一种高强度炭泡沫材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高强度炭泡沫材料的制备方法，所述制备方法以糖类物质为碳源材料，与水凝胶剂材料溶于水中，得到混合液；向得到的混合液中加入发泡剂，在惰性气体保护下发泡得到发泡体，然后将发泡体凝胶固化，得到泡沫凝胶体；将得到的泡沫凝胶体进行碳化处理，得到炭泡沫材料。所述制备方法，工艺和设备简单，可以方便的获得细小均匀和不同密度的与模具形状一致的泡沫凝胶体，制备得到的炭泡沫材料具有圆型泡沫状的孔/壁结构，孔径均匀细小，孔壁为含有的均匀致密的纳米孔碳组成，因此有很高的强度。

【技术实现步骤摘要】
一种高强度炭泡沫材料及其制备方法
本专利技术属于炭材料领域，涉及一种高强度炭泡沫材料的制备方法。
技术介绍
炭泡沫(Carbonfoams，CF)是一种由大尺寸孔径的孔泡和相互连接的孔泡壁组成的具有三维网状结构的轻质多孔材料。除具有炭材料的常规性能外，炭泡沫还具有低密度、高比强、抗热震、易加工等特性和特殊的导电、导热、吸波等物理和化学性能，通过与金属或非金属复合，可以获得高性能的结构材料，这些优异的性能使泡沫炭在化工、航空航天、电子、能源等诸多
极具应用潜力，近年来，炭泡沫材料的研究在国内外得到高度关注。CN1966404A公开了一种用芳基乙炔单体制备碳泡沫的方法，所述制备方法首先选取纯度90-94％以上，间苯乙炔和对苯乙炔的质量比为5:2的芳基乙炔单体为原料。接着按比例加入发泡剂正戊烷和匀泡剂吐温80，升温搅拌，滴加固化剂硫酸，继续恒温搅拌，在固化过程中发泡，获得部分固化的泡沫体。然后用丙酮溶液浸泡清洗上述泡沫体以去除其中的匀泡剂和固化剂。再将其分级完全固化：120℃恒温干燥2h，150℃恒温干燥2h，180℃恒温干燥2h，200℃恒温干燥2h，氮气氛围中350℃后处理4h，得到聚芳基乙炔泡沫。最后将其沫在氮气氛围中以10℃/min由室温加热到900℃，恒温180min让其碳化，再缓慢降至室温，即得到碳泡沫。CN101955179A公开了一种使用生物质焦油制备泡沫炭的方法，所述方法步骤一：按质量比0.5:1～5:1称取生物质焦油和交联剂置于反应器内，搅拌均匀，加入质量为焦油和交联剂总质量4～9％的催化剂，在120～160℃惰性气氛下加热搅拌，反应1～6h后，得B阶缩合多环芳烃树脂；步骤二：将B阶缩合多环芳烃树脂置于氧化剂于中，在空气氛围下，加热至高于树脂软化点10～70℃，得氧化B阶树脂；步骤三：将氧化B阶树脂研磨后装入常压定容模具中，在250～400℃条件下加热30～120min，得到泡沫树脂；步骤四：将泡沫树脂放入炭化炉中，惰性气氛下升温至600～1500℃，保温0.5～4h后冷却至室温，得到泡沫炭。CN102134068A提供了一种高开孔率石墨化泡沫炭的制备方法，所述制备方法用沥青类物质重量的1-5倍的有机溶剂对沥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2-10min，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℃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0.5-5℃/min程序升温至200-350℃，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0.01-50℃/min程序升温至700-1500℃得到泡沫炭；将所得泡沫炭以1-50℃/min程序升温至2800-3000℃，得到高开孔率石墨化泡沫炭。综上所述，现有技术制备碳泡沫采用的原料都有一定的缺点，树脂易于控制发泡得到孔径细小均匀的泡沫前体，但难以石墨化且脆性大，而沥青、焦油、煤等易于获得高导热高导电的石墨泡沫，但泡沫前体的制备装置要求较高，工艺过程比较繁锁，同时现有技术制备的炭泡沫的强度都较低。因此，研究一种新型的炭泡沫的制备方法十分重要。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种炭泡沫的制备方法，所述制备方法以糖类物质为碳源，原料成本低廉，无毒无害，发泡简单，泡沫的体积和密度可控，可以充分填充到模具中，糖类物质中碳的转化率高，且制备得到的炭泡沫的强度高，生产工艺简单，适合工业化生产。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供一种炭泡沫材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)以糖类物质为碳源材料，与水凝胶剂材料溶于水中，得到混合液；(2)向步骤(1)得到的混合液中加入发泡剂，在惰性气体保护下发泡得到发泡体，然后将发泡体凝胶固化，得到泡沫凝胶体；(3)将步骤(2)得到的泡沫凝胶体进行碳化处理，得到炭泡沫材料。本专利技术采用糖类物质作为碳源材料，通过加入凝胶剂材料，再加入选择的发泡剂发泡，碳化后可以获得高强度的碳泡沫材料。糖类物质作为碳源，制备成混合液并加入发泡剂后，由于改变了混合液的表面张力，因此搅拌后可获得细小均匀的泡沫，加入凝胶剂材料凝胶固化后，形成高分子三维网络状结构，将泡沫壁中糖类物质束缚在极小的空间内，避免了在后续处理过程中糖类物质的挥发和不可控发泡造成泡沫体的变化。由于泡沫细小均匀，因此形成的炭泡沫材料中的孔同样细小均匀，且孔壁均匀致密，提高了碳泡沫材料的强度。所以，糖类物质、凝胶剂材料以及发泡剂三者协同作用，使形成的泡沫均匀细小，从而使碳泡沫材料的强度得到了提升。以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好的达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述糖类物质包括水溶性糖类物质和/或非水溶性糖类物质。优选地，所述水溶性糖类物质包括蔗糖、葡萄糖、果糖和麦芽糖中的任一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：蔗糖和葡萄糖的组合、葡萄糖和果糖的组合、果糖和麦芽糖的组合、麦芽糖和蔗糖的组合或蔗糖、葡萄糖和果糖的组合等。优选地，所述非水溶性糖类物质包括玉米淀粉、马铃薯淀粉和红薯淀粉中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：玉米淀粉和马铃薯淀粉的组合、马铃薯淀粉和红薯淀粉的组合、红薯淀粉和玉米淀粉的组合或玉米淀粉、马铃薯淀粉和红薯淀粉的组合等。其中，非水溶性糖类物质并非在水中的溶解度为0，这些糖类物质在水中有很小的溶解度，但是宏观上很难观察到溶解的存在，因此将其定义为非水溶性糖类物质。优选地，水溶性糖类物质的加入量为水重量的80～200％，如80％、90％、100％、110％、120％、130％、140％、150％、160％、170％、180％、190％或200％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。优选地，非水溶性糖类物质的加入量为水重量的50～100％，如50％、60％、70％、80％、90％或100％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。糖类物质原料廉价易得，无毒无害，作为碳水化合物，除水后没有其他杂质，可以得到高纯度碳泡沫，若要制备特殊用途的超高纯度碳泡沫时，可使用的蔗糖、葡萄糖、果糖、麦芽糖等水溶性原料并对其进行预提纯处理，典型方法是将其水溶液在离子交换柱中反复过滤去除杂质直至达到所需要的纯度，同时使用不含金属离子的发泡剂即可。其中蔗糖、葡萄糖、果糖、麦芽糖等水溶性原料可以方便地配制不同浓度的水溶液供使用，室温下100g水中可溶解210g蔗糖，果糖的溶解度更为蔗糖的1.9倍，麦芽糖甚至可以在室温下以液体形式存在，与水无限互溶，葡萄糖室温下溶解度虽不算很高，但在60℃以上100g水中则可溶解葡萄糖300g以上，且该过饱合溶液降至室温可延时数小时不会析出。而玉米淀粉、马铃薯淀粉等非水溶性(或溶解度很小)原料配制水料浆悬浮性好不易沉降，非常方便配制水料浆供使用，操作方便。与一般高分子树脂不同，葡萄糖、果糖是含有一个六元环而蔗糖、麦芽糖是含有两个六元环的小分子有机物，淀粉则是可看作是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种炭泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)以糖类物质为碳源材料，与水凝胶剂材料溶于水中，得到混合液；(2)向步骤(1)得到的混合液中加入发泡剂，在惰性气体保护下发泡得到发泡体，然后将发泡体凝胶固化，得到泡沫凝胶体；(3)将步骤(2)得到的泡沫凝胶体进行碳化处理，得到炭泡沫材料。

【技术特征摘要】
1.一种炭泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)以糖类物质为碳源材料，与水凝胶剂材料溶于水中，得到混合液；(2)向步骤(1)得到的混合液中加入发泡剂，在惰性气体保护下发泡得到发泡体，然后将发泡体凝胶固化，得到泡沫凝胶体；(3)将步骤(2)得到的泡沫凝胶体进行碳化处理，得到炭泡沫材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述糖类物质包括水溶性糖类物质和/或非水溶性糖类物质；优选地，所述水溶性糖类物质包括蔗糖、葡萄糖、果糖和麦芽糖中的任一种或至少两种的组合；优选地，所述非水溶性糖类物质包括玉米淀粉、马铃薯淀粉和红薯淀粉中任意一种或至少两种的组合；优选地，水溶性糖类物质的加入量为水重量的80～200％；优选地，非水溶性糖类物质的加入量为水重量的50～100％；优选地，步骤(1)所述水凝胶剂材料为丙烯酰胺与N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的组合；优选地，所述丙烯酰胺和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺凝胶剂材料的加入量为水质量的10～35％，进一步优选为15～25％；优选地，所述丙烯酰胺和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺比例为10:1～30:1，进一步优选为15:1～25:1；优选地，步骤(2)所述发泡剂包括离子型表面活性剂发泡剂、非离子型表面活性剂发泡剂、蛋白活性物型发泡剂和复合型发泡剂中任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(2)所述发泡剂包括水泥发泡剂，进一步优选为中国建筑材料科学研究总院生产的水溶性复合非离子型水泥发泡剂FP-12；优选地，步骤(2)所述发泡剂的加入量为步骤(1)得到的混合液质量的0.5～2％；优选地，步骤(2)所述发泡的时间为10～60min，进一步优选为20～40min；优选地，步骤(2)所述发泡体的体积为混合液体积的1.5～4.0倍。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述惰性气体包括氮气和/或氩气；优选地，步骤(2)所述发泡在搅拌下进行；优选地，所述搅拌的方式选自机械搅拌或电磁搅拌；优选地，所述的搅拌速率为1000～2500r/min。4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述凝胶固化为引发剂-催化剂凝胶固化；优选地，所述引发剂-催化剂凝胶固化包括如下步骤：在凝胶固化前向发泡体中边搅拌边加入引发剂和催化剂；优选地，所述引发剂包括过硫酸铵、过硫酸钾和过硫酸钠中任意一种或至少两种的组合，进一步优选为过硫酸铵；优选地，所述引发剂以水溶液的形式加入，所述引发剂水溶液浓度为5～15wt％；优选地，所述引发剂水溶液的加入量为原混合液质量的2～5％；优选地，所述催化剂选自三乙醇胺和/或四甲基乙二胺；优选地，所述催化剂以水溶液的形式加入，所述催化剂水溶液的浓度为20～50wt％；优选地，所述催化剂水溶液的加入量为原混合液质量的1.0～3.0％...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈大明，蒋丹宇，
申请(专利权)人：陈大明，
类型：发明
国别省市：北京,11