一种泡沫炭前驱体、孔径均匀的石墨泡沫炭及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种泡沫炭前驱体、孔径均匀的石墨泡沫炭及制备方法，针对由于中间相沥青本身组分复杂性导致所制备泡沫炭孔径不均匀的问题，对中间相沥青进行氧化热处理，在保持中间相沥青热塑性的前提下，使中间相沥青分子间发生部分氧化交联反应，从而提高其热稳定性和发泡过程中的反应均匀性，最终实现孔径均匀的高导热泡沫炭制备，具体包括如下步骤：将中间相沥青装入反应釜中，通入含氧气体，在搅拌下进行改性反应，所述改性反应的温度为280

【技术实现步骤摘要】
一种泡沫炭前驱体、孔径均匀的石墨泡沫炭及制备方法


[0001]本专利技术属于高性能炭材料生产
，具体涉及一种泡沫炭前驱体、孔径均匀的石墨泡沫炭及制备方法。

技术介绍

[0002]中间相沥青基泡沫炭是由其前驱体发泡过程中形成孔泡和其周围规则排列的石墨韧带结构所组成的一类具有三维网络状结构的新型碳材料。由于其具有轻质、高导热性能以及优异的高温力学性能、吸波和抗热振性能等特点，中间相沥青基泡沫炭目前在高功率热交换器设备、高功率激光武器、高温电磁屏蔽等先进制造和武器装备领域具有广阔的应用前景。
[0003]目前，中间相沥青基泡沫炭的制备方法主要分为两类，一种是以中间相沥青为原料借助发泡剂进行发泡，另一种则是采用高压渗氮自发泡。美国专利US795763、US5397809和中国专利CN101164875B和CN101049928等报道了利用发泡剂、催化剂和表面活性剂辅助中间相沥青高温发泡用于制备泡沫炭的方法，但外加发泡剂、表明活性剂以及催化剂等在不同程度上会影响后续泡沫炭的石墨化难易程度，造成产品石墨度较低、力学性能和热导率较差。相较而言，高压渗氮自发泡则主要利用中间相沥青中的轻组分在高温下的分解和自挥发进行发泡，不引入杂质，从而有利于热处理过程中泡沫炭石墨化程度提高和降低其微观缺陷。然而，中间相沥青作为一种成分复杂、分子量分布范围较广的混合物，在高温下由于不同组分发生聚合和分解反应条件不同造成表面张力的不均匀，导致所制备的泡沫炭孔径均匀性差，尤其在制备发泡高度＞5cm的大尺寸泡沫炭时，这种由于前驱体本身组分复杂性导致泡沫炭生料的孔径不均匀性更加明显。因此，为了提高自发泡法所制备中间相沥青基泡沫炭的整体性能，开发用于泡沫炭制备前驱体的改性方法，以提高其自发泡过程中的均匀性，制备出孔径均匀的石墨泡沫炭，这是本领域技术人员亟待解决的关键技术问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术主要针对由于中间相沥青本身组分复杂性导致所制备泡沫炭孔径不均匀的问题，提供一种通过对中间相沥青进行改性以提高其泡沫炭孔径均匀性的方法，对中间相沥青进行氧化热处理，通过控制处理工艺条件，在保持中间相沥青热塑性的前提下，使中间相沥青分子间发生部分氧化交联反应，从而提高其热稳定性和发泡过程中的反应均匀性，最终实现孔径均匀的高导热泡沫炭制备，具体包括如下步骤：
[0005]S1、将中间相沥青装入反应釜中，通入含氧气体，在搅拌下进行改性反应，所述改性反应的温度为280
‑
350℃，时间为0.5
‑
48h，搅拌速率为30
‑
300r/min。反应结束经冷却后得到泡沫炭前驱体(即改性中间相沥青)。
[0006]进一步地，所述中间相沥青包括萘系中间相沥青、石油系中间相沥青和煤系中间相沥青中的一种或多种，其软化点为240
‑
340℃，H/C摩尔比为0.45
‑
0.65，氧含量为0.01
‑
2wt％。
[0007]进一步地，所述步骤S1中，所述通入含氧气体的气流量为0.1
‑
50L
·
Kg
‑1·
min
‑1，优选0.5
‑
10L
·
Kg
‑1·
min
‑1，含氧气体包括但不限于空气或氧气。
[0008]制备的泡沫炭前驱体(即改性中间相沥青)氧含量为0.5
‑
6wt％，优选地其氧含量为1
‑
4wt％，更优选地，其氧含量为1.5
‑
3wt％；
[0009]改性中间相沥青软化点为245
‑
350℃，H/C摩尔比为0.40
‑
0.60；
[0010]本专利技术还提供一种孔径均匀的石墨泡沫炭制备方法，其特征在于，在权利要求1
‑
3任一项所述制备方法的基础上，还包括如下后续步骤：
[0011]S2、将泡沫炭前驱体粉碎、过筛、装模后置于反应釜中，通入惰性气体加压，并升温至450
‑
600℃，恒温反应后自然冷却，放气得到泡沫生料；
[0012]S3、泡沫生料经炭化、石墨化处理后制得石墨泡沫炭。
[0013]进一步地，所述步骤S2中，所述含氧气体的氧气体积含量为3
‑
100％；
[0014]进一步地，所述步骤S2中，使用惰性气体加压至0.5
‑
5MPa。
[0015]进一步地，所述步骤S2中，所述升温的过程为：以5
‑
10℃/min升温至320
‑
400℃，继续以0.5
‑
5℃/min升温至450
‑
600℃。
[0016]进一步地，所述步骤S2中，所述恒温反应时间为0.1
‑
5h。
[0017]制得的泡沫生料密度为0.2
‑
1.1g/cm
‑3,其孔径离散度＜20％。
[0018]进一步地，所述步骤S3中，所述炭化、石墨化处理步骤为：以0.5
‑
2℃/min升温至800
‑
1500℃得到泡沫炭；再以0.5
‑
5℃/min升温至2400
‑
3000℃，冷却降温后得到石墨泡沫炭。
[0019]制得的石墨泡沫炭密度为0.2
‑
1.0g/cm
‑3,其孔径离散率≤20％，其热导率为30
‑
200W/(m
·
K)
[0020]本专利技术还提供一种孔径均匀的石墨泡沫炭，是由上述的制备方法所制得。
[0021]本专利技术采用上述技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0022](1)本专利技术不添加发泡助剂辅助中间相沥青发泡，无需稳定化处理，在简化了泡沫炭制备工序的同时，有效避免了因发泡助剂的加入造成泡沫炭微观缺陷增多，提高了泡沫炭热导率和力学性能。
[0023](2)通过控制处理工艺条件，在保持中间相沥青热塑性的前提下，使中间相沥青分子间发生部分氧化交联反应，从而提高其热稳定性和发泡过程中的反应均匀性，得到了孔径均匀(离散率≤20％)的高导热石墨泡沫炭，孔径大小通过发泡工艺控制，平均孔径可控制在300
‑
700微米之间。
[0024](3)通过中间相沥青改性提高了其泡沫炭均匀性，从而使泡沫炭材料制备过程中原料的利用率提高，降低了单位材料的生产成本；发泡均匀性提高以后，发泡生料上部蓬松和底部密实部分切除量减少50
‑
80％，单位原料沥青生产的泡沫炭产品量提高20
‑
40％。
[0025](4)通过改性处理后的中间相沥青热稳定性明显提高，其发泡压力降低，降低了设备要求，提升了操作安全性。
附图说明
[0026]图1为本专利技术改性前后萘系中间相沥青的热失重曲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种泡沫炭前驱体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将中间相沥青装入反应釜中，通入含氧气体，在搅拌下进行改性反应，所述改性反应的温度为280
‑
350℃，时间为0.5
‑
48h，搅拌速率为30
‑
300r/min。反应结束经冷却后得到泡沫炭前驱体。2.根据权利要求1所述的一种泡沫炭前驱体的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述中间相沥青包括萘系中间相沥青、石油系中间相沥青和煤系中间相沥青中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的一种泡沫炭前驱体的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述通入含氧气体的气流量为0.1
‑
50L
·
Kg
‑1·
min
‑1。4.一种孔径均匀的石墨泡沫炭的制备方法，其特征在于，在权利要求1
‑
3任一项所述制备方法的基础上，还包括如下后续步骤：S2、将泡沫炭前驱体粉碎、过筛、装模后置于反应釜中，通入惰性气体加压，并升温至450
‑
600℃，恒温反应后自然冷却，放气得到泡沫生料；S3、泡沫生料经炭化、石墨化处理后制得石墨泡沫炭。5.根据权利要求4所述的一种孔径均匀的石墨泡沫炭的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李轩科，郭建光，朱辉，李保六，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：