[發明專利]一種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: 201610141947.3
• 申請日: 2016-03-14
• 公開（公告）號: CN105777125B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 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;C04B35/52;C04B35/622
• 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、核工業和醫學等領域。

在玻璃炭研制過程中，研究者發現以不同聚合物為前驅體進行熱結構化的過程中存在著以下三個問題：（1）如何達到殘碳量和碳實收率的最大值；（2）如何將易揮發物從殘余物中逸出而不破壞其形狀結構；（3）如何避免因熱解相關的放熱化學反應所引起的不可控制的加熱升溫。

對于提高玻璃炭制品的殘碳量和碳實收率，主要從研發高殘碳量的聚合物前驅體著手。目前用于制備玻璃炭的高分子預聚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。

對于第二個問題，通常通過優化聚合物前驅體的固化溫度工藝曲線，例如，盡可能降低固化階段的升溫速率，使得聚合物前驅體內的溶劑、水等小分子化合物盡可能多的逸出。降低固化階段的升溫速率和長時間保溫雖然能夠一定程度上降低玻璃炭制品的孔隙率，但是若升溫速率過慢，不僅造成能源的浪費，還會使得制品老化影響其性能。

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：

一種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，當升溫至60~80^oC時，進行一段時間的保溫，并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，所述超聲除氣操作的超聲頻率為15~45kHz，超聲功率為100~250W，

超聲時間為1~9min。

優選地，所述低溫固化成型在60~80^oC完成保溫后的處理過程具體如下：以2^oC/h的升溫速率升溫至100^oC，保溫2h；以2^oC/h的升溫速率升溫至120^oC，保溫2h；再以2^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10^oC/h的升溫速率升溫至300^oC，保溫2h；以15^oC/h的升溫速率從300^oC升溫至700^oC，保溫2h；再以10^oC/h的升溫速率升溫至1000^oC，保溫2h；降溫。

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：

本發明通過在高分子預聚物前驅體低溫固化過程中的氣化階段（60~80^oC）引入超聲除氣手段，可有效地加快有機溶劑、水份及聚合物前驅體縮聚產生的氣體分子的逸出，縮短聚合物前驅體固化周期，降低玻璃炭生坯及最終玻璃炭材料中的孔隙率，一方面大幅提高了玻璃炭材料的性能，另一方面可有效減小材料制備周期，降低能耗。本發明還通過對工藝條件的優化，進一步提高了材料性能。

附圖說明

圖1為玻璃炭材料的孔隙率在不同超聲頻率下與超聲除氣時間的關系；

圖2為玻璃炭材料的孔隙率在不同超聲功率下與超聲除氣時間的關系。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明：