[發明專利]一種石墨化泡沫炭的制備方法

在審

• 申請號: 201710495019.1
• 申請日: 2017-06-26
• 公開（公告）號: CN107055527A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發明（設計）人: 俞惠英
• 申請（專利權）人: 俞惠英
• 主分類號: C01B32/205
• 分類號: C01B32/205
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司11332
• 代理人: 胡彬

技術領域

本發明屬于無機非金屬材料領域，涉及一種碳材料的制備方法，尤其涉及一種石墨化泡沫炭的制備方法。

背景技術

最早的泡沫炭是W.Ford在20世紀60年代初通過熱解熱固性酚醛泡沫制得的網狀玻璃炭材料。這種泡沫炭具有高孔隙率、低密度、熱穩定性好、化學純度高等優點，作為電極材料、絕熱材料、防沖擊材料和催化劑載體具有廣泛的應用。然而，網狀玻璃炭材料是一種典型的非石墨化炭。而石墨材料因具有高導熱導電性能，高強度等特點成為炭素材料研究者競相追逐的目標。1992年，美國空軍材料實驗室的Hager首次采用中間相瀝青為原料通過造泡技術制備了泡沫炭，其方法是將中間相瀝青在高壓下充氣發泡，然后進行預氧化處理，再炭化和石墨化(Hager J W.Idealized ligament formation and geometry in open-celled foams.Materials Research Society Symposium Proceedings，California，1992，270：41.)。美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員Klett成功以中間相瀝青為原料通過自揮發發泡法制備高石墨化泡沫炭(Klett J，Hardy R，Romine E，etal.High-thermal-conductivity，mesophase-pitch-derived carbon foams：effect of precursor on structure and properties.Carbon，2000，38(7)：953-973.)。天津大學的李同起將中間相瀝青或發泡劑與中間相瀝青加入常壓定容容器中，然后在軟化點以上的溫度進行發泡；再經氧化、炭化、石墨化工藝獲得石墨化泡沫炭材料。石墨化后的泡沫炭具有高導熱率、高導電率和優異的機械性能，是一種具有廣闊應用前景的無機非金屬材料。

雖然通過上述這些方法可以獲得具有高石墨化程度的泡沫炭，但所得到的泡沫炭開孔率低，使其在許多領域的應用受到了嚴重的限制。例如，低開孔率使活性物質無法進入泡沫炭內部，因此導致泡沫炭內表面不能得到有效利用，這是泡沫炭不能作為鉛酸電池基板的一個重要原因。同樣由于泡沫炭的低開孔率，使泡沫炭內部流體阻力大，導致泡沫炭內部不能形成流體的強制對流，因此雖然高石墨化碳材料具有較高的熱導率，但泡沫炭作為散熱材料效果較差。而陳亞等人以聚胺脂泡沫為模板，通過將瀝青與水和有機添加劑混合后獲得漿狀浸漬液浸漬于泡沫表面，再通過氧化、炭化以及石墨化工藝獲得具有高開孔率的瀝青基泡沫炭。但所獲得的泡沫炭孔壁由瀝青顆粒燒結而成且碳層層間距為0.338nm大于石墨晶體的0.3354nm，證實具有較低的石墨化程度，這導致了所獲得的泡沫炭的熱學、電學性質受到了嚴重的影響。

發明內容

針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種石墨化碳泡沫的制備方法，所述方法可以控制石墨化泡沫炭的開孔率以及孔徑的大小，同時使層間距不大于石墨晶體的層間距，提高了泡沫炭的石墨化程度，增加了泡沫炭的熱導率。

為達到上述目的，本發明采取以下技術方案：

本發明提供一種石墨化碳泡沫的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)使用有機溶劑對瀝青類物質進行萃取，得到萃取液；

(2)將高聚物泡沫在步驟(1)得到的萃取液中浸漬，得到復合物泡沫；

(3)將步驟(2)得到的復合物泡沫在二氧化碳和氧化性氣體的混合氣氛下進行氧化處理，得到氧化后的復合物泡沫；

(4)將步驟(3)得到的氧化后的復合物泡沫在惰性氣體保護下碳化，得到石墨化泡沫炭。

在氧化處理過程中通過二氧化碳的通入增強了氧化性氣體在復合物泡沫中的流動速度和活性，使得復合物泡沫內部得到充分氧化，提高了泡沫炭的開孔率，減小了孔徑。

作為本發明優選的技術方案，步驟(1)所述的瀝青類物質包括煤系瀝青、石油系瀝青或萘系中間相瀝青中任意一種或至少兩種的組合，所述組合典型但非限制性實例有：煤系瀝青和石油系瀝青的組合、石油系瀝青和萘系中間相瀝青的組合、煤系瀝青和萘系中間相瀝青的組合或煤系瀝青、石油系瀝青和萘系中間相瀝青的組合等。

優選地，步驟(1)所述有機溶劑包括四氫呋喃、吡啶或喹啉中任意一種或至少兩種的組合，所述組合典型但非限制性實例有：四氫呋喃和吡啶的組合、吡啶和喹啉的組合、喹啉和四氫呋喃的組合或四氫呋喃、吡啶和喹啉的組合等。