一種高強度絕熱瀝青碳泡沫材料的製備方法

2023-09-14 10:15:15 1

專利名稱：：一種高強度絕熱瀝青碳泡沫材料的製備方法
技術領域：
：本發明屬瀝青碳泡沫材料領域，特別是涉及一種高強度絕熱瀝青碳泡沫材料的製備方法。技術背景瀝青碳泡沫材料是一種熱學穩定、耐高溫、比重輕、比表面積的新材料，它具有優異的絕熱性能和力學性能，將其作為保熱材料應用在航空航天、航海、核電等部件中，可對裝置的小型化、輕型化帶來飛躍的變革。美國Ultmmet、s公司開發出一種網狀碳泡沫，具有非常低的導熱係數，可達到0.085W/m.K,但壓縮強度僅為0.763MPa，必須經過金屬沉澱等工藝來提高強度。美國西佛幾尼亞大學開發了一種利用煤作為前驅體材料來製備具有較高強度的碳泡沫，壓縮強度可達到15MPa，導熱係數範圍0.4~17.5W/m.k，但該碳泡沫仍需要氧化穩定處理。J.WKlettUSP6398994B,2002.6.4披露了利用一種技術，其特徵是採用了石油瀝青和發泡劑共混後在較低的壓力中發泡膨化而成，但其缺陷是兩種相材料混合均勻性差，由此形成的孔洞界面分布及均勻性差，從而使碳泡沫材料的功能的均勻性也較差。
發明內容本發明所要解決的技術問題是提供一種高強度絕熱瀝青碳泡沫材料的製備方法，以彌補現有技術的不足和缺陷，滿足生產和相關領域發展的需要。採用本發明的方法製備的瀝青碳泡沫材料具有高強度和優良的絕熱性能，適宜於工業化生產。本發明的一種高強度絕熱瀝青碳泡沫材料的製備方法，包括如下步驟(1)瀝青經熱解製備中間相瀝青，過篩，製備出高純度中間相瀝青，乾燥粉碎並加入貝殼微粒來調整製品的性能；(2)把製備的中間相瀝青加入高壓反應釜，抽真空升溫到瀝青的軟化點以上並充入惰性氣體，在30050(TC的溫度和1080kg/ci^的壓力下保持1~180分鐘，然後自然降至室溫，常壓發泡，得到瀝青泡沫材料；(3)將瀝青泡沫材料在12001600'C氮氣保護下碳化，保溫120~180分鐘，得到瀝青碳泡沫材料。所述瀝青為石油瀝青、合成瀝青或煤瀝青中的一種或其混合物，瀝青的軟化點為70卯。C;所述步驟(1)中的熱解是400500。C熱解2~4小時；所述步驟(1)中的過篩是中間相瀝青在300~350°C，壓力為0.5Mpa下，過400目篩，並用氮氣吹掃，除去反應中生成的和難反應的小分子組分；所述貝殼微粒是層貝殼微粒，粒徑在5010(^m，其添加量為瀝青重量的5~20%，優選15%;所述經過調製後瀝青軟化點達到200~300°C，中間相含量為70~95%;所述步驟(2)中的升溫是在室溫至280°C，保持升溫速率為4°C/min，保溫30~60分鐘，再進一步以2°C/min的升溫速率升到300~500°C;所述步驟(2)中的惰性氣體為氮氣、二氧化碳或氬氣中的一種或幾種；所述碳化是不經過氧化穩定處理而直接進行碳化處理，升溫速率為3'C/min。本發明的原理是主要基於貝殼的有機無機片層交替的層狀結構對中間相瀝青的阻隔和補強作用來提高所製備的碳泡沫的絕熱性和力學性能。在中間相瀝青的製備過程中添加貝殼微粒於瀝青熱解中形成的中間相結合在一起，在碳泡沫的高溫製備過程中，貝殼的有機層被去除，貝殼的無機片層結構與碳化後形成的石墨片層結構相結合形成夾層三明治結構，這種結構對熱的阻隔性能得到極大提高。另一方面，由於在泡沫的生長過程中形成閉孔同樣在熱量傳遞中起到阻礙作用，從而使得碳化後的碳泡沫的導熱係數大大降低。同時由於貝殼碳泡沫的補強作用及這種特殊的泡沫結構極大的提高了碳泡沫的力學性能。本發明的有益效果採用本發明的方法製備瀝青碳泡沫材料，所獲得的產品，絕熱性能及機械性能優良，工作環境安全可靠，適宜於工業化生產。具體實施方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。實施例1原料貝殼微粒改性煤基中間相瀝青(煤基瀝青400'C熱解2小時加入貝殼微粒所得)其性能指標軟化點250。C，中間相含量70%，喹啉不溶物53%，貝殼微粒含量5%添加劑種類貝殼微粒，粒徑在50~100pm添加劑含量為瀝青重量的5%把貝殼微粒改性中間相瀝青粉碎至10(Htm，裝入模具中壓實。把模具放入高壓高溫反應釜中，充入氮氣至10Kg/cm2，以4'C/min的升溫速度升至28(TC，保持30分鐘，然後以2t:/min的升溫速度升至450'C，在該溫度下維持120分鐘，釋放壓力降至室溫，從而得到孔洞尺寸及其分布相當均勻的瀝青泡沫材料，然後在120(TC碳化保溫120分鐘獲得瀝青碳泡沫材料。實施例2原料熱過濾400篩煤基中間相瀝青貝殼微粒性能指標軟化點270'C，中間相含量70%，喹啉不溶物67%，貝殼微粒含量10%添加劑種類貝殼微粒，粒徑50100nm添加劑含量為瀝青重量為10%將熱解後中間相瀝青(煤基瀝青43(TC熱解3小時所得)在30(TC,壓力為0.5Mpa下，過400目篩，乾燥粉碎，然後加入貝殼微粒添加劑粉碎至lOOpm，裝入模具中壓實。把模具放入高溫高壓反應釜中，充入氮氣至60Kg/cm2，以4'C/min的升溫速度升溫至28(TC，保持30分鐘，然後以2'C/min的升溫速度升至45(TC，在該溫度下保持120分鐘，釋放壓力自然降至室溫，從而得到孔洞尺寸及其分布相當均勻的瀝青泡沫材料，然後在1200'C碳化保溫120分鐘獲得瀝青碳泡沫材料。實施例3原料熱過濾400篩煤基中間相瀝青貝殼微粒性能指標軟化點290'C，中間相含量卯％,喹啉不溶物48%，貝殼微粒含量15%添加劑種類貝殼微粒，粒徑50100nm添加劑含量為瀝青重量為15%將熱解後中間相瀝青(煤基瀝青45(TC熱解4小時)在320°C，壓力為0.5Mpa下，過400目篩，乾燥粉碎，然後加入貝殼微粒添加劑粉碎至lOOpm,裝入模具中壓實。把模具放入高溫高壓反應釜中，充入氮氣至60Kg/cm2,以4°C/min的升溫速度升溫至280'C，保持30分鐘，然後以2-C/min的升溫速度升至45(TC，在該溫度下保持120分鐘，釋放壓力自然降至室溫，從而得到孔洞尺寸及其分布相當均勻的瀝青泡沫材料，然後在1200。C碳化保溫120分鐘獲得瀝青碳泡沫材料。對比例(空白樣)原料煤基中間相瀝青性能指標軟化點25(TC，喹啉不溶物50%把中間相瀝青熔融混合均勻，然後粉碎至10(Him，裝入模具中壓實。把模具放入高溫髙壓反應釜中，充入氮氣至60Kg/cm2，以4°C/min的升溫速度升溫至280'C，保持30分鐘，然後以2'C/min的升溫速度升至45(TC，在該溫度下保持120分鐘，釋放壓力自然降至室溫，從而得到孔洞尺寸及其分布相當均勻的瀝青泡沫材料，然後在1200'C碳化保溫120分鐘獲得瀝青碳泡沫材料。本發明所得碳泡沫材料與對比例所得碳泡沫材料的指標對照如表1所示表1碳泡沫材料指標對照表實施例1~~實施例2"~~實施例3對比例tableseeoriginaldocumentpage6由表1可見，本發明的材料與對比例的材料相比，應用本發明將中間相瀝青進行熱過濾，然後添加貝殼微粒改性製備的碳泡沫材料，絕熱性能和壓縮強度比常規方法製備的碳泡沫性能均有明顯提高。權利要求1.一種高強度絕熱瀝青碳泡沫材料的製備方法，包括如下步驟(1)瀝青經熱解製備中間相瀝青，過篩，製備出高純度中間相瀝青，乾燥粉碎並加入貝殼微粒來調整製品的性能；(2)把製備的中間相瀝青加入高壓反應釜，抽真空升溫到瀝青的軟化點以上並充入惰性氣體，在300～500℃的溫度和10～80kg/cm2的壓力下保持1～180分鐘，然後自然降至室溫，常壓發泡，得到瀝青泡沫材料；(3)將瀝青泡沫材料在1200～1600℃氮氣保護下碳化，得到瀝青碳泡沫材料。2.根據權利要求1所述的高強度絕熱瀝青碳泡沫材料的製備方法，其特徵在於所述瀝青為石油瀝青、合成瀝青或煤瀝青中的一種或其混合物，瀝青的軟化點為70~90'C。3.根據權利要求1所述的高強度絕熱瀝青碳泡沫材料的製備方法，其特徵在於所述步驟(1)中的熱解是40050(TC熱解2~4小時。4.根據權利要求1所述的高強度絕熱瀝青碳泡沫材料的製備方法，其特徵在於所述步驟(1)中的過篩是中間相瀝青在30(K35(TC,壓力為0.5Mpa下，過400目篩，並用氮氣吹掃，除去反應中生成的和難反應的小分子組分。5.根據權利要求1所述的高強度絕熱瀝青碳泡沫材料的製備方法，其特徵在於所述貝殼微粒是層貝殼微粒，粒徑50100nm，其添加量為瀝青重量的5~20%。6.根據權利要求5所述的高強度絕熱瀝青碳泡沫材料的製備方法，其特徵在於所述貝殼微粒添加量為瀝青重量的15%。7.根據權利要求1所述的高強度絕熱瀝青碳泡沫材料的製備方法，其特徵在於所述經過調製後瀝青軟化點達到200~300°C，中間相含量為70~95%。8.根據權利要求1所述的高強度絕熱瀝青碳泡沫材料的製備方法，其特徵在於所述步驟(2)中的升溫是在室溫至280°C，保持升溫速率為4°C/min,保溫30~60分鐘，再進一步以2°C/min的升溫速率升到300~500°C。9.根據權利要求1所述的高強度絕熱瀝青碳泡沫材料的製備方法，其特徵在於所述歩驟(2)中的惰性氣體為氮氣、二氧化碳或氬氣中的一種或幾種。10.根據權利要求1所述的高強度絕熱瀝青碳泡沫材料的製備方法，其特徵在於所述碳化是升溫速率為3'C/min，保溫120-180分鐘，直接進行碳化處理。全文摘要本發明涉及一種高強度絕熱瀝青碳泡沫材料的製備方法，包括(1)瀝青經熱解製備中間相瀝青，過篩，製備出高純度中間相瀝青，乾燥粉碎並加入貝殼微粒來調整製品的性能；(2)把製備的中間相瀝青加入高壓反應釜，抽真空升溫到瀝青的軟化點以上並充入惰性氣體，在300～500℃的溫度和10～80kg/cm2的壓力下保持1～180分鐘，然後自然降至室溫，常壓發泡，得到瀝青泡沫材料；(3)將瀝青泡沫材料在1200～1600℃氮氣保護下碳化，得到瀝青碳泡沫材料。採用本發明的方法製備的瀝青碳泡沫材料具有高強度和優良的絕熱性能，適宜於工業化生產。文檔編號C01B31/02GK101214945SQ20071017312公開日2008年7月9日申請日期2007年12月26日優先權日2007年12月26日發明者劉東輝,勇王,王依民,峰蘇,志許,進高申請人:東華大學