一种高开孔率石墨化泡沫炭的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高开孔率石墨化泡沫炭的制备方法，属于无机非金属材料科学技 术分支一炭素材料科学技术领域。
背景技术：
最早的泡沫炭是W. Ford在20世纪60年代初通过热解热固性酚醛泡沫制得的网 状玻璃炭材料。这种泡沫炭具有高孔隙率、低密度、热稳定性好、化学纯度高等优点，作为 电极材料、绝热材料、防冲击材料和催化剂载体具有广泛的应用。然而，网状玻璃炭材料是 一种典型的非石墨化炭。而石墨材料因具有高导热导电性能，高强度等特点成为炭素材料 研究者竞相追逐的目标。1992年，美国空军材料实验室的Hager首次采用中间相浙青为 原料通过造泡技术制备了泡沫炭，其方法是将中间相浙青在高压下充气发泡，然后进行预 氧化处理，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.)。美国橡树岭国家实验室的研究人员Klett成功以中间相 沥青为原料通过自挥发发泡法制备高石墨化泡沫炭(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))。天津大学的 李同起将中间相浙青或发泡剂与中间相浙青加入常压定容容器中，然后在软化点以上的温 度进行发泡；再经氧化、炭化、石墨化工艺获得石墨化泡沫炭材料(CN2004100938M.幻。石 墨化后的泡沫炭具有高导热率、高导电率和优异的机械性能，是一种具有广阔应用前景的 无机非金属材料。虽然通过上述这些方法可以获得具有高石墨化程度的泡沫炭，但所得到的泡沫炭 开孔率低，使其在许多领域的应用受到了严重的限制。例如，低开孔率使活性物质无法进入 泡沫炭内部，因此导致泡沫炭内表面不能得到有效利用，这是泡沫炭不能作为铅酸电池基 板的一个重要原因。同样由于泡沫炭的低开孔率，使泡沫炭内部流体阻力大，导致泡沫炭内 部不能形成流体的强制对流，因此虽然高石墨化碳材料具有较高的热导率，但泡沫炭作为 散热材料效果较差。而陈亚等人以聚胺脂泡沫为模板，通过将浙青与水和有机添加剂混合 后获得浆状浸渍液浸渍于泡沫表面，再通过氧化、炭化以及石墨化工艺获得具有高开孔率 的浙青基泡沫炭。但所获得的泡沫炭孔壁由浙青颗粒烧结而成且碳层层间距为0. 338nm大 于石墨晶体的0. 33Mnm，证实具有较低的石墨化程度，这导致了所获得的泡沫炭的热学、电 学性质受到了严重的影响。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种高开孔率石墨化泡沫炭的 制备方法。该方法过程简单，泡沫炭具有高度开放的孔泡结构和高度的石墨化，同时泡沫炭 的形状，尺寸易控。
本发明采用的技术方案是一种高开孔率石墨化泡沫炭的制备方法的具体步骤如 下用浙青类物质重量的1-5倍的有机溶剂对浙青类物质进行萃取获得萃取液，将作为模 板的高聚物泡沫在上述萃取液中浸渍2-lOmin，取出浸渍后的模板泡沫，挤压出过量萃取液 获得复合物泡沫，将挤压后的复合物泡沫在0-150°C下干燥5-300min，将干燥后的复合物 泡沫在空气或氧气气氛下，以0. 5-50C /min程序升温至200-350°C，氧化处理20-120min， 冷却至室温后得到氧化后的复合物泡沫；将氧化后的复合物泡沫在惰性气体保护下，以 0. 01-500C /min程序升温至700-1500°C得到泡沫炭；将所得泡沫炭以1_50°C /min程序升 温至^00-300(TC，得到高开孔率石墨化泡沫炭。所述有机溶剂选自四氢呋喃、吡啶、喹啉以及上述两种或两种以上溶剂的混合物。所述浙青类物质选自煤系浙青、石油系浙青或萘系中间相浙青，有机溶剂可溶物 超过30%。所述模板泡沫选自聚氨酯泡沫或酚醛树脂泡沫。本发明与现有技术相比具有如下优点(1)得到的泡沫炭兼具高石墨化和高度开放的孔泡结构。(2)本发明可方便的调节泡沫炭的孔结构、密度和强度，泡沫炭孔泡结构均勻。(3)制备过程简单、对设备要求不高，参数容易控制，操作容易、易于放大。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明作进一步说明。实施例一用浙青重量1倍的四氢呋喃对软化点为142°C的石油浙青进行萃取获得四氢呋喃 可溶物的溶液，将作为模板的聚胺脂泡沫在上述萃取液中浸渍2min，取出浸渍后的聚胺脂 泡沫，挤压出过量萃取液获得复合物泡沫，将挤压后的复合物泡沫在0°C下干燥5min，将干 燥后的复合物泡沫在空气气氛下，以0. 50C /min程序升温至200°C，氧化处理lh，冷却至室 温后得到氧化后的复合物泡沫；将氧化后的复合物泡沫在惰性气体保护下，以0. Ol0C /min 程序升温至700°C得到泡沫炭。将所得上述泡沫炭以1°C /min程序升温至^00°C，得到高 开孔率石墨化泡沫炭。所得泡沫炭孔径为500微米，开孔率达到100%，碳层层间距为0. 3356纳米。具有 高度开放的孔泡结构和高石墨化结构。实施例二用浙青重量4倍的喹啉对软化点为193°C的煤浙青进行萃取获得喹啉可溶物的溶 液，将作为模板的酚醛树脂泡沫在上述萃取液中浸渍5min，取出浸渍后的酚醛树脂泡沫，挤 压出过量萃取液获得复合物泡沫，将挤压后的复合物泡沫在150°C下干燥20min，将干燥后 的复合物泡沫在空气气氛下，以5°C /min程序升温至300°C，氧化处理lh，冷却至室温后得 到氧化后的复合物泡沫；将氧化后的复合物泡沫在惰性气体保护下，以5°C /min程序升温 至1500°C得到泡沫炭。将所得上述泡沫炭以5°C /min程序升温至3000°C，得到高开孔率石 墨化泡沫炭。所得泡沫炭孔径为300微米，开孔率达到100%，碳层层间距为0. 3355纳米。具有 高度开放的孔泡结构和高石墨化结构。
实施例三用浙青重量2倍的吡啶对软化点为89°C的煤浙青进行萃取获得吡啶可溶物的溶 液，将作为模板的聚胺脂泡沫在上述萃取液中浸渍3min，取出浸渍后的聚胺脂泡沫，挤压出 过量萃取液获得复合物泡沫，将挤压后的复合物泡沫在100°C下干燥500min，将干燥后的 复合物泡沫在氧气气氛下，以5°C /min程序升温至300°C，氧化处理20min，冷却至室温后得 到氧化后的复合物泡沫；将氧化后的复合物泡沫在惰性气体保护下，以5°C /min程序升温 至1200°C得到泡沫炭。将所得上述泡沫炭以50°C /min程序升温至^00°C，得到高开孔率 石墨化泡沫炭。所得泡沫炭孔径为750微米，开孔率达到100%，碳层层间距为0. 3356纳米。具有 高度开放的孔泡结构和高石墨化结构。实施例四用浙青重量5倍的吡啶对软化点为89°C的煤浙青进行萃取获得吡啶可溶物的溶 液，将作为模板的聚胺脂泡沫在上述萃取液中浸渍lOmin，取出浸渍后的聚胺脂泡沫，挤压 出过量萃取液获得复合物泡沫，将挤压后的复合物泡沫在80°C下干燥500min，将干燥后的 复合物泡沫在空气氛下，以1°C /min程序升温至300°C，氧化处理60min，冷却至室温后得到 氧化后的复合物泡沫；将氧化后的复合物泡沫在惰性气体保护下，以50°C /min程序升温至 800°C得到泡沫炭。将所得上述泡沫炭以50°C/min程序升温至^00°C，得到高开孔率石墨 化泡沫炭。所得泡沫炭孔径为500微米，开孔率达到100%，碳层层间距为0. 3356纳米。具有 高度开放的孔泡结构和高石墨化结构。
权利要求
1.一种高开孔率石墨化泡沫炭的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤如下 用浙青类物质重量的1-5倍的有机溶剂对浙青类物质进行萃取获得萃取液，将作为模板的高聚物泡沫在上述萃取液中浸渍2-lOmin，取出浸渍后的模板泡沫，挤压出过量萃取液 获得复合物泡沫，将挤压后的复合物泡沫在0-150°C下干燥5-300min，将干燥后的复合物 泡沫在空气或氧气气氛下，以0. 5-50C /min程序升温至200_35(TC，氧化处理20-120min， 冷却至室温后得到氧化后的复合物泡沫；将氧化后的复合物泡沫在惰性气体保护下，以 0. 01-500C /min程序升温至700-1500°C得到泡沫炭；将所得泡沫炭以1_50°C /min程序升 温至^00-300(TC，得到高开孔率石墨化泡沫炭。
2.根据权利要求1所述的一种高开孔率石墨化泡沫炭的制备方法，其特征在于所述 有机溶剂选自四氢呋喃、吡啶、喹啉以及上述两种或两种以上溶剂的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种高开孔率石墨化泡沫炭的制备方法，其特征在于所述 浙青类物质选自煤系浙青、石油系浙青或萘系中间相浙青，有机溶剂可溶物超过30%。
4.根据权利要求1所述的一种高开孔率石墨化泡沫炭的制备方法，其特征在于所述 模板泡沫选自聚氨酯泡沫或酚醛树脂泡沫。
全文摘要
一种高开孔率石墨化泡沫炭的制备方法，属于无机非金属炭素材料科学技术领域。该方法是以沥青类物质中有机溶剂可溶组分作为泡沫炭的碳源，聚合物泡沫为泡沫炭模板，经浸渍、预氧化以及炭化工艺制备高开孔率石墨化泡沫炭材料。这种新型的碳材料兼具固体泡沫高度开放的孔泡结构特点以及石墨化碳材料的结构和性质。可用作热控制材料、增强材料、电池基板、微生物生长支架以及固定床填料等领域。
文档编号C01B31/04GK102134068SQ20111010288
公开日2011年7月27日 申请日期2011年4月24日 优先权日2011年4月24日
发明者周颖, 肖南, 邱介山 申请人:大连理工大学
文档序号 :
【 3451522 】
技术研发人员：邱介山,肖南,周颖
技术所有人：大连理工大学
备 注：该技术已申请专利，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
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技术研发人员：邱介山,肖南,周颖
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