一种轻质高强微球型酚醛树脂基泡沫碳的一步制备方法技术

一种轻质高强微球型酚醛树脂基泡沫碳的一步制备方法，属于泡沫碳制备技术领域，解决微球型碳泡沫的传统制备工艺路线长、工艺复杂的技术问题，解决方案为：将真空抽滤处理后的发泡用水溶性酚醛树脂作为发泡原料，用蒸馏水和无水乙醇的混合溶液做溶剂，再加入一定量的发泡剂、发泡稳定剂和偶联剂后混合溶解均匀，倒入发泡模具中，放入高温高压釜中，加压保持在1.0‑3.0MPa，按一定的温度程序加热到120‑250℃发泡和固化，制得酚醛树脂基泡沫固化体，最后将泡沫固化体放入碳化炉中以一定的升温程序加热碳化，制备得轻质高强微球型酚醛树脂基泡沫碳。本发明专利技术制备微球型泡沫碳体积密度低、力学性能高、隔热性能好，制备工艺操作简单方便，制备过程耗时短，工艺可控性强。

One step preparation method of foamed carbon based on light and high-strength microsphere phenolic resin

【技术实现步骤摘要】
一种轻质高强微球型酚醛树脂基泡沫碳的一步制备方法
本专利技术属于泡沫碳制备
，具体涉及的是一种轻质高强微球型酚醛树脂基泡沫碳的一步制备方法。
技术介绍
泡沫碳是一种新型的具有三维网络结构的多孔碳材料，该材料同时具备碳材料和泡沫材料的一般特点，这两种材料特点的结合形成了碳泡沫材料无可比拟的优点。由于这种特殊的新型多孔性碳材料，孔径微小且相互贯穿、比表面积大、密度和性能可调可控，在声学、光学、电学、热学和动力学等方面具有独特性质，泡沫碳在储能材料、隐身材料、核防护材料、催化剂载体、高能电极等方面都有着极大的开发和利用潜力，目前引起了人们极大的关注。根据原料的区分，目前有树脂基、沥青基、煤基和有机生物基四种碳泡沫。根据微观结构的区别，碳泡沫主要分为三种：韧带网络型碳泡沫、微球型碳泡沫、纳米型碳泡沫等。目前制备微球型酚醛树脂基沫碳的传统工艺可以简单描述为：首先，以酚醛树脂或其它聚合物为原料加热制得碳微球；然后，将碳微球与粘结剂溶解于某一特定的溶剂中，使其分散，混合均匀，然后烘干、模压成型，最后经过高温处理得到低密度的泡沫碳材料。2002年，BrunetonE先将酚醛树脂加热处理制得碳微球，然后将碳微球与粘结剂在特定的溶剂中分散均匀，随后除去多余的粘结剂与溶剂，最后经碳化处理得到碳泡沫材料。该材料由三个部分所组成：粘结剂、中空的球体和二者之间的孔隙。微球型碳泡沫材料的结构顾名思义其单元都是球体结构，一般结构单元中的球体可以分为空心微球和实心微球。这种制备工艺需要经过微球的制备、微球和粘结剂的混合、在溶剂中分散、烘干、模压成型和碳化高温处理等工艺后才能制备得微球型泡沫碳。所以，制备微球型碳泡沫的传统工艺路线较长，工艺复杂，操作步骤多，需要花费较长的时间和较高成本。上述问题或缺陷在较大的程度上限制了微球型酚醛树脂基泡沫碳的进一步应用。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的：为了克服现有技术中的不足，解决微球型泡沫碳的传统制备工艺路线较长、工艺复杂、操作步骤多、需要花费较长的时间和较高成本的技术问题，本专利技术提供一种轻质高强微球型酚醛树脂基泡沫碳的一步制备方法，通过本专利技术制备的微球型酚醛树脂基泡沫碳，其微球为三维网络连接的实心球体,其微球直径≤10μm，分布均匀，孔径≤10μm，孔结构分布均匀。本专利技术的设计构思：采用水溶性酚醛树脂作为发泡原料，无水乙醇和蒸馏水的混合液作为溶剂，发泡原料、溶剂、发泡稳定剂和偶联剂一同配制发泡用树脂溶液，然后在高温高压釜中程序加热发泡和固化，制得酚醛树脂基泡沫固化体，最后将泡沫固化体放入碳化炉中以一定的升温程序加热碳化，一步制备得轻质高强微球型酚醛树脂基泡沫碳。本专利技术实现了微球型酚醛树脂基泡沫碳的一步法制备，不再单独需要球体的制备，球体和粘结剂的混合分散、烘干和模压成型过程和工艺。在制备过程中，树脂微球自动成型和连接成三维网络结构形成泡沫碳的固体骨架，球间的孔隙形成泡沫碳的孔结构。制备的球体直径小，分布均匀，三维网络连接，可赋予微球型酚醛树脂基泡沫碳材料较高的力学性能。球间的空隙形成的孔结构，孔径小，分布均匀，可赋予微球型酚醛树脂基泡沫碳材料较好的隔热性能。本专利技术通过以下技术方案予以实现。一种轻质高强微球型酚醛树脂基泡沫碳的一步制备方法，包括以下步骤：S1、水溶性酚醛树脂的真空抽滤处理：首先，采用水溶性酚醛树脂作为原料，采用蒸馏水和无水乙醇的混合溶液作为混合溶剂，混合溶剂中蒸馏水和无水乙醇的体积比为(4-9):1,水溶性酚醛树脂与混合溶剂的质量体积比为10:10-1，按比例称取水溶性酚醛树脂和混合溶剂，并将水溶性酚醛树脂溶解于混合溶剂中；然后，将溶剂溶液加热到40-50℃，用布什漏斗在真空度-0.08MPa下真空抽滤，过滤除去溶液中的固体杂质，获得水溶性酚醛树脂溶液；S2、发泡用水溶性酚醛树脂溶液的配制：常温、常压下向步骤S1制得的水溶性酚醛树脂溶液中按比例加入发泡稳定剂和偶联剂，搅拌混合均匀后，制得不同树脂浓度的发泡用水溶性酚醛树脂溶液留待后步使用；其中，水溶性酚醛树脂溶液、发泡稳定剂与偶联剂的质量比为100:(5-10):(0.5-1)；S3、发泡用水溶性酚醛树脂溶液的高温高压发泡：首先，将步骤S2制得的发泡用水溶性酚醛树脂溶液倒入发泡模具中，将发泡模具放入反应釜中，并向反应釜中通入高纯氮气，使反应釜内压力保持在1.0-3.0MPa；然后，反应釜以0.5-1℃/分的升温速度加热到120-150℃后，以0.1-0.3MPa/h的速度缓慢卸压，使反应釜内压力缓慢地降到常压，反应釜卸压过程中温度保持恒定；最后，以0.1-0.5℃/分的升温速度加热到200-250℃，恒温固化成型2-3h，然后自然冷却到室温，制得酚醛树脂泡沫体；S4、酚醛树脂泡沫体的高温碳化处理：将步骤S3制得的酚醛树脂泡沫体放入高温碳化炉中，在高纯氩气的保护气氛围中，以0.5-2℃/分的升温速度加热到1200-1500℃，恒温碳化120-180分钟，制得微球型酚醛树脂基泡沫碳。进一步地，在所述步骤S1中，所述的水溶性酚醛树脂为热固性酚醛树脂，游离甲醛含量≤2wt.%，固含量40wt.%。进一步地，在所述步骤S2中，所述发泡稳定剂的型号为吐温80、吐温60或者吐温40。进一步地，在所述步骤S2中，所述偶联剂为KH-550型硅烷偶联剂或者KH-560型硅烷偶联剂。与现有技术相比本专利技术的有益效果为：1）本专利技术使树脂微球可在发泡固化过程中自动成型和组装连接，不再单独需要球体的制备，球体和粘结剂的混合分散、烘干和模压成型工艺，制备微球型泡沫碳工艺操作简单方便，可行性强，制备过程耗时短。2）本专利技术制备的酚醛树脂基泡沫碳为微球型泡沫碳，球体直径小，分布均匀，三维网络连接，孔径小分布均匀，具有低的体积密度、较高的力学性能和更好的隔热性能。3）本专利技术通过工艺参数的控制可以制得不同密度和不同性能的微球型酚醛树脂基泡沫碳，工艺可控性强。具体实施方式下面通过具体实施例对于本专利技术做进一步详细的说明，下面实施例仅作为代表案例对本专利技术进行清楚、完整的解释，但是本专利技术的保护范围并不受限于这些实施例。实施例1S1、称取100g水溶性酚醛树脂，用90ml蒸馏水和10ml无水乙醇的混合液作为溶剂，配制得树脂浓度为20wt.%的树脂溶液，然后将溶液加热到40℃，用布什漏斗在真空度-0.08MPa下真空抽滤，过滤除去溶液中的固体杂质。S2、在常温、常压下，再加入5g吐温80型发泡稳定剂和KH-550型硅烷偶联剂1g，搅拌混合均匀，配制得树脂浓度20wt.%的发泡用树脂溶液；S3、将配好的发泡用树脂溶液倒入发泡用模具中，然后将模具放入高温高压釜中，通入高纯氮气，使釜内压力保持在1.0MPa，以0.5℃/分的升温速度加热到120℃后，开始以0.1MPa/h的速度缓慢卸压，在卸压过程中温度保持恒定，使釜内压力缓慢地降到常压，最后以0.1℃/分的升温速度加热到200℃，恒温2h固化成型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轻质高强微球型酚醛树脂基泡沫碳的一步制备方法，其特征在于包括以下步骤：/nS1、水溶性酚醛树脂的真空抽滤处理：/n首先，采用水溶性酚醛树脂作为原料，采用蒸馏水和无水乙醇的混合溶液作为混合溶剂，混合溶剂中蒸馏水和无水乙醇的体积比为(4-9):1,水溶性酚醛树脂与混合溶剂的质量体积比为10:10-1，按比例称取水溶性酚醛树脂和混合溶剂，并将水溶性酚醛树脂溶解于混合溶剂中；然后，将所得溶液加热到40-50℃，用布什漏斗在真空度-0.08MPa下真空抽滤，过滤除去溶液中的固体杂质，获得水溶性酚醛树脂溶液；/nS2、发泡用水溶性酚醛树脂溶液的配制：/n常温、常压下向步骤S1制得的水溶性酚醛树脂溶液中按比例加入发泡稳定剂和偶联剂，搅拌混合均匀后，制得不同树脂浓度的发泡用水溶性酚醛树脂溶液留待后步使用；其中，水溶性酚醛树脂溶液、发泡稳定剂与偶联剂的质量比为100:(5-10):(0.5-1)；/nS3、发泡用水溶性酚醛树脂溶液的高温高压发泡：/n首先，将步骤S2制得的发泡用水溶性酚醛树脂溶液倒入发泡模具中，将发泡模具放入反应釜中，并向反应釜中通入高纯氮气，使反应釜内压力保持在1.0-3.0MPa；然后，反应釜以0.5-1℃/分的升温速度加热到120-150℃后，以0.1-0.3MPa/h的速度缓慢卸压，使反应釜内压力缓慢地降到常压，反应釜卸压过程中温度保持恒定；最后，以0.1-0.5℃/分的升温速度加热到200-250℃，恒温固化成型2-3h，然后自然冷却到室温，制得酚醛树脂泡沫体；/nS4、酚醛树脂泡沫体的高温碳化处理：/n将步骤S3制得的酚醛树脂泡沫体放入高温碳化炉中，在高纯氩气的保护气氛围中，以0.5-2℃/分的升温速度加热到1200-1500℃，恒温碳化120-180分钟，制得微球型酚醛树脂基泡沫碳。/n...

【技术特征摘要】
1.一种轻质高强微球型酚醛树脂基泡沫碳的一步制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、水溶性酚醛树脂的真空抽滤处理：
首先，采用水溶性酚醛树脂作为原料，采用蒸馏水和无水乙醇的混合溶液作为混合溶剂，混合溶剂中蒸馏水和无水乙醇的体积比为(4-9):1,水溶性酚醛树脂与混合溶剂的质量体积比为10:10-1，按比例称取水溶性酚醛树脂和混合溶剂，并将水溶性酚醛树脂溶解于混合溶剂中；然后，将所得溶液加热到40-50℃，用布什漏斗在真空度-0.08MPa下真空抽滤，过滤除去溶液中的固体杂质，获得水溶性酚醛树脂溶液；
S2、发泡用水溶性酚醛树脂溶液的配制：
常温、常压下向步骤S1制得的水溶性酚醛树脂溶液中按比例加入发泡稳定剂和偶联剂，搅拌混合均匀后，制得不同树脂浓度的发泡用水溶性酚醛树脂溶液留待后步使用；其中，水溶性酚醛树脂溶液、发泡稳定剂与偶联剂的质量比为100:(5-10):(0.5-1)；
S3、发泡用水溶性酚醛树脂溶液的高温高压发泡：
首先，将步骤S2制得的发泡用水溶性酚醛树脂溶液倒入发泡模具中，将发泡模具放入反应釜中，并向反应釜中通入高纯氮气，使反应釜内压力保持在1.0-3.0MPa；然后，反应釜以0.5-1℃/分的升温速度加热...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷世文，赵红超，连鹏飞，刘占军，郭全贵，李晓飞，
申请(专利权)人：中国科学院山西煤炭化学研究所，北京机电工程总体设计部，
类型：发明
国别省市：山西;14