一種大尺寸低導熱高強度泡沫炭的製備方法
2023-06-06 23:03:06
一種大尺寸低導熱高強度泡沫炭的製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種大尺寸、低導熱、高強度泡沫炭的製備方法。以高軟化點瀝青為原料，以球形或一維結構材料為複合增強體，並通過發泡工藝控制製得整體結構較好、孔結構均一的泡沫炭。其中泡沫炭的直徑為200mm、高度為200mm、導熱係數低於0.15W/(m.k)、壓縮強度高於30MPa、1500℃下的體積收縮率低於3%、密度為0.3～0.8g/cm3。該泡沫炭適宜用作結構隔熱材料、保溫材料和吸波材料，可廣泛用於航天、航空、航海和節能建築等領域。
【專利說明】一種大尺寸低導熱高強度泡沬炭的製備方法
【技術領域】:
[0001]本發明涉及一種大尺寸、低導熱、高強度泡沫炭的製備技術，具體涉及一種直徑200mm、高度200mm、導熱係數低於0.15W/ (m.k)、壓縮強度高於30MPa、1500°C下的體積收縮率低於3%、密度為0.3~0.8g/cm3且整體結構較好、孔結構均一的泡沫炭的製備方法。
【背景技術】:
[0002]泡沫炭作為一種蜂窩狀的碳質功能材料，不僅強度高、導熱係數低、密度低、熱膨脹係數低、耐高溫、抗氧化、耐酸、耐鹼、吸水率低、無揮發性物質、不產生有毒氣體，而且具有很好的可成型性和可加工性能。因此，泡沫炭可廣泛用作航空航天用隔熱材料、航海用雷達吸波材料、A級節能建築保溫材料、高溫管道保溫材料等，進而廣泛用於航天、航空、航海、建築、化工、鋼鐵等行業。
[0003]目前，泡沫炭的種類主要有高導熱和低導熱泡沫炭兩種。其中，制約低導熱泡沫炭的性能和結構控制的主要因素體現在如下幾個方面:1)酚醛樹脂是一種製備低導熱泡沫炭的主要原料，但是由該原料所制泡沫炭在高壓卸氣或高溫炭化過程中容易破裂，導致泡沫炭的整體結構難以控制，尤其是製備大尺寸泡沫炭；2)具有球形結構的中間相碳微球是報導相對最好的增強材料，能將泡沫炭的壓縮強度提高到25MPa，但中間相碳微球是經過高溫石墨化熱處理過的，在與碳質前軀體複合過程中容易產生較多固-液界面導致所制泡沫炭的抗衝擊強度、拉伸強度較低，且導熱係數較高；3)具有一維結構的碳纖維、短切碳纖維、納米碳纖維、納米碳管雖能在一定程度上提高泡沫炭的強度，但主要是提高拉伸強度，在壓縮強度上貢獻不大，且自身導熱係數較高；4)在製備大尺寸泡沫炭過程中，碳質前軀體或基體碳受傳熱或熱場的影響較大，因此泡沫炭的整體結構和孔結構的均一性難以控制；5)泡沫炭在高溫下的體積收縮率也是泡沫炭在實際應用中需要考察的一個關鍵因素，但現在所有專利或文獻都沒有涉及此問題。因此，碳質前軀體和增強材料的選擇以及泡沫炭孔結構的均一性控制是大尺寸、低導熱、高強度泡沫炭在製備過程中所要亟需解決的關鍵問題。
[0004]對此，本發明以高軟化點浙青為原料，以球形結構材料和一維材料為複合增強材料，並通過發泡工藝控制，製得一種大尺寸，且導熱係數低、壓縮強度高的泡沫炭，以滿足泡沫炭在相關領域中的重大需求。
【發明內容】
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[0005]針對現有技術的缺陷，本發明以高軟化點浙青為原料，以球形結構材料和一維材料為複合增強材料，並通過發泡工藝控制，製得一種大尺寸，且導熱係數低、壓縮強度高的泡沫炭，以滿足泡沫炭在相關領域中的重大需求。
[0006]本發明的目的在於提供一種直徑為200mm、高度為200mm、導熱係數低於0.15W/(m.k)、壓縮強度高於30MPa、體積收縮率(1500°C)低於3%、密度為0.3~0.8g/cm3且孔結構均一的泡沫炭的製備方法。採用該方法製備的泡沫炭具有大尺寸、高強度、低導熱且整體結構較好、孔結構均一的優點，因此，本發明對大尺寸泡沫炭的製備及其在保溫、隔熱、吸波材料領域中的應用具有重要意義。
[0007]本發明是通過下述方案實現的。
[0008]一種大尺寸低導熱高強度泡沫炭的製備方法，其特徵在於，所用原料及其質量百分比為:
[0009]高軟化點浙青49~99%
[0010]球形結構材料1~41%
[0011]一維增強材料O~10%
[0012]所述的方法包括以下步驟；
[0013](1)將球形結構材料和一維增強材料按上述比例進行機械均勻混合，然後作為複合增強材料；
[0014](2)將高軟化點浙青粉碎至3~10微米，然後與複合增強材料按比例通過機械攪拌進行混合，再將所得混合物倒入純度為30~100%的乙醇溶液中進一步進行攪拌混合；
[0015](4)將步驟(2)得到的混合物乾燥後，置於高溫高壓反應釜中，並通入2~IOMPa的初始壓力，進行密封；
[0016](5)以3~10°C /min的升溫速度升至250~300°C，並恆溫I~IOh ;
[0017](6)以0.1~2°C /min的升溫速度升至500~700°C，並在此溫度下恆溫2~IOh ;
[0018](7)快速卸壓至I個大氣壓，然後繼續以3~10°C /min的升溫速度升至800~1500°C進行炭化，自然冷卻至30°C左右，即製得所述的泡沫炭；
[0019]所述的高軟化點浙青為煤基高軟化點浙青、石油基高軟化點浙青的一種或兩種混合物，其軟化點為200~280°C、正庚烷可溶物(HS)含量< 1%、甲苯可溶物(TS)含量< 15%;
[0020]所述的球形結構材料為納米碳、中間相碳微球的未炭化料、球形納米矽、球形活性炭、球形活性炭的炭化料、球形炭氣凝膠、球形氣凝膠以及球形的硼類、鋯類無機材料中的一種或幾種；
[0021]所述的一維增強材料選自活性碳纖維、活性炭纖維、矽納米線中的一種或幾種。
[0022]所述的球形結構材料的直徑在20微米以內。
[0023]所述的高溫高壓反應爸內徑大於或等於200_。
[0024]本發明的優點在於:1)相對中間相浙青而言，以高軟化點浙青為原料容易製得導熱係數較底的泡沫炭，且成本低；2)相對於酚醛樹脂，以高軟化點浙青為原料，在大尺寸泡沫炭的整體結構控制上具有明顯優勢；3)所選擇的複合增強材料之一為球形結構，且自身導熱係數低、強度高、顆粒尺寸小，易於與高軟化點浙青進行分散，且最終不會影響泡沫炭的導熱性能；4)所選擇另一種複合增強材料為一維結構材料，能夠提高泡沫炭的抗衝擊強度和拉伸強度，且自身導熱係數較低；5)在泡沫炭的製備技術上，所採用工藝消除了高軟化點浙青在溶化、液化、發泡、固化、炭化過程中受熱場或傳熱因素的影響，能夠製得整體結構較好、孔結構均一的大尺寸泡沫炭。
【專利附圖】
【附圖說明】
圖1是本發明製備的大尺寸泡沫炭的實物外觀圖。
【具體實施方式】
[0025]【對比例】[0026]將2000g煤基高軟化點浙青進行粉碎至平均粒徑為5微米，然後置於6L的高溫高壓反應釜(內徑200mm衝。將高溫高壓反應釜通入3MPa的初始壓力，然後以3°C /min的升溫速度升至290°C，並恆溫2h。以0.2°C /min的升溫速度升至600°C，並恆溫2h。在600°C下，快速卸壓至I個大氣壓，然後繼續以5°C /min的升溫速度升至1000°C進行炭化，即得泡沫炭。其中所制泡沫炭的直徑為200mm，高度為200mm，導熱係數為0.085ff/(m.k)、壓縮強度為7.lMPa、1500°C下的體積收縮率為8.5%，密度為0.39g/cm3。
[0027]【實施例一】
[0028]將平均粒徑為5微米的2000g煤基高軟化點浙青、200g中間相碳微球的未炭化料和50g活性碳纖維進行機械混合，然後置於IOL的玻璃容器中，再加入3L的乙醇進行攪拌混合。將上述混合物在100°C進行乾燥，乾燥後置於6L的高溫高壓反應釜(內徑200mm)中。將高溫高壓反應釜通入3MPa的初始壓力，然後以3°C /min的升溫速度升至290°C，並恆溫2h。以0.2°C/min的升溫速度升至600°C，並恆溫2h。在600°C下，快速卸壓至I個大氣壓，然後繼續以5°C /min的升溫速度升至1000°C進行炭化，即得泡沫炭。最終所制泡沫炭的直徑為200mm，高度為200mm，導熱係數為0.09W/ (m.k)、壓縮強度為23MPa、1500°C下的體積收縮率為2.4%，密度為0.67g/cm3。
[0029]【實施例二】
[0030]將【實施例一】的中間相碳微球的未炭化料的重量由200g增加到500g，其它所有製備條件不變。所制泡沫炭的直徑為200mm，高度為200mm，導熱係數為0.1Olff/ (m.k)、壓縮強度為31MPa、1500°C下的體積收縮率為2.1%，密度為0.72g/cm3。
[0031]【實施例三】
[0032]將【實施例一】中通入高溫高壓反應器的初始壓力由3MPa提高到4.5MPa，其它所有條件不變。所制泡沫炭的直徑為200mm，高度為200mm，導熱係數為0.09Iff/ (m.k)、壓縮強度為26MPa、1500°C下的體積收縮率為2.2%，密度為0.69g/cm3。
[0033]【實施例四】
[0034]將【實施例一】中，從290°C到600°C的升溫速率由0.2V /min變為2V /min，其它所有製備條件不變。所制泡沫炭的孔結構均一性較差，泡孔的孔徑由壁向內逐漸變大，且有部分裂紋出現。
[0035]【實施例五】
[0036]將【實施例一】中，最終炭化溫度由1000°C變為800°C，其它所有條件不變。所制泡沫炭的直徑為200mm，高度為200mm，導熱係數為0.089W/ (m.k)、壓縮強度為17MPa、1500°C下的體積收縮率為6.5%，密度為0.74g/cm3。
[0037] 上述實施例和對比例的結果表明:球形結構增強材料的含量、發泡壓力、發泡過程中的升溫速度以及碳化條件等對泡沫炭的壓縮強度、密度、導熱係數、孔結構的均一性都產生了重要影響。
【權利要求】
1.一種大尺寸低導熱高強度泡沫炭的製備方法，其特徵在於，所用原料及其質量百分比為: 高軟化點浙青49~99% 球形結構材料1~41% 一維增強材料O~10% 所述的方法包括以下步驟； (1)將球形結構材料和一維增強材料按上述比例進行機械均勻混合，然後作為複合增強材料； (2)將高軟化點浙青粉碎至3~10微米，然後與複合增強材料按比例通過機械攪拌進行混合，再將所得混合物倒入純度為30~100%的乙醇溶液中進一步進行攪拌混合； (4)將步驟(2)得到的混合物乾燥後，置於高溫高壓反應釜中，並通入2~IOMPa的初始壓力，進行密封； (5)以3~10°C/min的升溫速度升至250~300°C，並恆溫1~10h ; (6)以0.1~2°C /min的升溫速度升至500~700°C，並在此溫度下恆溫2~10h ; (7)快速卸壓至I個大氣壓，然後繼續以3~10°C/min的升溫速度升至800~1500°C進行炭化，自然冷卻至30°C左右，即製得所述的泡沫炭； 所述的高軟化點浙青為煤基高軟化點浙青、石油基高軟化點浙青的一種或兩種混合物，其軟化點為200~280°C、正庚烷可溶物(HS)含量< 1%、甲苯可溶物(TS)含量< 15%; 所述的球形結構材料為納米碳、中間相碳微球的未炭化料、球形納米娃、球形活性炭、球形活性炭的炭化料、球形炭氣凝膠、球形氣凝膠以及球形的硼類、鋯類無機材料中的一種或幾種； 所述的一維增強材料選自活性碳纖維、活性炭纖維、矽納米線中的一種或幾種。
2.如權利要求1所述的泡沫炭的製備方法，其特徵在於，所述的球形結構材料的直徑在20微米以內。
3.如權利要求1所述的泡沫炭的製備方法，其特徵在於，所述的高溫高壓反應釜內徑大於或等於200mm。
【文檔編號】C01B31/02GK103910350SQ201410097669
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月17日 優先權日:2014年3月17日
【發明者】詹亮, 陳然, 許耀, 霍雲霞, 徐冰, 劉想, 何自國, 王豔莉 申請人:華東理工大學