卻至室溫後得 到氧化後的複合物泡沫；將氧化後的複合物泡沫在惰性氣體保護下，以5°C /min程序升溫 至1500°C得到泡沫炭。將所得上述泡沫炭以5°C /min程序升溫至3000°C，得到高開孔率石 墨化泡沫炭。所得泡沫炭孔徑為300微米，開孔率達到100%，碳層層間距為0. 3355納米。具有 高度開放的孔泡結構和高石墨化結構。
實施例三用浙青重量2倍的吡啶對軟化點為89°C的煤浙青進行萃取獲得吡啶可溶物的溶 液，將作為模板的聚胺脂泡沫在上述萃取液中浸漬3min，取出浸漬後的聚胺脂泡沫，擠壓出 過量萃取液獲得複合物泡沫，將擠壓後的複合物泡沫在100°C下乾燥500min，將乾燥後的 複合物泡沫在氧氣氣氛下，以5°C /min程序升溫至300°C，氧化處理20min，冷卻至室溫後得 到氧化後的複合物泡沫；將氧化後的複合物泡沫在惰性氣體保護下，以5°C /min程序升溫 至1200°C得到泡沫炭。將所得上述泡沫炭以50°C /min程序升溫至^00°C，得到高開孔率 石墨化泡沫炭。所得泡沫炭孔徑為750微米，開孔率達到100%，碳層層間距為0. 3356納米。具有 高度開放的孔泡結構和高石墨化結構。實施例四用浙青重量5倍的吡啶對軟化點為89°C的煤浙青進行萃取獲得吡啶可溶物的溶 液，將作為模板的聚胺脂泡沫在上述萃取液中浸漬lOmin，取出浸漬後的聚胺脂泡沫，擠壓 出過量萃取液獲得複合物泡沫，將擠壓後的複合物泡沫在80°C下乾燥500min，將乾燥後的 複合物泡沫在空氣氛下，以1°C /min程序升溫至300°C，氧化處理60min，冷卻至室溫後得到 氧化後的複合物泡沫；將氧化後的複合物泡沫在惰性氣體保護下，以50°C /min程序升溫至 800°C得到泡沫炭。將所得上述泡沫炭以50°C/min程序升溫至^00°C，得到高開孔率石墨 化泡沫炭。所得泡沫炭孔徑為500微米，開孔率達到100%，碳層層間距為0. 3356納米。具有 高度開放的孔泡結構和高石墨化結構。
權利要求
1.一種高開孔率石墨化泡沫炭的製備方法，其特徵在於該方法的具體步驟如下 用浙青類物質重量的1-5倍的有機溶劑對浙青類物質進行萃取獲得萃取液，將作為模板的高聚物泡沫在上述萃取液中浸漬2-lOmin，取出浸漬後的模板泡沫，擠壓出過量萃取液 獲得複合物泡沫，將擠壓後的複合物泡沫在0-150°C下乾燥5-300min，將乾燥後的複合物 泡沫在空氣或氧氣氣氛下，以0. 5-50C /min程序升溫至200_35(TC，氧化處理20-120min， 冷卻至室溫後得到氧化後的複合物泡沫；將氧化後的複合物泡沫在惰性氣體保護下，以 0. 01-500C /min程序升溫至700-1500°C得到泡沫炭；將所得泡沫炭以1_50°C /min程序升 溫至^00-300(TC，得到高開孔率石墨化泡沫炭。
2.根據權利要求1所述的一種高開孔率石墨化泡沫炭的製備方法，其特徵在於所述 有機溶劑選自四氫呋喃、吡啶、喹啉以及上述兩種或兩種以上溶劑的混合物。
3.根據權利要求1所述的一種高開孔率石墨化泡沫炭的製備方法，其特徵在於所述 浙青類物質選自煤系浙青、石油系浙青或萘系中間相浙青，有機溶劑可溶物超過30%。
4.根據權利要求1所述的一種高開孔率石墨化泡沫炭的製備方法，其特徵在於所述 模板泡沫選自聚氨酯泡沫或酚醛樹脂泡沫。
全文摘要
一種高開孔率石墨化泡沫炭的製備方法，屬於無機非金屬炭素材料科學技術領域。該方法是以瀝青類物質中有機溶劑可溶組分作為泡沫炭的碳源，聚合物泡沫為泡沫炭模板，經浸漬、預氧化以及炭化工藝製備高開孔率石墨化泡沫炭材料。這種新型的碳材料兼具固體泡沫高度開放的孔泡結構特點以及石墨化碳材料的結構和性質。可用作熱控制材料、增強材料、電池基板、微生物生長支架以及固定床填料等領域。
文檔編號C01B31/04GK102134068SQ20111010288
公開日2011年7月27日 申請日期2011年4月24日 優先權日2011年4月24日
發明者周穎, 肖南, 邱介山 申請人:大連理工大學