[发明专利]一种沥青碳泡沫材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳材料的制备领域，特别涉及一种沥青碳泡沫材料的制备方法。

背景技术

碳泡沫材料以其耐高温、耐腐蚀、导热导电、比重轻、比表面积大等优点应用于高温隔热、耐热冲击、热传导、隐身和超级电容器电极材料。

目前文献报道的制备沥青基泡沫碳的方法大致有三类：

1高压渗氮法

一般以沥青为原料的泡沫炭的制备方法为，采用通入气体或原位压力释放的方式在沥青中成泡。将原料置于模具中，然后将其放入高压炉内，以惰性气体(一般为氮气)为保护气，随着温度的升高压力逐渐升到6.9MPa，这时温度的升高会导致气体膨胀样品开始发泡。熔化的沥青从高压区流向低压区，由于动力学不稳定性产生闪蒸，使气体分布于沥青熔体内部。沥青软化点在70～270℃，外部压力高于沥青内部压力，释放使外部压力降低而使沥青膨胀，气体挥发，形成沥青泡。沥青泡在空气或氧气中加热固化较长时间形成交叉连接结构，这样固化后的沥青在进一步的热处理时不会熔化，固化后的沥青在惰性气体中加热到1100℃左右炭化，在3000℃下石墨化，产生高热导率的石墨状结构。

2自发泡法

其特征是将沥青置于密闭的反应釜中，利用沥青在高压3～8MPa和高温500~800℃下焦化裂解产生的挥发气体或采用沥青和发泡剂共混后在较低的压力下发泡膨化成泡，形成的泡沫沥青无需氧化不熔化处理可直接碳化制备成泡沫碳。但其缺陷是两种相材料混合均匀性差，由此形成的孔洞界面分布及均匀性差，从而使泡沫炭材料的功能的均匀性也较差。这两种方法中，都要把沥青块先碾碎成3μm的小颗粒，再在10～200Kg/cm²的压力下压成块状物，尽量保持块状物中少的空气。

另有人用粗粉碎母体沥青和发泡剂混合后通过双螺杆挤出机熔融并均匀混合为一体，注入密闭压力容器，充入惰性气体，如氮气，在300～600℃的温度和10～80Kg/cm2的压力下保持1～60分钟，然后以2～30℃/min降温速度和0.2～1MPa/min降压速度降至室温和常压发泡，从而得到孔洞尺寸及分布相当均匀的沥青泡沫材料，然后采用常规的方法炭化和高温石墨化，获得沥青碳泡沫材料。

3加氢法

将石油沥青与加氢的或未加氢的沥青混合，得到具有混合性质的炭泡沫体，在不需要生成中间相沥青的时候，可将石油沥青加热到软化温度，然后将沥青焦化，放在封闭的搅拌反应器中在常压下加热到约300～350℃，加热到350～400℃焦化，同时用氮气鼓泡。加热约6分~24小时，保温的时间约5～7小时。低分子量挥发物从石油沥青中排出，而沥青开始交联，交联反应度依沥青的性质而不同

这些方法有各自的优势但是缺点也很明显。高压渗氮法由于氮气与沥青相容性差，发泡后孔结构不均匀，抗压强度较低。自发泡法主要由沥青裂解气体发泡或是加入发泡剂来发泡，普遍存在泡孔开孔率低，发泡倍率低，泡壁未经充分拉伸，强度较低等问题。加氢法工艺复杂，耗时多，成本较高，而且同样存在物料相容性差的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种沥青碳泡沫材料的制备方法，制得的碳材料强度高、导热率高，该方法工艺简单，成本低，适应工业化生产。

本发明的一种沥青碳泡沫材料的制备方法的制备方法，包括下列步骤：

(6)将沥青和溶剂放置于高压釜中，气相相通。密闭后抽真空或是加入惰性气体保护以排除残留空气的影响；

(7)按一定升温速率(1～5℃/min)升温到溶剂的超临界温度以上(250～350℃)，要求保温温度必须高于沥青软化点，保温250℃～350℃，保压50～500min，使其充分互溶达到均相状态；

(8)将温度调整到溶剂的超临界温度范围内(250℃～350℃)，然后开启电磁阀或针阀放气，控制放气速率0.05~1MPa/s；

(9)将温度降至常温可以制得开孔率高、孔径分布均匀的沥青泡沫；

(10)将沥青泡沫氧化不熔化、碳化和高温石墨化处理后制得高取向度、高强度和高导热导电性能的泡沫碳材料。

所述的在沥青中加入沥青良溶剂，在溶剂的超临界温度下发泡，沥青与溶剂的质量比1∶1.50～1∶0.05。

所述的保温保压时间0～300min。

所述的沥青主要包括中间相沥青和各向同性的石油沥青、煤沥青以及热缩聚混合沥青等。

所述的溶剂选用甲苯，也可以选取吡啶、四氢呋喃等沥青良溶剂，要求这些溶剂的超临界温度分布在250～350℃之间，与沥青的软化点温度相符合。