专利名称：一种用发泡剂制备炭泡沫的方法
技术领域：
本发明涉及一种用发泡剂制备炭泡沫的方法。
背景技术：
炭泡沫自上世纪六十年代问世以来，基于其良好的热稳定性、低密度、低热膨胀、 高抗热冲击和振动等性能，成为军民两用的新材料，备受重视且发展迅速。尤其是随着控制炭泡沫结构水平的不断提高以及各种新型制备工艺的不断出现，炭泡沫的应用领域和应用范围也得到持续扩展。目前其应用已遍及环保、节能、化工、冶炼、制药、核能和生物医学等多个工业领域。常见的炭泡沫制备方法是以中间相浙青为原料，采用高温产生压力的方法制备。 炭泡沫结构是由中间的气泡孔与周围规则排列的石墨片层韧带构成，由于中间相浙青在熔融状态下进行发泡，不但能耗高，成本高，而且发泡过程如何控制温度场和压力是制备孔径均勻炭泡沫的关键所在。而石墨微晶的排布方式与宏观的结构形式决定了中间相浙青基炭泡沫具有低密度、高导热/导电、低的热膨胀系数等性能。在条带状的石墨片层韧带结构处石墨微晶平行排列，可呈现很好的定向性；重力的作用会使炭泡沫的石墨微晶结构、力学性能以及微波吸收性能沿垂直和平行于重力方向具有各向异性，同时也导致了炭泡沫密度的不均勻。尤其在结点处石墨微晶排列不规整，呈多向性。并且这些结构中间也存在较多的裂纹，从而导致炭泡沫的强度较低。有研究采用加入纳米炭纤维与中间相炭微球的方法来提高炭泡沫强度，虽然提高了炭泡沫的强度，但是也破坏了石磨微晶的连续性从而降低了炭泡沫的热性能。所以目前急需一种工艺简单、对环境友好、可控的制备炭泡沫的方法，使炭泡沫达到满意的气孔率，且能较好地控制孔径及其分布、形状、三维排列等。
发明内容
本发明公开了一种用发泡剂制备炭泡沫的方法，其目的在于克服现有技术如高温自发泡法制备过程所需的高能耗，高成本、制备出的炭泡沫强度低、微观结构不易调整等问题。采用本发明方法制备的炭泡沫，可在无外加压力下起泡；显著优于传统方法中采用高温产生压力的制备方法。省去制备炭泡沫工艺中的加热加压工艺，不仅节约能耗与成本，而且采用的发泡剂对环境无污染。一种用发泡剂制备炭泡沫的方法，其特征在于制备步骤如下(1)发泡剂与去离子水以1 100 4 5的重量比混合，室温下球磨搅拌至天然化合物完全溶解；(2)在步骤⑴得到的溶液中加入1 100g/100ml的具有自烧结能力的炭粉末， 并搅拌至均勻浆料；(3)将步骤O)中得到的均勻浆料以搅拌方式发泡，制得湿态炭泡沫；(4)将步骤(3)中得到的湿态炭泡沫舀至模具中，在-25 100°C的烘箱中脱除水分得到坯体炭泡沫；
(5)将步骤中得到的坯体炭泡沫置于氧化炉中，在空气中以0. 1 5°C /min 的升温速率升温至200 300°C，并在此温度下恒温1 10小时进行氧化处理；(6)将步骤(5)中氧化处理过的坯体炭泡沫置于炭化炉中，在氮气保护下以3 IOO0C /min的升温速率升温到800 1500°C，并在此温度下保持0. 1 10小时进行炭化处理得到炭泡沫；(7)将步骤(6)中得到的炭泡沫在氩气保护下以10 50°C /min速率升温到 2300 3000°C，保温1 5小时进行石墨化后得到高度石墨化的炭泡沫材料。步骤(1)中所述的发泡剂为胶原蛋白质、蛋清蛋白质或乳清蛋白质中的任意一种。步骤⑵中所述的具有自烧结能力的炭粉末包括煤浙青、石油延迟焦、硬浙青、中间相浙青中的任意一种。本发明的优点在于1.本发明采用对环境友好的天然化合物为发泡剂，工艺流程无需加压，因此所需设备简单，制造成本低，利于本发明的大规模应用。2.本发明解决的传统炭泡沫制备技术不容易调控微观结构的问题。通过选用不同的天然化合物及其用量，产品具有孔隙率可控调节、孔径可控调节。另外经过干燥脱模的坯体炭泡沫在氧化、碳化和石墨化过程中不会产生变形，避免传统炭泡沫的密度不均勻。3.本发明所产生泡沫炭由粉末堆积而成，具有极低的导热系数和热导率。
具体实施例方式以下用实施例对本发明技术内容作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。实施例1取Ig的胶原蛋白质与IOOml去离子水混合，搅拌均勻后加入Ig煤浙青。搅拌起泡得到稳定的湿态炭泡沫。经_25°C冷冻干燥，干燥后的炭泡沫放置于箱式炉中用氮气保护进行烧结。程序如下以0. rc /分钟的速率升温到200°c，在此温度下保温1小时进行氧化固定处理；通入氮气保护，以;TC /分钟的速率升到800°C，在此温度下保温3小时得到炭化后的炭泡沫。把所得到的炭泡沫放入石墨化炉中，在氩气保护下以10°C /分钟的速率升温至2300°C，并在此温度下保温1小时，得到石墨化的炭泡沫。炭泡沫具有200-500 μ m球形的大孔形貌，在孔壁上有导致互相连通的20-100 μ m的窗口。开孔孔隙率为90 %，压缩强度为 0. 6MPa。实施例2实验方法和条件与实施例1相同，但发泡剂为蛋清蛋白质，用量为20g。加入石油延迟焦为Sg。湿态炭泡沫在室温下干燥。以1°C /分钟的速率升温到210°C，氧化固定2小时。以10°C /分钟的速率升温到1000°C，炭化7小时。以15°C /分钟的速率升温到2500°C， 石墨化5小时。得到炭泡沫开孔孔隙率为80%，压缩强度为1. 2MPa。实施例3实验方法和条件与实施例1相同，但发泡剂为乳清蛋白质，用量为55g。加入硬浙青为33g。湿态炭泡沫在40°C下干燥。以3°C/分钟的速率升温到250°C，氧化固定8小时。以50°C /分钟的速率升温到1200°C，炭化10小时。以35°C /分钟的速率升温到^00°C， 石墨化4小时。得到炭泡沫开孔孔隙率为75%，压缩强度为4. 5MPa。实施例4实验方法和条件与实施例1相同，但发泡剂为乳清蛋白质，用量为80g。加入中间相浙青为100g。湿态炭泡沫在100°C下干燥。以5°C/分钟的速率升温到300°C，氧化固定 10小时。以100°C /分钟的速率升温到1500°C，炭化0. 1小时。以50°C /分钟的速率升温到3000°C，石墨化2小时。得到炭泡沫开孔孔隙率为65%，压缩强度为7. OMPa0
权利要求
1.一种用发泡法制备炭泡沫的方法，其特征在于制备步骤如下(1)发泡剂与去离子水以1 100 4 5的重量比混合，室温下球磨搅拌至发泡剂完全溶解；(2)在步骤(1)得到的溶液中加入1 100g/100ml的具有自烧结能力的炭粉末，并搅拌至均勻浆料；(3)将步骤(2)中得到的均勻浆料以搅拌方式发泡，制得湿态炭泡沫；(4)将步骤(3)中得到的湿态炭泡沫舀至模具中，在-25 100°C的烘箱中脱除水分得到坯体炭泡沫；(5)将步骤中得到的坯体炭泡沫置于氧化炉中，在空气中以0.1 5°C /min的升温速率升温至200 300°C，并在此温度下恒温1 10小时进行氧化处理；(6)将步骤(5)中氧化处理过的坯体炭泡沫置于炭化炉中，在氮气保护下以3 IOO0C /min的升温速率升温到800 1500°C，并在此温度下保持0. 1 10小时进行炭化处理得到炭泡沫；(7)将步骤(6)中得到的炭泡沫在氩气保护下以10 50°C/min速率升温到2300 3000°C，保温1 5小时进行石墨化后，得到高度石墨化的炭泡沫材料。
2.根据权利要求1所述的一种用发泡剂制备炭泡沫的方法，其特征在于步骤(1)中所述的发泡剂为胶原蛋白质、蛋清蛋白质或乳清蛋白质中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种用发泡剂制备炭泡沫的方法，其特征在于步骤O)中所述的具有自烧结能力的炭粉末包括煤浙青、石油延迟焦、硬浙青、中间相浙青中的任意一种。
全文摘要
本发明涉及一种用发泡法制备炭泡沫的方法，首先将发泡剂与去离子水在室温下球磨搅拌至完全溶解；接着按比例加入具有自烧结能力的炭粉末，在无外加压力下搅拌起泡，得到稳定的湿态炭泡沫；然后在烘箱中脱除水分得到坯体炭泡沫；再升温至200～300℃，恒温进行氧化处理；升温到800～1500℃，进行炭化处理得到炭泡沫；最后将炭泡沫在氩气保护下升温到2300～3000℃，进行石墨化后，得到高度石墨化的炭泡沫材料。本发明应用对环境友好的发泡剂，并省去制备炭泡沫工艺中的加热加压工艺，不仅节约能耗与成本，而且产品的孔隙率、孔径调节可控，经过干燥脱模的坯体炭泡沫在氧化、碳化和石墨化过程中不会产生变形，使炭泡沫密度均匀。
文档编号C01B31/02GK102502575SQ20111032618
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月24日 优先权日2011年10月24日
发明者何星, 周正, 唐志红, 宣佳倪, 张慧娟, 杨俊和, 杨光智, 王现英, 赵斌, 邱汉迅 申请人:上海理工大学