本发明专利技术提供了一种固定糖类物质中的碳并制取高纯碳(石墨)材料的方法，所述方法以廉价易得的蔗糖、葡萄糖、果糖、麦芽糖高纯度水溶性糖类物质为碳源材料，以丙烯酰胺和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为凝胶材料，配制水溶液，在一定条件下形成凝胶体，经250℃以下低温热解预碳化处理后，再于800～2800℃高温碳化(石墨化)处理即可获得微晶结构的高纯度碳(石墨)材料。该方法原料来源广泛，工艺简单方便，无环境污染问题。通过使糖类物质中的碳被凝胶体固定，抑制其加热分解过程中的不可控发泡问题，可使糖类物质中碳收得率达到其理论含碳量的97％以上；通过对糖类物质预提纯处理，可使所得碳(石墨)材料的纯度达到99.99％以上。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供了一种固定糖类物质中的碳并制取高纯碳(石墨)材料的方法，所述方法以廉价易得的蔗糖、葡萄糖、果糖、麦芽糖高纯度水溶性糖类物质为碳源材料，以丙烯酰胺和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为凝胶材料，配制水溶液，在一定条件下形成凝胶体，经250℃以下低温热解预碳化处理后，再于800～2800℃高温碳化(石墨化)处理即可获得微晶结构的高纯度碳(石墨)材料。该方法原料来源广泛，工艺简单方便，无环境污染问题。通过使糖类物质中的碳被凝胶体固定，抑制其加热分解过程中的不可控发泡问题，可使糖类物质中碳收得率达到其理论含碳量的97％以上；通过对糖类物质预提纯处理，可使所得碳(石墨)材料的纯度达到99.99％以上。【专利说明】一种固定糖类物质中的碳并制取高纯碳(石墨)材料的方法
本专利技术属于炭素材料制备工艺领域，具体涉及一种固定糖类物质中的碳并制取碳(石墨)材料的方法。
技术介绍
碳(石墨)材料具有耐高温、良好的导电导热性、抗热震性以及化学稳定性等，是一种重要的非金属材料。作为一种工业原料，在一些特殊行业和高科技领域内有着举足轻重的地位，如原子能、航空航天、半导体、新能源、汽车工业等，这些行业使用的碳(石墨)必须是碳含量在99.9%以上甚至要求更高的纯度，一般产品的纯度难以满足对高纯碳(石墨)的要求。因而，高纯碳(石墨)材料的开发、生产已成为其向更宽、更深领域发展亟需解决的问题之一。 自20世纪90年代以来，人们根据碳(石墨)材料化学性质稳定，具有高的熔点和沸点，一般条件下不与各种强酸、碱、氧化剂及还原剂、各种有机和无机溶剂发生作用的特征，开发出了湿法提纯法和火法提纯法等提纯工艺，提高碳(石墨)产品的纯度及质量。 浮选法是利用石墨的可浮性对石墨进行富集提纯，主要适应于可浮性好的天然鳞片状石墨。石墨经浮选后最终精矿品位通常为90 %左右,有时可达94~95 %,因此王要应用于石墨的初步提纯。 酸碱法又称碱酸法，根据石墨中部分杂质在高温下可与NaOH反应，生成水溶性产物，用水浸取洗涤而被除去，另外一部分杂质再用盐酸浸泡使其转变为可溶性的氯化物，用水洗涤而除去。酸碱法可以使碳含量为87%~88%的石墨纯化到99%以上。该法容易造成水污染，且难以达到纯化至99.9%以上的水平。 氢氟酸提纯法利用氢氟酸能与石墨中的杂质反应生成溶于水的化合物及挥发物，然后用水冲洗除去杂质化合物，从而达到提纯的目的。氢氟酸和混合酸在常温常压下几乎可以溶解全部矿物质，是一种较理想的去除矿物质的化学脱灰剂，提纯后的石墨固定碳含量可以达到99.9%。氢氟酸提纯法已经在国内外石墨厂家实现了工业化生产，使用较普遍，因此，氢氟酸法提纯石墨的研究也显得非常活跃。同样，该法容易造成水污染，对设备耐腐蚀性要求高,成本也较高。 氯化焙烧法是将石墨在一定高温和特定的气氛下焙烧，再通入氯气进行化学反应，使石墨中杂质进行氯化反应，生成气相或凝聚物的氯化物及络合物(熔沸点较低)逸出，从而达到提纯的目的。CN 101357761A在密闭的石墨化炉中，通惰性气体、氯气、氟利昂或四氟乙烷的一种或几种进行石墨化提纯，得到了灰分含量小于50ppm的高纯石墨。同样，该法容易造成气体污染,对设备耐腐蚀性要求更高,成本也较高。 高温提纯法是在高温石墨化技术的基础上发展而成。石墨是自然界中熔点最高的物质之一，它的熔点和沸点远高于所含杂质的熔点和沸点，因此理论上认为，只要将石墨原料加热到2700°C以上，就可以利用杂质沸点低的性质，使它们率先气化而脱除，保温一定时间后，就可以将所有杂质除掉。有研究用闻温石墨化法提纯石墨，使石墨的含碳量达到99.99%以上。但高温法提纯石墨的有以下几点问题:①高温法提纯的原料纯度要求一般是99%以上，一般应使用预先经过提纯的石墨原料才行，增加工艺成本；②高温提纯法适于细石墨粉的提纯，需使用石墨坩埚装载，而石墨坩埚灰分含量必须低于待提纯石墨材料，否则，石墨坩埚材料中逸出的灰分就会透过坩埚向较低浓度的待提纯石墨材料扩散，造成石墨纯化效果差，这对石墨坩埚的要求就很高，进一步增加成本。 除上述以天然石墨粉为原料经提纯而获得高纯度石墨材料外，人们常用高含碳量的焦油、浙青等原料加热分解获得焦油及浙青碳进而制取人造石墨材料，但受原料纯度影响，所得碳(石墨)材料纯度一般都不高。也有用高纯度高残碳收率的树脂热分解来获得高纯度碳(石墨)材料的技术。例如，先制备聚丙烯腈纤维，经一定条件高温碳化或石墨化制备高强度碳纤维或高模量石墨化纤维；用高残碳收率的酚醛树脂-乙醇溶液多次浸溃碳纤维预制体-热解处理来制备碳/碳复合材料；先制备热固性酚醛树脂多孔体或中间相浙青多孔体，再经高温热解处理得到碳泡沫及石墨泡沫材料；先制备间苯二酚-甲醛水凝胶，经超临界处理脱水并进一步高温碳化处理制备碳气凝胶材料等等。但以高纯度高残碳收率的树脂热分解来获得高纯度碳(石墨)其材料成本和工艺成本均很高，主要在一些特殊用途条件下才使用。 水溶性糖类物质如蔗糖、葡萄糖、果糖、麦芽糖等，通常被称为碳水化合物，是在自然界可循环再生的由植物体提取的材料，取之不尽，廉价易得，提纯容易。可以设想，如果将糖类物质中的水脱除掉而使碳保留，就很容易获得高纯碳材料。中学化学试验课教给我们一种最简单的办法，即用浓硫酸脱除蔗糖中的水制取“黑面包”，就是一种使碳、水分离的实例。但这一脱水过程会造成浓硫酸严重发热，继而硫酸与碳发生进一步氧化-还原反应生成CO2气体逸出，使蔗糖中碳的收得率大打折扣。同时，这一方案中蔗糖会因H20、SO2XO2等气体急速生成而出现不可控发泡情况，体积极大膨胀，会给操作带来很大不便。因此，用浓硫酸脱除蔗糖中水分仅只为证明浓硫酸的脱水性，并未成为制取碳材料的方法。最近有文献报道用沸石、硅藻土等多孔矿物模板，将蔗糖水溶液浸溃于其微孔内，以浓硫酸处理使其固化，经高温碳化处理然后用氢氟酸除去矿物模板而得到多孔碳材料，但未见对蔗糖的碳收得率进行研究。 还有一种简单的办法是通过加热分解使碳、水分离。但一般情况下，糖类物质热分解过程中碳收得率很低，通常不超过15%。 申请人:用热分析法测定了几种糖类物质的热重曲线，结果表明，在高纯氩气保护条件下，蔗糖(C12H22O11,理论含碳量42.1% )以10°C /min和30°C /min升温至1500°C时均只剩下14.3%的残碳，仅为其理论含碳量的34% ;而一水葡萄糖(C6H12O6.H2O,理论含碳量36.4% )以10°C /min升温至1500°C时只剩下10.1%的残碳，不足其理论含碳量的28%。同时，糖类物质加热达到其熔点温度时也会出现严重的不可控发泡，体积极大膨胀，给操作带来很大不便。 申请人:分别将20g蔗糖、葡萄糖放入250ml烧杯中于烘箱中加热，发现其对应的发泡温度约为180°C左右，在该温度以上保温过程中均大部分溢出烧杯。以上结果表明，简单的加热分解并不适于用糖类物质制取高纯碳(石墨)材料，需进一步采取有效措施来抑制其不可控发泡问题并提高碳收得率。
技术实现思路
为解决以往用天然石墨提纯法以及用树脂热分解法制取闻纯碳(石墨)存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种以高纯度蔗糖、葡萄糖、果糖和麦芽糖本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种固定糖类物质中的碳并制备碳材料的方法，其特征在于，所述方法以水溶性糖类物质为碳源材料，丙烯酰胺和N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺为凝胶材料配制水溶液，然后进行凝胶固化，形成凝胶体，再进行低温热解预碳化处理和高温碳化(石墨化)处理后，即可得到碳(石墨)材料。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈大明，
申请(专利权)人：陈大明，蒋丹宇，
类型：发明
国别省市：北京;11
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