[發明專利]基于高分子預聚物前驅體的玻璃炭材料制備方法

有效

• 申請號: 201610141946.9
• 申請日: 2016-03-14
• 公開（公告）號: CN105819859B
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發明（設計）人: 張東生;夏匯浩;周興泰;楊新梅;葉林鳳;馮尚蕾
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海應用物理研究所
• 主分類號: C04B35/524
• 分類號: C04B35/524
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務所32250
• 代理人: 楊楠

技術領域

本發明涉及一種玻璃炭材料制備方法，尤其涉及一種基于高分子預聚物前驅體的玻璃炭材料制備方法。

背景技術

玻璃炭作為一種新型碳材料，因其斷口形貌及結構特征類似玻璃而被稱為玻璃炭。玻璃炭具有低密度、高強度、高硬度、高導電和高導熱性、耐腐蝕、耐磨損、幾乎不透氣且各向同性等優異性能，廣泛地應用于電子工業、半導體工業、冶金工業、化學工業、核工業和醫學領域等。

目前用于制備玻璃炭的聚合物前驅體主要有酚醛樹脂、環氧樹脂改性酚醛樹脂、糠醇樹脂、聚糠醇、聚氯乙烯、聚酰亞胺等。玻璃炭的形成過程就是這些聚合物前驅體的炭化過程。根據不同的應用要求，制備玻璃炭的方法也有差異，但其基本工藝均是將制備好的聚合物前驅體在低溫下固化成型，從而制得生坯，之后在1000^oC左右的惰性氣氛中或真空下進行炭化處理，得到初級玻璃炭制品，再經2000-3000^oC高溫處理制備出純度更高的玻璃炭制品。根據玻璃炭的制備過程，可將其工藝過程分為四個階段：1）聚合物前驅體準備；2）聚合物前驅體的低溫固化；3）炭化；4）高溫石墨化。對于控制玻璃炭的孔隙率，聚合物前驅體的低溫固化和炭化階段非常重要。在炭化階段，往往析出大量氣體，只有在極嚴格溫度制度下，以極緩慢的速率升溫進行炭化，才能避免氣孔的產生，獲得低氣孔率的玻璃炭材料。在聚合物前驅體的低溫固化階段，同時存在氣化和縮聚兩種反應過程，且均有大量的氣體產生。為避免在固化階段產生大量的氣孔和裂紋，通常采用分階段固化的方法：先在低溫進行固化，再緩慢升溫到下一個溫度點保持一定時間，最后在最高固化溫度下保持1-2小時。但是過于緩慢的升溫速率，一方面造成能源的浪費，另一方面長時間的固化將造成制品老化，影響玻璃炭的性能。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術制備玻璃炭材料時固化階段周期長、產品孔隙率高的問題，提供一種基于高分子預聚物前驅體的玻璃炭材料制備方法，可大幅度降低玻璃炭生坯及最終玻璃炭材料中的孔隙率，提高玻璃炭材料的性能，同時還可有效縮短固化時間，提高材料制備效率。

本發明具體采用以下技術方案解決上述技術問題：

基于高分子預聚物前驅體的玻璃炭材料制備方法，包括對高分子預聚物前驅體溶于有機溶劑所生成的前驅體溶液進行低溫固化成型的步驟，以及對低溫固化成型所得到的玻璃炭生坯進行炭化處理的步驟；在對所述前驅體溶液進行低溫固化成型的過程中，保持真空環境，并且在升溫至70~90^oC時，進行一段時間的保溫，在該保溫期間對所述前驅體溶液進行超聲除氣操作。

優選地，所述低溫固化成型的加熱方式為水浴加熱。

優選地，所述超聲除氣操作的超聲頻率為20kHz，超聲功率為240W，超聲時間為1～9min。

優選地，所述前驅體溶液中高分子預聚物前驅體的含量為30~60wt%。

優選地，所述低溫固化成型在70~90^oC完成保溫后的處理過程具體如下：以5^oC/h的升溫速率繼續升溫至100^oC，保溫2h；以5^oC/h的升溫速率升溫至120^oC，保溫2h；再以5^oC/h的升溫速率升溫至150^oC，保溫2h；降溫。

優選地，所述炭化處理的工藝條件如下：以5^oC/h的升溫速率升溫至350^oC，保溫；以10^oC/h的升溫速率從350^oC升溫至600^oC，保溫；再以10^oC/h的升溫速率升溫至1000^oC，保溫；降溫。

優選地，所述高分子預聚物前驅體為以下物質中的任意一種：酚醛樹脂、改性酚醛樹脂、糠醇樹脂、聚糠醇、聚氯乙烯、聚酰亞胺。

優選地，所述有機溶劑為甲醇、乙醇或丙酮。

進一步地，所述玻璃炭材料制備方法還包括對炭化處理后的玻璃炭材料進行高溫石墨化處理的步驟；所述高溫石墨化處理的處理溫度為2500^oC，處理時間為2h。

一種使用如上任一技術方案所述制備方法制備得到的玻璃炭材料。

相比現有技術，本發明具有以下有益效果：