基于掺合的沥青/煤的碳泡沫材料制造技术

按照本发明专利技术，主要用描述于美国专利申请序列编号０９／９０２，８２８相一致的方法来生产碳泡沫材料，但所用的原料包含按重量计约１０至约９０％的磨碎的石油沥青和按重量计约９０至约１０％的烟煤颗粒，后者所呈现的自由膨胀指数为大约３．５至大约５．０。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
基于掺合的沥青/煤的碳泡沫材料专利
本专利技术涉及低密度、高强度的碳泡沫材料，它是通过石油沥青和煤颗粒掺合物的受控发泡过程制备的。专利技术背景ASTM标准DD 5515-97，即“烟煤膨胀性质测定的标准试验方法”和D 720-91，即“煤炭自由膨胀指数的标准试验方法”两者规定了在非受控燃烧情况下加热时测量煤炭“膨胀”固有性质的条件。因此，在原有技术中煤炭膨胀的自然倾向是众所周知的。然而，尽我们所知，还没有人试图通过受控“膨胀”煤炭产品来利用煤炭的这一性质，以获得高度有用的、低密度、多孔碳产品。2001年7月7日提交的美国专利申请序列编号09/902,828中描述了一种基于煤炭的蜂窝状或多孔的产品，其密度优选在约0.1克/厘米3和约0.8克/厘米3之间，它是通过在非氧化氛围中在一种“模具”中控制性地加热直径优选在大约1/4英寸的煤炭颗粒来制备的。按照其中具体的优选实施方案，原料煤炭所具有的自由膨胀指数用上述ASTM D 720试验测定在约3.5至约5.0之间。用这种方法产生的多孔产品，优选以网状形式或接近网状的形式，可被机加工、粘合或组装来生产多种低值、低密度的产品，或以它成型的形式用作滤器、热或电的绝缘体等。这种蜂窝状产品无需进一步处理和/或加入强化添加剂，即已呈现出高至大约4,000psi的压缩强度。用适当材料浸渍或并入各种增进强度的添加剂可进一步增加这类蜂窝状材料的压缩、拉伸及其它性质。通过碳化或石墨化的进一步处理，可以产生能被用作电或热导体的蜂窝状产品。通过石油沥青的发泡，主要是通过使用气流吹入或发泡剂，已经生产出多种碳泡沫材料。虽然这些材料、即碳泡沫材料呈现出比用上述美国专利申请中所述方法产生的基于煤炭的碳泡沫材料更高的导热性，但它们的强度弱得多，因而不宜被用于这样的领域，其中诸如压缩、拉伸和剪切强度这类物理性质以及对撞击的耐受性等都具有相当的重要性。-->这样，虽然在上述美国专利申请中描述的产品和方法以及那些由石油沥青通过一些竞争性方法产生的产品对某些特定目的已是完全满意的，这些特定目的或者是要求产品具有高强度而可不顾及其导热性，或者是反过来，但仍然相信有必要提供具有更低密度、即低于约0.4克/厘米3量级并具有各种孔眼大小和增加的导热性的泡沫材料，后者呈现的强度应达到上述基于煤炭的碳泡沫材料。另外，还高度希望它具有更好的调整上述性质的能力以满足特定的需要。专利技术目的这样，本专利技术的一个目的是，提供由一些原料所生产的碳泡沫材料，这些原料允许对产品的下列性质如泡沫密度、更大的孔眼大小范围和增进的导热性等进行更好的控制和改变，以满足特定的最终应用需要。本专利技术的另一个目的是，提供这样的材料和方法，所用原料至少部分地不同于在上述美国专利申请序列编号09/902,808中所描述的那些。专利技术概要按照本专利技术，主要按照上述美国专利申请序列编号09/902,808中所描述的方法来生产碳泡沫材料，但是所用的原料包含按重量计约10至约90％的磨碎的石油沥青以及由按重量计约90至约10％的烟煤颗粒，后者呈现的自由膨胀指数约3.5至约5.0。石油焦炭相对较低的熔点允许这种材料环绕煤炭颗粒流动，从而在煤炭颗粒发泡开始以前包封这些煤炭颗粒，于是使得呈现出更大泡沫或孔眼大小的碳泡沫材料得以生产出来，并因而比使用单独的煤炭颗粒原料以普通方法生产出来的产品具有更低的密度。石油沥青的存在允许生产出呈现增进导热性的碳泡沫材料。在碳泡沫材料生产工艺中改变掺合物中石油沥青和煤炭颗粒的相对数量允许配制出定制的碳泡沫材料，后者在原料中煤炭颗粒提供的强度和石油沥青提供的导热性之间表现出合适的平衡。专利技术详述按照本专利技术，是在非氧化氛围中通过在“模具”中控制性加热粉状煤炭/石油沥青掺合物而生产出预制的低密度、即密度为约0.1克至约0.5克/厘米3并优选约0.1至0.4克/厘米3的蜂窝状产品，该-->粉状煤炭颗粒掺合物优选直径小于约1/4英寸并掺合有按重量计约10至约90％的磨碎的石油沥青(其颗粒大小也优选直径小于1/4英寸)。原料煤炭可包括含地沥青的煤、无烟煤或甚至是褐煤，或这些煤炭的掺合物，只要它按ASTM D720方法测定的“自由膨胀指数”在约3.5至约5.0之间，优选在3.75至4.5之间，但是优选已粉碎到适当颗粒大小、优选低于约-60至-80筛目的粉细颗粒的含沥青的烧结煤。最优选的煤原料是所谓“高挥发性”的含沥青煤，如下面要描述的。按照本专利技术进一步的优选实施方案，原料煤炭应呈现出以下一系列特性中的一项或多项，最好是所有各项，即1)挥发性物质含量(基于干燥、无灰份的)在约35和45％之间，这是按ASTM D3175，即“煤和焦炭分析中挥发性物质的试验方法”测定的，即所谓“高挥发性”煤炭；2)固定碳含量(基于干燥物)在约50和60％之间，这是按ASTM D3172，即“煤和焦炭的组份分析实验”测定的；3)Gieseler初始软化温度在大约380℃至约400℃之间，这是按ASTM D2639，即“用恒定转矩Gieseler塑性计测定煤炭塑性的试验方法”测定的；4)塑性温度范围在约50℃以上，这是用ASTM D 2639方法测定的；5)最大流动性至少为300ddpm(每分钟的刻度盘刻度)并优选大于2000ddpm，如用ASTM D 2639方法所测定的那样；6)膨胀大于约20％，优选大于约100％，如用Armu膨胀试验所测定的那样；7)煤榆胶反射度为约0.80至约0.95范围内，如用ASTM D 2798方法所测定的那样，该方法称为“抛光的煤样品中煤榆胶反射度的显微镜测定方法”；8)低于约30％的惰性的煤中矿物组分细微组织材料，诸如半不透明碳化细胞构造、暗色煤、不透明碳化细胞构造以及矿物质，如用ASTM D 2798方法所测定的那样；9)没有明显的煤炭氧化发生(0.0体积％的中度至严重的氧化)，如用ASTM D 2798方法以及非煤中矿物组分的细微组织分析方法所测定的那样。低的软化点(380-400℃)是很重要的，从而使材料在挥发和结焦发生之前即软化并且是塑性的。大的塑性工作范围或“塑性范围”的重要性在于它允许煤炭塑性流动，同时由于挥发和结焦而失去质量。煤榆胶反射度、固定碳含量和挥发性物质含量的重要性在于可把这些煤炭原料分类为“高挥发性”的沥青煤炭，它在本专利技术的工艺中可提-->供最佳结果，并因此使碳泡沫材料在按照这里描述并申请专利的方法制备时表现出最佳的一些性质的结合。存在氧化会倾向于阻碍流动性，结果也阻碍了泡沫形成。这样，按照本专利技术各种优选的实施方案，一种煤炭颗粒原料，其特征为含有按重量计约35％至45％(基于干燥、无灰份计)的挥发性物质这种高挥发性沥青烟煤，如用ASTM D3175方法所测定的那样，是用本专利技术获得最佳结果的碳泡沫材料形式的基本需要。由Gieseler塑性评估衍生的各种参数形成了为获得最佳结果所需的第二套重要的原料煤炭特性。例如，要求软化点在大约380至400℃范围内，塑性范围至少为大约50℃并优选在约75℃和100℃之间，最大流动性至少为数百并优选大于2000ddpm(每分钟标度盘的标度数)，对于成功地优化本专利技术的实验是高度重要的。按此，为了获得这里描述的表现出优良性能的碳泡沫材料，重要的是所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用如下掺合物来生产的半结晶、主要呈现各向同性的碳泡沫材料，该掺合物包含１）约１０至约９０％重量百分数的高挥发性烟煤颗粒，后者的自由膨胀指数在大约３．５和大约５．０之间；和２）约９０至约１０重量百分数的石油沥青颗粒；所说的碳泡沫材料具有约０．１至约０．６克／厘米↑［３］之间的密度。

【技术特征摘要】
US 2002-2-5 10/068,0751.一种用如下掺合物来生产的半结晶、主要呈现各向同性的碳泡沫材料，该掺合物包含1)约10至约90％重量百分数的高挥发性烟煤颗粒，后者的自由膨胀指数在大约3.5和大约5.0之间；和2)约90至约10重量百分数的石油沥青颗粒；所说的碳泡沫材料具有约0.1至约0.6克/厘米3之间的密度。2.权利要求1中的碳泡沫材料，其中所说烟煤的自由膨胀指数在约3.75至约4.5之间。3.权利要求2的碳泡沫材料，它具有低于约6,000psi的压缩强度。4.权利要求2的碳泡沫材料，它已被碳化。5.权利要求2的碳泡沫材料，它已被石墨化。6.权利要求1的半结晶、主要呈现各向同性的碳泡沫材料，其中所说的高挥发性烟煤包含按重量计约35％和45％之间的挥发性物质。7.权利要求6的半结晶、主要呈现各向同性的碳泡沫材料，其中所说的高挥发性烟煤具有约380℃以上的Gieseler初始软化温度。8.权利要求7的半结晶、主要呈现各向同性的碳泡沫材料，其中所说的高挥发性烟煤具有约380℃至约400℃之间的Gieseler初始软化温度。9.权利要求6的半结晶、主要呈现各向同性的碳泡沫材料，其中所说的高挥发性烟煤具有至少约50℃的塑性范围。10.权利要求9的半结晶、主要呈现各向同性的碳泡沫材料，其中所说的高挥发性烟煤具有约75℃至约100℃的塑性范围。11.权利要求9的半结晶、主要呈现各向同性的碳泡沫材料，其中所说的高挥发性烟煤具有按ASTM D 2639所测定的、至少数百ddpm的最大流动性。12.权利要求9的半结晶、主要呈现各向同性的碳泡沫材料，其中所说的高挥发性烟煤具有按ASTM D 2639所测定的、大于2000ddpm的最大流动性。13.权利要求9的半结晶、主要呈现各向同性的碳泡沫材料，其中所说的高挥发性烟煤呈现按Arnu膨胀试验所测定的、至少约20％的膨胀。14.权利要求13的半结晶、主要呈现各向同性的碳泡沫材料，其中所说的高挥发性烟煤呈现按Arnu膨胀试验所测定的、至少约100％的膨胀。15.权利要求13的半结晶、主要呈现各向同性的碳泡沫材料，其中所说的高挥发性烟煤：1)包含；A)按重量计约50至约60％的固定碳；和B)按重量计低于约30％的惰性煤中矿物组份细微组织材料；2)呈现出按ASTM D 2798所测定的、约0.80和约0.95范围内的煤榆胶反射度；以及3)呈现出按ASTM D 2798所测定的、0.0体积％中等或严重的氧化。16.权利要求1的半结晶、主要呈现各向同性的碳泡沫材料，它具有约0.2克/厘米3至约0.6克/厘米3之间的密度。17.权利要求6的碳泡沫材料，它已被碳化。18.一种由...

【专利技术属性】
技术研发人员：DK罗杰斯，JW普鲁钦斯基，
申请(专利权)人：塔奇斯通研究实验室有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]