專利名稱：一種瀝青基泡沫炭的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種中間相浙青基泡沫炭的制備方法。
背景技術：
泡沫炭是一種具有大尺寸孔徑的網狀多孔材料。最初多采用樹脂為原料，通過發 泡劑發泡、固化及高溫炭化處理得到泡沫炭。這種樹脂基泡沫炭中的炭形態為難石墨化的 玻態炭，又稱為網狀玻璃質泡沫炭。這種泡沫炭具有孔隙率高、導熱系數小等特點，主要被 用于隔熱材料、催化劑載體或金屬泡沫范本。總體來講，20世紀90年代以前的泡沫炭基本上是以樹脂為前驅體。而到90年代出 現了新一代泡沫炭，其研究方向主要集中于用浙青和煤作為前驅體替代樹脂制備泡沫炭。 1997年美國橡樹嶺國家實驗室的Klett等人以中間相浙青為原料，采用“自發泡”技術制得 泡沫，經炭化、石墨化后得到孔徑大小一致、孔隙分布均勻的中間相浙青基泡沫炭。這種工 藝無需額外添加發泡劑，因而大大簡化了制備工藝，提高了生產效率，節約了生產成本。而 且這種中間相浙青基泡沫炭具有由石墨韌帶連接構成的球形開孔結構，使得其具有高的熱 導率和較高的機械強度，因此在熱沉材料、結構材料、催化劑載體及電磁屏蔽材料等領域展 現出了廣闊的應用前景。完全采用自發泡技術制備泡沫炭存在一些缺點，例如需要采用高達十幾甚至數 十兆帕的外加氣壓提高泡沫炭的體積密度和控制孔徑尺寸。這對設備的安全使用和維護都 提出了極高的要求。同時，制備過程中在孔壁及韌帶上會不可避免地形成缺陷，如微裂紋、 二次孔隙等，顯著地降低了泡沫炭的機械性能和導熱性能。
發明內容
本發明的目的是提供一種強度高的浙青基泡沫炭的制備方法。本發明的浙青基泡沫炭由如下步驟組成①將研磨過的100目篩的中間相浙青，與中間相炭微球按質量比，中間相浙青 中間相炭微球=60 90 10 40，混合均勻，放入反應釜內；②向反應釜內通入氮氣，排盡空氣，充氮氣至0. 1 6MPa，以1 5°C /min的升 溫速率升溫至280 350°C，恒溫1 2h ；繼續以1 5°C /min的升溫速率升溫至450 650°C，恒溫2 4h，得到浙青基泡沫炭生料；在整個升溫及恒溫過程中，恒定釜內壓力為初 始壓力；③將所得浙青基泡沫生料以0. 5 1°C /min的升溫速率升溫至950 1050°C，恒 溫2 3h，以正壓氮氣保護進行炭化處理，得到炭化浙青基泡沫炭基體；④按流量比丙烯氮氣=1 1 2，在壓力小于3kPa和850 1000°C下，加熱 炭化浙青基泡沫炭基體15 80h，得到所述浙青基泡沫炭。 本發明所述原料為中間相浙青和中間相炭微球的混合物，其中中間相浙青為石油 基中間相浙青、煤基中間相浙青或合成中間相浙青或其混合物。
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中間相炭微球為石油基中間相炭微球、煤基中間相炭微球或合成中間相炭微球或 其混合物。本發明以中間相浙青和中間相炭微球為原料，通過在中間相浙青中添加炭微球調 節發泡過程中熔融態浙青的粘度，再利用高溫高壓下中間相浙青的自發泡原理制備泡沫炭 生料，然后對生料進行炭化處理，最后對炭化后的泡沫進行化學氣相沉積熱解炭處理得到 高強度中間相浙青基泡沫炭。通過控制炭微球的添加量及化學氣相沉積的時間，可制得孔 隙分布均勻，孔壁光滑、缺陷少，孔隙大小、體積密度及韌帶結構可控，適合不同應用要求的 高強度中間相浙青基泡沫炭。同時，通過對自發泡溫度及壓力，中間相炭微球添加量和化學氣相沉積時間的控 制，可實現對泡沫炭孔徑大小、體積密度及壓縮強度的調控孔徑大小為100 500μπι，體 積密度為0. 64 0. 85g/cm3，壓縮強度為25. 8 47. 2MPa。與現有技術相比，本發明的優點和積極效果體現在1.本發明中的中間相浙青可進行自發泡，無需額外添加發泡劑及其它催化劑，簡 化了制備流程，降低了制造成本；2.本發明通過在中間相浙青中添加中間相炭微球，可以顯著改變發泡時熔融浙青 的粘度，調節泡沫炭的孔隙大小及韌帶結構，因而改善泡沫炭的機械性能；3.本發明通過在泡沫炭內部化學氣相沉積熱解炭，封填了泡沫炭孔壁上的裂紋和 二次孔隙，顯著提高泡沫炭的強度；4.本發明所制備的泡沫炭比強度高，為航空航天、機械制造、能源環保等技術領域 提供了一種輕質、力學性能高的新型炭材料。
具體實施例方式實施例1將萘系中間相浙青粉碎后過100目篩，按質量比，萘系中間相浙青中間相炭微 球=90 10進行混合。經2h混料后，稱取混合粉料150g，置于高壓反應釜內，充入氮氣， 排盡釜內空氣，關閉排氣閥，再充氮氣加壓至0. IMPa,以50C /min的速率升溫至320°C，恒溫 2h，然后繼續以5°C /min的速率升溫至500°C，恒溫2h，自然冷卻至室溫，得到浙青基泡沫 炭生料。在整個升溫及恒溫過程中，通過間歇式充/放氣的方法維持釜內發泡壓力始終為 0. IMPa0將所得的浙青基泡沫炭生料置于炭化爐中，以正壓的氮氣為保護氣體，以0. 5°C / min的速率升溫至1000°C，恒溫2h，自然冷卻至室溫，得到炭化浙青基泡沫炭基體，測試其 密度為0. 20g/cm3，壓縮強度為0. 50MPa。實施例2將萘系中間相浙青粉碎后過100目篩，按質量比，萘系中間相浙青中間相炭微 球=70 30進行混合。經2h混料后，稱取混合粉料150g，置于高壓反應釜內，充入氮氣， 排盡釜內空氣，關閉排氣閥，再充氮氣加壓至3MPa，以5°C /min的速率升溫至320°C，恒溫 2h，然后繼續以5°C /min的速率升溫至500°C，恒溫2h，自然冷卻至室溫，得到浙青基泡沫 炭生料。在整個升溫及恒溫過程中，通過間歇式充/放氣的方法維持釜內發泡壓力始終為 3MPa。將所得的浙青基泡沫炭生料置于炭化爐中，以正壓的氮氣為保護氣體，以0. 5°C /min 的速率升溫至1000°C，恒溫2h，自然冷卻至室溫，得到炭化浙青基泡沫炭基體，測試其密度
4為0. 55g/cm3，壓縮強度為14. 5MPa。實施例3將制備方法同實施例2所制備的炭化浙青基泡沫炭基體置于氣相沉積爐中，以丙 烯為炭源氣，氮氣為稀釋氣體，流量比丙烯氮氣=1 1，在950°C，加熱15h，爐內壓力 lkPa，在炭化浙青基泡沫炭基體內部沉積熱解炭，自然冷卻至室溫，得到浙青基泡沫炭，測 試其密度為0. 64g/cm3，壓縮強度為25. SMPa0實施例4將制備方法同實施例2所制備的炭化浙青基泡沫炭基體置于氣相沉積爐中，以丙 烯為炭源氣，氮氣為稀釋氣體，流量比丙烯氮氣=1 1，在950°C，沉積40h，爐內壓力 lkPa，在炭化浙青基泡沫炭基體內部沉積熱解炭，自然冷卻至室溫，得到浙青基泡沫炭，測 試其密度為0. 73g/cm3和壓縮強度為35. 5MPa。實施例5將制備方法同實施例2所制備的炭化浙青基泡沫炭基體置于氣相沉積爐中，以丙 烯為炭源氣，氮氣為稀釋氣體，流量比丙烯氮氣=1 1，在950°C，加熱80h，爐內壓力 IkPa,在炭化浙青基泡沫炭基體內部沉積熱解炭，自然冷卻至室溫，得到浙青基泡沫炭，測 試其密度為0. 85g/cm3，壓縮強度為47. 2MPa。對比例以萘系中間相浙青為原料，粉碎后過100目篩，稱取粉料150g，置于高壓 反應釜內，充入氮氣，排盡釜內空氣，關閉排氣閥，再充氮氣加壓至3MPa，以5 V /min的速率 升溫至320°C，恒溫2h，然后繼續以5°C /min的速率升溫至500°C，恒溫2h，自然冷卻至室 溫，得到浙青基泡沫炭生料。在整個升溫及恒溫過程中，通過間歇式充/放氣的方法維持釜 內發泡壓力始終為3MPa。將所得的浙青基泡沫炭生料置于炭化爐中，以正壓的氮氣為保護 氣體，以0. 5°C /min的速率升溫至1000°C，恒溫2h，自然冷卻至室溫，得到炭化浙青基泡沫 炭基體，測試其密度為0. 46g/cm3，壓縮強度為4. 93MPa。
權利要求
一種瀝青基泡沫炭的制備方法，其特征是由如下步驟組成①將研磨過的100目篩的中間相瀝青，與中間相炭微球按質量比，中間相瀝青∶中間相炭微球＝60～90∶10～40，混合均勻，放入反應釜內；②向反應釜內通入氮氣，排盡空氣，充氮氣至0.1～6MPa，以1～5℃/min的升溫速率升溫至280～350℃，恒溫1～2h；繼續以1～5℃/min的升溫速率升溫至450～650℃，恒溫2～4h，得到瀝青基泡沫炭生料；在整個升溫及恒溫過程中，恒定釜內壓力為初始壓力；③將所得瀝青基泡沫生料以0.5～1℃/min的升溫速率升溫至950～1050℃，恒溫2～3h，以正壓氮氣保護進行炭化處理，得到炭化瀝青基泡沫炭基體；④按流量比丙烯∶氮氣＝1∶1～2，在壓力小于3kPa和850～1000℃下，加熱炭化瀝青基泡沫炭基體15～80h，得到所述瀝青基泡沫炭。
2.根據權利要求1所述的一種浙青基泡沫炭的制備方法，其特征是所述中間相浙青為 石油基中間相浙青、煤基中間相浙青或合成中間相浙青或其混合物。
3.根據權利要求1所述的一種浙青基泡沫炭材料的制備方法，其特征是所述中間相炭 微球為石油基中間相炭微球、煤基中間相炭微球或合成中間相炭微球或其混合物。
全文摘要
一種瀝青基泡沫炭的制備方法。其特征是制備方法如下①按質量比，中間相瀝青∶中間相炭微球＝60～90∶10～40，混合均勻，放入反應釜內；②向反應釜內通入氮氣升溫至280～350℃，恒溫1～2h；繼續升溫至450～650℃，恒溫2～4h，得到瀝青基泡沫炭生料；③升溫至950～1050℃，恒溫2～3h，以正壓氮氣保護進行炭化處理，得到炭化瀝青基泡沫炭基體；④按流量比丙烯∶氮氣＝1∶1～2，在壓力小于3kPa和850～1000℃下，加熱炭化瀝青基泡沫炭基體15～80h，得到所述瀝青基泡沫炭。本發明所制備的瀝青基泡沫炭的體積密度為0.64～0.85g/cm3，壓縮強度為25.8～47.2MPa。可廣泛應用于炭基復合材料、輕質結構材料及催化劑載體材料等。
文檔編號C01B31/02GK101927996SQ20101024198
公開日2010年12月29日 申請日期2010年7月30日 優先權日2010年7月30日
發明者蔡一湘, 閆志巧 申請人:廣州有色金屬研究院