一種高強度樹脂基泡沫炭材料的製備方法
2023-06-06 22:57:51 1
專利名稱：一種高強度樹脂基泡沫炭材料的製備方法
技術領域：
本發明屬於炭材料領域，主要涉及可一次複雜成型高強度樹脂基泡沫炭材料的製備方法。
背景技術：
隨著科學技術的進步和發展，對現代材料提出了更苛刻的要求，諸如耐高溫、耐腐蝕、密度小、抗氧化、有一定的機械強度、隔熱性能好等。炭素材料具有上述要求的性能。就其宏觀形貌來說炭材料有粒狀、纖維狀、膜狀及塊狀等低維、二維、三維多種形態，從而又表現出各自特有的特殊性能。泡沫狀炭是能很好地滿足現代技術要求的炭材料家族中的一員。泡沫炭的製備是對其開展研究和應用潛力開發的前提，能夠獲得孔徑均勻、形狀各異和結構缺陷少的泡沫炭是對其性能和應用研究的基礎。泡沫炭製備方法主要包括有機聚合物發泡炭化法、中間相浙青發泡炭化法、模板法等。目前泡沫炭主要存在力學性能差、難以一次複雜成型、製備成本高等問題，這嚴重阻礙泡沫炭的推廣和應用。
發明內容
為了解決上述問題，本發明提供了一種可一次複雜成型高強度樹脂基泡沫炭材料的製備方法。該方法製備成本低，設備投入少，操作簡單，製成的泡沫炭材料強度高。本發明是通過如下技術方案實施的
一種高強度樹脂基泡沫炭材料的製備方法，其工藝流程包括原料的配備、熱固性樹脂的預聚、澆注成型、樹脂的固化及炭化工藝，具體如下
(1)原料的配備
基本原料氰酸酯、雙馬來醯亞胺的一種或兩者混合物
輔助原料二元胺、烯丙基化合物(二烯丙基雙酚A、烯丙基酚醛樹脂、烯丙基縮合多核芳烴(COPNA)樹脂等)、熱塑性樹脂(聚醚醯亞胺、聚芳醚酮、聚苯並咪唑、聚芳醚、聚醚碸等)、環氧樹脂、有機矽樹脂、乙烯基樹脂、聚酯樹脂、聚氨酯、丙烯酸酯、酚三嗪樹脂的一種或者幾種混合物。基本原料和輔助原料之間的比例(wt%)關係為 基本原料40 - 100% ；輔助原料0 — 60% ；
(2)熱固性樹脂的預聚
將上述配備好的原料裝入反應器進行聚合反應，具體參數如下
溫度100°C— 200°C
時間0. 1 h — 4 h
保護氣氛A或者Ar2
氣體、流量50 mL/min - 200 mL/min
攪拌速度50 rpm — 1000 rpm
通過聚合，獲得組成和粘度適宜的預聚樹脂。
(3)澆注成型
將上述預聚樹脂倒入預熱的模具中，脫氣泡，具體參數如下 溫度100°c - 200°C 脫氣泡時間0. 1 h - 5 h 真空度1. OX KT1 Pa - 1. OXlO3 Pa
(4)樹脂的固化
樹脂經澆注成型後進行固化，具體參數如下
固化溫度100°C - 300°C
固化時間1 h- 10 h
真空度1. OX KT1 Pa - 1. OXlO5 Pa
(5)炭化工藝
固化後的樹脂經過脫模後放入氣氛爐中，然後以一定的升溫速率升溫至預定溫度後保持一段時間，隨爐冷卻至室溫取出，工藝參數為 升溫速率:2°C /min - 50°C /min 預定溫度600°C - 1500°C 保溫時間0. 5 h - 10 h 保護氣氛=N2或者Ar2 氣體流量50 mL/min - 200 mL/min。所述步驟2)中的聚合反應或採用將溫度先自由升溫至60_80°C，之後以5-10°C / min的升溫速率升溫至所述的100°C — 200°C。所述步驟4)中的固化步驟或採用階梯式固化，S卩100-160°C/l-ai—160_180°C/1 -2h — 180-220°C /2h — 220-300°C /l_2h，升溫速率為 10°C /min。本發明通過控制基本原料和輔助原料的比例、樹脂固化和炭化工藝達到調整泡沫炭的結構與性能的目的。採用本發明所述的製備方法所製得泡沫炭材料具有良好的力學和熱防護性能，壓縮強度1 30MPa、密度0. 1 0. 6g/cm3、導熱率0. 05 0. 3W//mk。與現有的技術相比，本發明所具有的優點和效果為工藝簡單，易於生產，操作簡便；製備成本低， 產品性能優異，強度高，孔徑均勻、熱防護性能優異，無需發泡工藝，可一次複雜成型。
圖1為採用實施例1工藝製備的泡沫炭的掃描電鏡圖片； 圖2為採用實施例2工藝製備的泡沫炭的掃描電鏡圖片。圖3為採用實施例3工藝製備的泡沫炭的掃描電鏡圖片。圖4為採用實施例4工藝製備的泡沫炭的掃描電鏡圖片。
具體實施例以下是本發明的幾個具體實施例，進一步說明本發明，但是本發明不僅限於此。實施例1
將雙馬來醯亞胺(工業品，純度>98%)與丙烯酸酯(化學純，純度>99%)按60 20 (重量比)稱取，裝入聚合反應容器，60°C之前自由升溫，60°C之後以10°C /min的速度升溫，且從升溫開始通入N2, N2流量為50mL/min。當溫度升至130°C時，轉速調至300rpm攪拌 30min獲得預聚樹脂，然後倒入模具(130°C)中抽真空脫氣泡0.池，真空度為1.0X KT1Pa, 然後按如下工藝進行固化160°C /2h + 180°C /2h + 200°C /2h + 240°C /2h，真空度為 1. OX KT1Pa,固化後的樹脂放入N2保護氣氛爐中，N2流量為50mL/min，然後10°C /min升溫速率升溫至1000°C溫度後保持2h，隨爐冷卻至室溫取出，即獲得泡沫炭材料。所製備的泡沫炭具有如下性能壓縮強度14MPa、密度0. 42g/cm3、導熱率0. 09W//mk。實施例2
將氰酸酯(工業品，純度>99 % )與雙酚A型環氧樹脂(工業品，純度>98 %，平均聚合度1.21)按100 :30 (重量比)稱取，裝入聚合反應容器，80°C之前自由升溫，80°C之後以 IO0C /min的速度升溫，且從升溫開始通入N2, N2流量為lOOmL/min。當溫度升至120°C時， 轉速調至500rpm攪拌60min獲得預聚樹脂，然後倒入模具(140°C )中抽真空脫氣泡0. 3h， 真空度為1. OX IO3Pa,然後按如下工藝進行固化160°C /2h + 180°C /2h + 200°C /2h + 240°C /2h，真空度為1. OX IO3Pa,固化後的樹脂放入N2保護氣氛爐中，N2流量為lOOmL/min， 然後20°C /min升溫速率升溫至900°C溫度後保持lh，隨爐冷卻至室溫取出，即獲得泡沫炭材料。所製備的泡沫炭具有如下性能壓縮強度6MPa、密度0. 3g/cm3、導熱率0. 15W//mk。實施例3
將氰酸酯(工業品，純度>99% )與二烯丙基雙酚A (工業品，純度>98% )按60 40 (重量比)稱取，裝入聚合反應容器，80°C之前自由升溫，80°C之後以5°C /min的速度升溫，且從升溫開始通入N2, N2流量為50mL/min。當溫度升至100°C時，轉速調至IOOOrpm攪拌60min獲得預聚樹脂，然後倒入模具(100°C)中抽真空脫氣泡池，真空度為1.0 X IO2Pa,然後按如下工藝進行固化100°C /2h + 160°C /lh + 240°C /2h + 300°C /lh，真空度為 1. OXlO5Pa, 固化後的樹脂放入N2保護氣氛爐中，N2流量為200mL/min，然後10°C /min升溫速率升溫至 1500°C溫度後保持lh，隨爐冷卻至室溫取出，即獲得泡沫炭材料。所製備的泡沫炭具有如下性能壓縮強度21MPa、密度0. 42g/cm3、導熱率0. 19W//mk。實施例4
將雙馬來醯亞胺(工業品，純度>98 % )與二元胺(化學純，純度>99 % )按40 60 (重量比)稱取，裝入聚合反應容器，80°C之前自由升溫，80°C之後以5°C /min的速度升溫， 且從升溫開始通入N2, N2流量為lOOmL/min。當溫度升至120°C時，轉速調至200rpm攪拌 120min獲得預聚樹脂，然後倒入模具(140°C )中抽真空脫氣泡池，真空度為LOXlO—Pa， 然後按如下工藝進行固化160°C /2h + 180°C /2h + 220°C /2h + 300°C /2h，真空度為 LOXlO5Pa,固化後的樹脂放入N2保護氣氛爐中，N2流量為50mL/min，然後2°C /min升溫速率升溫至1000°c溫度後保持10h，隨爐冷卻至室溫取出，即獲得泡沫炭材料。所製備的泡沫炭具有如下性能壓縮強度^MPa、密度0. 50g/cm_3、導熱率0. 24W//mk。實施例5
將雙馬來醯亞胺(工業品，純度>98%)與氰酸酯(工業品，純度>99%)按40 60 (重量比)稱取，裝入聚合反應容器，100°C預聚，N2流量為200mL/min，轉速調至IOOOrpm攪拌 0. Ih獲得預聚樹脂，然後倒入模具(200°C)中抽真空脫氣泡0. lh，真空度為LOXlO2Pa, 然後按如下工藝進行固化160°C /2h + 180°C /2h + 220°C /2h + 300°C /2h，真空度為 LOXlO5Pa,固化後的樹脂放入N2保護氣氛爐中，N2流量為50mL/min，然後2°C /min升溫速率升溫至1500°C溫度後保持他，隨爐冷卻至室溫取出，即獲得泡沫炭材料。所製備的泡沫炭具有如下性能壓縮強度27MPa、密度0. 40g/CnT3、導熱率0. 20W//mk。實施例6
將雙馬來醯亞胺(工業品，純度>98%)與二元胺(化學純，純度>99%)、烯丙基縮合多核芳烴(COPNA)樹脂(工業品，純度>98%，烯丙基化率為93. 5%)，按40 40 20 (重量比) 稱取，裝入聚合反應容器，80°C之前自由升溫，80°C之後以5°C /min的速度升溫，且從升溫開始通入N2, N2流量為lOOmL/min。當溫度升至120°C時，轉速調至200rpm攪拌120min獲得預聚樹脂，然後倒入模具(100°C)中抽真空脫氣泡lh，真空度為1.0 X IO3Pa,然後按如下工藝進行固化300°C固化證，真空度為1. O X IO5Pa,固化後的樹脂放入N2保護氣氛爐中， N2流量為50mL/min，然後2V /min升溫速率升溫至1000°C溫度後保持10h，隨爐冷卻至室溫取出，即獲得泡沫炭材料。所製備的泡沫炭具有如下性能壓縮強度25MPa、密度0. 43g/ cnT3、導熱率 0. 18ff//mk0以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種高強度樹脂基泡沫炭材料的製備方法，其特徵在於所述製備方法包括以下步驟原料的配備、熱固性樹脂的預聚、澆注成型、樹脂的固化及炭化工藝；(1)原料的配備基本原料包括雙馬來醯亞胺、氰酸酯的一種或兩者混合物；輔助原料包括二元胺、烯丙基化合物、熱塑性樹脂、環氧樹脂、有機矽樹脂、乙烯基樹脂、聚酯樹脂、聚氨酯、丙烯酸酯、酚三嗪樹脂中的一種或者幾種混合物； 基本原料和輔助原料之間的比例關係以質量分數計為 基本原料40 - 100% ；輔助原料0 — 60% ；(2)熱固性樹脂的預聚將上述配備好的原料進行聚合反應，具體參數如下溫度100°C— 200°C時間0. 1 h — 4 h保護氣氛=N2或者Ar2氣體、流量50 mL/min - 200 mL/min攪拌速度50 rpm — 1000 rpm通過聚合，獲得預聚樹脂；(3)澆注成型將上述預聚樹脂倒入預熱的模具中，脫氣泡，具體參數如下 溫度100°C - 200°C 脫氣泡時間0. 1 h - 5 h 真空度1. OX KT1 Pa - 1. OXlO3 Pa(4)樹脂的固化樹脂經澆注成型後進行固化，具體參數如下固化溫度100°C - 300°C固化時間1 h- 10 h真空度1. OX KT1 Pa - 1. OXlO5 Pa(5)炭化工藝固化後的樹脂經過脫模後放入氣氛爐中，然後以一定的升溫速率升溫至預定溫度後保持一段時間，隨爐冷卻至室溫取出，工藝參數為 升溫速率:2°C /min - 50°C /min 預定溫度600°C - 1500°C 保溫時間0. 5 h - 10 h 保護氣氛=N2或者Ar2 氣體流量50 mL/min - 200 mL/min。
2.根據權利要求1所述的一種高強度樹脂基泡沫炭材料的製備方法，其特徵在於所述烯丙基化合物包括對烯丙基苯酚、二烯丙基雙酚A、烯丙基酚醛樹脂、烯丙基COPNA樹脂中的任意一種。
3.根據權利要求1所述的一種高強度樹脂基泡沫炭材料的製備方法，其特徵在於所述熱塑性樹脂包括聚醚醯亞胺、聚芳醚酮、聚苯並咪唑、聚芳醚、聚醚碸的任意一種。
4.根據權利要求1所述的一種高強度樹脂基泡沫炭材料的製備方法，其特徵在於所述步驟2)中的聚合反應或採用將溫度先自由升溫至60-80°C，之後以5-10°C /min的升溫速率升溫至所述的100°C — 200°C。
5.根據權利要求1所述的一種高強度樹脂基泡沫炭材料的製備方法，其特徵在於所述步驟4)中的固化步驟或採用階梯式固化，即100-160°C/1-^1— 160-180°C/l-ai — 1-2 20°C /2h — 220-300°C /l_2h，升溫速率為 10°C /min。
全文摘要
本發明屬於炭材料領域，主要涉及可一次複雜成型高強度樹脂基泡沫炭材料的製備技術。本發明以熱固性樹脂為原料，經過預聚、澆注成型、固化和炭化工藝製備泡沫炭材料。本發明的優點在於泡沫炭材料強度高、孔徑均勻、熱防護性能優異；無需發泡工藝、可一次複雜成型；製備成本低、設備投入少，操作簡單。
文檔編號C01B31/02GK102351170SQ201110210518
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月26日 優先權日2011年7月26日
發明者林起浪 申請人:福州大學