[发明专利]一种用O/W微乳液制备碳泡沫的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用O/W微乳液制备碳泡沫的方法。用该方法得到的碳泡沫孔径分布均匀，孔径在1～10纳米之间，密度为0.1～0.6g·cm^-3，比表面积为200m²·g^-1以上，而且工艺简便易控、成本低廉。

背景技术

碳泡沫是一种新型碳材料，具有高比表面积、可调节的热导率及电导率、低热膨胀系数、高比热容、耐腐蚀等优异的性能，在热处理、电化学双层电容器和燃料电池的电极材料、催化剂及催化剂载体等领域有着重要而又非常广阔的应用前景。早在1964年，Walter Ford就通过热分解热固性树脂的方法制得了网状玻璃态碳泡沫。至上世纪90年代，美国空军材料实验室首次用中间相沥青为原料，采用高压发泡技术制备了碳泡沫。在制备碳泡沫时，碳源的性质和制备的工艺条件往往会对碳泡沫的微观结构和物理特性产生较大的影响。因此，自从碳泡沫问世以来，众多研究者都积极探索碳泡沫的制备方法。目前，报道较多的碳泡沫制备方法是将各种沥青或煤等前驱体经过高温软化后，采用高温发泡法制得。例如“Process for making carbon foam”(US Patent 6033506，2000)、“一种沥青碳泡沫材料的制备方法”(中国发明专利，申请号：200510027824.9)、“制备碳泡沫体的方法”(中国发明专利，申请号：01816776.4)、Method for producing carbon foam and graphite foam(Japan patent 2003286019，2003)、“一种高强度煤焦油沥青碳泡沫材料的制备方法”(中国发明专利，公开号CN 101214944A，申请号：200710173126.9)、“一种高强度绝热沥青碳泡沫的制备方法”(中国发明专利，申请号：10173127.3)等，这些方法能制得性能各异的碳泡沫，但其制备的局限在于：需要高压设备，前驱体大都需要300℃～500℃甚至更高的温度条件的预处理，需要添加发泡剂等。此外，由于发泡过程不易控制，导致了碳泡沫结构不易控制，在一定程度上限制了碳泡沫的应用。甘礼华等报道了一种用O/W乳液法制备碳泡沫的方法(一种用O/W乳液法制备碳泡沫的方法，中国发明专利，申请号：CN200710040619.5)，这种方法工艺简单，但其制备的碳泡沫孔径较大(微米级)，限制了碳泡沫在电化学电容器等方面的应用。

发明内容

本发明的目的在于公开一种工艺简单、操作简便、设备要求低和具有均匀纳米孔径的碳泡沫的制备方法。

为了达到上述目的，本发明以间苯二酚和甲醛为原料，通过在O/W微乳液中单体聚合的方法制备碳泡沫。

具体的工艺是按如下几个步骤进行的：

第一步，O/W微乳液的制备

采用正辛烷为油相，十六烷基三甲基溴化铵和仲丁醇为表面活性剂，按十六烷基三甲基溴化铵∶仲丁醇∶水∶正辛烷＝4.1～5.2∶12.3～14.7∶75～95∶3.5～17.5的质量份数量取，混合均匀后得到O/W微乳液；

第二步，乳液的聚合固化与固化产物的干燥

按甲醛∶间苯二酚＝2～2.5∶1的物质的量比，量取占O/W微乳液中水的质量的25％～50％的甲醛和间苯二酚，将间苯二酚和甲醛加入O/W微乳液中，在50℃～80℃温度条件，200r/min～2000r/min搅拌速度下，按KOH∶甲醛和间苯二酚＝0.5～2.5∶1的质量份数量取，加入KOH，至间苯二酚和甲醛聚合固化得到固化产物，然后将固化产物在70～100℃温度下干燥，得到干燥的固化物；

第三步，碳泡沫的制备

将第二步的干燥的固化物放在管式炉中，氮气保护，按0.5～10℃·min^-1的升温速率将干燥后的固化产物加热至700～1000℃炭化，最后自然降温至室温即得孔径可控且分布均匀(1～10纳米)，密度0.1～0.6g·cm^-3，比表面积200m²·g^-1以上的碳泡沫。

本发明具有如下优点：

1.本发明通过微乳液来制备碳泡沫。在碳泡沫的制备过程中既不需要预先将前驱体高温软化，不需要高压设备，也不需要添加任何发泡剂，因此，该方法设备要求低，工艺简单，成本低廉，制备条件大大简化，制备效率较发泡法有显著提高。