[发明专利]具有辅料的碳泡沫体

说明书

发明背景

技术领域

本发明涉及含有辅料的碳泡沫体，该辅料用于改进该泡沫的表面能或流体亲和性，以提供例如用于高温应用的耐久并且防水材料。更特别是，本发明涉及一种具有多孔结构的母碳泡沫体，其具有附加的辅料，例如在该母泡沫的孔内的一种聚合物泡沫材料。本发明还包括用于生产该碳泡沫体材料的方法。

背景技术

碳泡沫体由于其低密度性能、兼备或高或低的导热性，近期已经吸引了相当大的注意力。惯常，碳泡沫体是经由两条常规路线而被制备的。已经通过在高压下将中间相沥青热处理生产出了高度可石墨化的泡沫。这些泡沫倾向于具有高导热性和导电性。例如，在Klett的美国专利号6,033,506中，将中间相沥青加热，同时使其受到1000psi的压力，产生一种含有尺寸范围为90～200微米的互连泡孔的开孔泡沫。按照Klett，在热处理达到2800℃之后，该泡沫体的固体部分发展成一种层间间隔为0.366nm的高度结晶石墨结构。据宣称，该泡沫具有比以前的泡沫更大的压缩强度(对于0.53gm/cc的密度而言为3.4MPa或500psi)。

在Hardcastle等人的美国专利号6,776,936中，密度在0.678-1.5gm/cc范围内的碳泡沫体是通过在至多800psi的压力下加热模型中的沥青来生产的。该泡沫据说是可高度石墨化的，而且提供了高导热性(在250W/m°K的量级)。

按照H.J.Anderson等人在第43届国际SAMPE会议文集第756页(1998)中的论文，碳泡沫体是从中间相沥青，随后氧化热固化并碳化到900℃来生产的。该泡沫具有互连泡孔的开孔结构，互连泡孔具有不同的形状并且具有39至＞480微米的孔径范围。

Rogers等人在第45届SAMPE会议文集第293页(2000)中描述了由煤基前体通过在高压下热处理而产生密度为0.35～0.45g/cc且压缩强度为2000～3000psi的材料(因而强度/密度比为约6000psi/g/cc)来制备碳泡沫体。这些泡沫体具有互连泡孔的开孔结构，互连泡孔的泡孔尺寸范围为最1000微米。与上述中间相沥青泡沫体不同，它们不是高度石墨化的。在一份最近的出版物中，描述了这种类型泡沫的性能(HighPerformance Composities，September 2004，第25页)。该泡沫在密度为0.27g/cc下具有800psi的压缩强度或3000psi/g/cc的强度/密度比。

Stiller等人(美国专利号5,888,469)描述了通过对加氢处理的煤提取物的加压热处理来生产碳泡沫体。据其权利要求，这些材料对于0.2-0.4gm/cc的密度具有600psi的高压缩强度(1500-3000psi/g/cc的强度/密度比)。这表明这些泡沫体的强度高于那些具有玻璃碳或不可石墨化的玻璃性质的泡沫体。

通过聚合物或聚合物前体共混物的直接碳化也能制备碳泡沫体。Mitchell在美国专利号3,302,999中讨论了通过在空气中将聚氨酯聚合物泡沫在200～255℃加热、随后在惰性气氛中于900℃将其碳化来制备碳泡沫体。这些泡沫体的密度为0.085～0.387g/cc并且压缩强度为130～2040psi(强度/密度比为1529～5271psi/g/cc)。

在美国专利号5,945,084中，Droege描述了通过衍生自羟基化苯和醛的有机凝胶(酚醛树脂前体)的热处理来制备开孔碳泡沫体。该泡沫体的密度为0.3-0.9g/cc并且由尺寸范围为2～50nm的小中孔组成。

Mercuri等人(Proceedings of the 9th Carbon Conference，第206页(1969))通过酚醛树脂的高温分解来制备碳泡沫体。对于密度范围为0.1～0.4gm/cc的泡沫体，其压缩强度/密度比为2380～6611psi/g/cc。对于密度为0.25gm/cc的碳泡沫体，泡孔形状是椭圆体形的并且孔径为约25～75微米。

Stankiewicz(美国专利号6,103,149)制备了具有0.6～1.2的受控纵横比的碳泡沫体。该专利权人指出，用户经常需要完全各向同性的泡沫体以获得优异性能，1.0的纵横比是理想的。一种开孔的碳泡沫体是通过用碳化树脂浸渍聚氨酯泡沫、随后热固化和碳化来生产的。初始聚氨酯泡沫体的泡孔纵横比由此从1.3～1.4变成0.6～1.2。