一种高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料的制备方法技术

一种高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料的制备方法，经溶胶‑凝胶过程、固化过程、炭化热解过程一次性制备出高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料；以酚类化合物和醛类化合物为原料，水或乙醇为溶剂，少量碱性化合物为催化剂，以酸性含氮有机化合物为改性剂，加入适量固化剂，促进反应物聚合交联，制备出块体聚合物，干燥后炭化得到高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料。本发明专利技术合成的代表性样品具备了高比表、多等级孔道、高机械强度、良好的化学惰性，尤其是优良的耐磨性能，在催化剂载体、吸附剂、色谱柱填料、电极材料有广阔的应用前景。本发明专利技术方法反应条件温和、操作简单，避免了多孔炭材料高强度、耐磨性与高比表、多孔性不能兼顾的问题。

Preparation of an Integral Porous Carbon Material with High Strength and Wear Resistance

A monolithic porous carbon material with high strength and high wear resistance is prepared by sol-gel process, curing process and carbonization pyrolysis process. The integral porous carbon material with high strength and high wear resistance is prepared at one time. Phenols and aldehydes are used as raw materials, water or ethanol as solvent, a small amount of basic compounds as catalysts, and acid nitrogen containing organic compounds as the catalyst. The monolithic porous carbon materials with high strength and wear resistance were obtained by carbonization after drying. The representative sample synthesized by the invention has high specific meter, multi-grade pore channels, high mechanical strength, good chemical inertia, especially excellent wear resistance, and has broad application prospects in catalyst carrier, adsorbent, chromatographic column filler and electrode material. The method has mild reaction conditions and simple operation, avoiding the problems of high strength, abrasion resistance, high specific meter and porosity of porous carbon materials.

【技术实现步骤摘要】
一种高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料的制备方法
本专利技术涉及一种简单的高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料的制备方法。
技术介绍
多孔炭是一种多孔性的含碳物质，具有发达的孔隙结构、良好的化学稳定性、热稳定性、耐水汽性和导电性，在催化、吸附、电化学储能领域应用广泛。但目前制备合成的多孔炭材料为粉末状，为满足实际应用需求，必须要经过粘结剂成型，提升机械强度和耐磨性。由于粘结剂的存在，会显著降低成型多孔炭的孔隙率。因此成型炭通常还要进一步活化扩孔，但这又会降低成型炭的机械强度和耐磨性(洁净煤技术,2008,14,23；新型炭材料,2000,15:6-10)。直接制备自支撑整体式多孔炭收到企业的极大关注，近年来陆续有文献和专利报道(CN200910220488.8；CN201710406263.6)。这些整体式多孔炭的制备基本是以酚醛碱性聚合物为前躯体，经溶胶-凝胶过程和炭化过程得到。这些自支撑整体式多孔炭虽然具有丰富的孔隙结构和一定的抗压强度，但耐磨性不好，掉粉现象严重，磨耗率高，不能满足工业要求。因此需要探索新的制备工艺，在不影响炭材料比表面积和孔隙结构的基础上，同时提高自支撑整体式多孔炭的耐磨性和机械强度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有成型活性炭材料强度低、易粉化等不足，以酸性含氮有机物为改性剂，基于酚醛聚合反应，制备高强度、高耐磨性整体式多孔炭。该方法可以解决多孔炭材料高强度、高耐磨性与高比表面积、高孔隙率不能够兼得的技术难题。本专利技术的技术方案：一种高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料的制备方法，经溶胶-凝胶过程、固化过程、炭化热解过程一次性制备出高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料；以酚类化合物和醛类化合物为原料，水或乙醇为溶剂，少量碱性化合物为催化剂，以酸性含氮有机化合物为改性剂，加入适量固化剂，促进反应物聚合交联，制备出块体聚合物，干燥后炭化得到高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料。步骤如下：(1)将酸性含氮有机化合物加入甲醛溶液中，再加入碱性化合物溶液，室温搅拌至全部溶解，得到透明无色溶液，标记为溶液A，其中，酸性含氮有机化合物与甲醛的摩尔比为0.1:1～0.5:1，碱性化合物与酸性含氮有的机物摩尔比为不大于0.05:1，控制碱性化合物的浓度为1mol/l～5mol/l；优选酸性含氮有机物与甲醛的摩尔比为0.1:1，碱性化合物与酸性含氮有机化合物摩尔比为0.038:1。(2)配制浓度为0.2～1.0g/ml的间苯二酚溶液，标记为溶液B；(3)将溶液B倒入溶液A，室温搅拌10～60min，得到澄清透明溶液，其中间苯二酚与甲醛的摩尔比为0.5:1～1.25:1；(4)在搅拌状态下加入固化剂，搅拌至全部溶解，标记为溶液C，其中固化剂的用量为所有反应物总质量的0.5～5wt.％；(5)将溶液C倒入反应器，90℃反应4h，冷却后取出，于50℃干燥24h，得到干燥的块体聚合物；(6)炭化：将步骤(5)得到的聚合物置于氩气的气氛中，以0.5～10℃/min的升温速率升温至600～1100℃，保温2小时，即得高强度、高耐磨性的整体式多孔炭。其中，控制反应体系的固含量，即溶液非挥发性物质含量为20～50wt.％。所述的酸性含氮有机化合物为天冬氨酸、谷氨酸、三聚氰酸、吡咯、盐酸胍中的一种或两种以上混合。所述的固化剂为六亚甲基四胺、多聚甲醛、苯磺酰氯、甲基苯磺酰氯中的一种或两种以上混合。反应体系的溶剂为水或乙醇。所述的碱性化合物为碳酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或两种以上混合。所述的间苯二酚可以替换为苯酚或间苯三酚。所述的甲醛可以替换为乙二醛或对苯二甲醛。本专利技术的有益效果：本专利技术以弱酸性含氮有机物为改性剂，基于酚醛聚合反应，制备高强度、高耐磨性整体式多孔炭，并具有丰富的孔隙结构。本专利技术合成的代表性样品具备了高比表、多等级孔道、高机械强度、良好的化学惰性，尤其是优良的耐磨性能，在催化剂载体、吸附剂、色谱柱填料、电极材料有广阔的应用前景。本专利技术方法反应条件温和、操作简单，有效避免了多孔炭材料高强度、耐磨性与高比表、多孔性不能兼顾的问题。附图说明图1是实施例3的氮吸附曲线。具体实施方式为了使本专利技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1(以盐酸胍为酸性改性剂)将2.6g盐酸胍加入4ml浓度为50mmol/l的乙二醛溶液中，室温搅拌至全部溶解，溶液标记为A；室温下将2.930g间苯二酚溶于3ml去离子水，溶液标记为B；将溶液B倒入溶液A，加入六亚甲基四胺，室温搅拌至全部溶解，溶液标记为C；将溶液C倒入反应器，90℃反应4h，冷却后取出产物干燥；将得到的聚合物置于氩气的气氛中，流量为100ml/min，以2℃/min的升温速率升温至700℃，保温2小时，冷却至室温取出。样品产率为44.3％，比表面积约为600m2/g，径向抗压强度约为600N/cm，测试磨耗率为1.7wt.％。实施例2(以天冬氨酸为酸性改性剂)将0.573g天冬氨酸加入6ml甲醛溶液中，室温搅拌至全部溶解，溶液标记为A；室温下将2.237g苯酚溶于4ml乙醇，溶液标记为B；将溶液B倒入溶液A，加入多聚甲醛，室温搅拌至全部溶解，溶液标记为C；将溶液C倒入反应器，90℃反应4h，冷却后取出产物干燥；将得到的聚合物置于氩气的气氛中，流量为100ml/min，以1℃/min的升温速率升温至800℃，保温2小时，冷却至室温取出。样品产率为50.6％，比表面积为670m2/g，径向抗压强度约为400N/cm，测试磨耗率为1.4wt.％。实施例3(以盐酸胍为酸性改性剂)将0.687g盐酸胍加入4ml甲醛溶液中，加入5mol/l的碳酸钾溶液40μl，室温搅拌至全部溶解，溶液标记为A；室温下将2.930g间苯二酚溶于4ml去离子水，溶液标记为B；将溶液B倒入溶液A，加入六亚甲基四胺，室温搅拌至全部溶解，溶液标记为C；将溶液C倒入反应器，90℃反应4h，冷却后取出产物干燥；将得到的聚合物置于氩气的气氛中，流量为100ml/min，以2℃/min的升温速率升温至1000℃，保温2小时，冷却至室温取出。样品产率为45.7％，比表面积约为630m2/g，径向抗压强度约为1000N/cm，测试磨耗率仅为0.5wt.％。实施例4(以三聚氰酸为酸性改性剂)将0.918g三聚氰酸加入6ml甲醛溶液中，加入3mol/l的碳酸钾溶液20μl，室温搅拌至全部溶解，溶液标记为A；室温下将4.395g间苯二酚溶于6ml乙醇，溶液标记为B；将溶液B倒入溶液A，加入多聚甲醛，室温搅拌至全部溶解，溶液标记为C；将溶液C倒入反应器，90℃反应4h，冷却后取出产物干燥；将得到的聚合物置于氩气的气氛中，流量为100ml/min，以5℃/min的升温速率升温至600℃，保温2小时，冷却至室温取出。样品产率为50.3％，比表面积约为750m2/g，径向抗压强度约为550N/cm，测试磨耗率为1.8wt.％实施例5(以吡咯为酸性改性剂)将0.357g吡咯溶于5ml乙醇，加入5ml甲醛溶液，加入2mol/l的碳酸钾溶液100μl，室温充分搅拌，溶液标记为A；室温下将4.395g间苯二酚溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：(1)将酸性含氮有机化合物加入甲醛溶液中，再加入碱性化合物溶液，室温搅拌至全部溶解，得到透明无色溶液，标记为溶液A，其中，酸性含氮有机化合物与甲醛的摩尔比为0.1:1～0.5:1，碱性化合物与酸性含氮有的机物摩尔比为不大于0.05:1，控制碱性化合物的浓度为1mol/l～5mol/l；(2)配制浓度为0.2～1.0g/ml的间苯二酚溶液，标记为溶液B；(3)将溶液B倒入溶液A，室温搅拌10～60min，得到澄清透明溶液，其中间苯二酚与甲醛的摩尔比为0.5:1～1.25:1；(4)在搅拌状态下加入固化剂，搅拌至全部溶解，标记为溶液C，其中固化剂的用量为所有反应物总质量的0.5～5wt.％；(5)将溶液C倒入反应器，90℃反应4h，冷却后取出，于50℃干燥24h，得到干燥的块体聚合物；(6)炭化：将步骤(5)得到的聚合物置于氩气的气氛中，以0.5～10℃/min的升温速率升温至600～1100℃，保温2小时，即得高强度、高耐磨性的整体式多孔炭；其中，控制反应体系的固含量，即溶液非挥发性物质含量为20～50wt.％。

【技术特征摘要】
1.一种高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：(1)将酸性含氮有机化合物加入甲醛溶液中，再加入碱性化合物溶液，室温搅拌至全部溶解，得到透明无色溶液，标记为溶液A，其中，酸性含氮有机化合物与甲醛的摩尔比为0.1:1～0.5:1，碱性化合物与酸性含氮有的机物摩尔比为不大于0.05:1，控制碱性化合物的浓度为1mol/l～5mol/l；(2)配制浓度为0.2～1.0g/ml的间苯二酚溶液，标记为溶液B；(3)将溶液B倒入溶液A，室温搅拌10～60min，得到澄清透明溶液，其中间苯二酚与甲醛的摩尔比为0.5:1～1.25:1；(4)在搅拌状态下加入固化剂，搅拌至全部溶解，标记为溶液C，其中固化剂的用量为所有反应物总质量的0.5～5wt.％；(5)将溶液C倒入反应器，90℃反应4h，冷却后取出，于50℃干燥24h，得到干燥的块体聚合物；(6)炭化：将步骤(5)得到的聚合物置于氩气的气氛中，以0.5～10℃/min的升温速率升温至600～1100℃，保温2小时，即得高强度、高耐磨性的整体式多孔炭；其中，控制反应体系的固含量，即溶液非挥发性物质含量为20～50wt.％。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的酸性含氮有机物与甲醛的摩尔比为0.1:1，碱性...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆安慧，杜杰，李文翠，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21