[发明专利]一种泡沫炭复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于炭材料领域，涉及一种易成型高强度泡沫炭复合材料的制备技术，具体涉及一种泡沫炭复合材料及其制备方法。

背景技术

泡沫炭是一种由孔泡和相互连接的孔壁组成的具有三维网状结构的轻质多孔材料，除了具有炭材料的常规性能外，还具有孔隙率高、比表面积大、热稳定性和吸震性好、耐高温、耐腐蚀等特点，这些特性使得泡沫炭基本满足作为结构-功能一体化材料的要求。目前泡沫炭在航空、航天、化工、电子等诸多领域得到广泛的应用，如可作为高性能隔热材料、导热材料、减震材料、轻质高精度太空仓发射镜的基体材料以及金属或者气体的过滤材料等。特别地，近期生物电池电极材料、生物菌固菌载体材料、水处理多孔材料等研究的兴起，又为泡沫炭在能源、环保、催化等领域的应用注入了新的活力。然而，泡沫炭材料的一个显著的缺点是力学性能差，在实际应用时存在极大的安全隐患。另外，在泡沫炭制备过程中还存在工艺复杂、成本高、操作危险、难以一次复杂成型等诸多问题，这极大地制约了其的进一步发展和应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种泡沫炭复合材料及其制备方法，本发明制得的泡沫炭复合材料强度高、孔泡尺寸均匀、隔热性能优异，并且工艺简单、可一次复杂成型、生产过程安全、对设备要求较低。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种泡沫炭复合材料的制备方法包括原料的配备、原料与增强材料的混合、预聚、浇注成型、固化及炭化工艺；

（1）原料的配备

基体原料：双酚A型氰酸酯、双环戊二烯双酚型氰酸酯、多官能团氰酸酯、四甲基双酚F型氰酸酯、双酚M型氰酸酯、双酚F型氰酸酯、双酚E型氰酸酯、双酚A型氰酸酯预聚体的一种或者几种混合物；

增强材料：羟基化纳米碳管、酸化纳米碳管、氧化石墨烯、有机蒙脱土、介孔二氧化硅、纳米二氧化硅的一种；

基体原料、增强材料之间的比例关系为：基体原料：90-99.9wt％；增强材料0.1-10wt%；

（2）原料与增强材料的混合

将上述配备好的原料在溶剂中进行超声分散，具体工艺参数如下：

溶剂：二氯甲烷、乙醇、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺的一种；

温度：25-100℃；

时间：0.1-2h；

超声功率：100-600 W；

（3）溶剂的脱除

将上述配制好的混合液装入减压蒸馏装置中进行脱溶剂，具体参数如下：

温度：60-200℃；

时间：0.1-2 h；

真空度：1.0×10^-1-1.0×10⁵ Pa；

搅拌速度：50-1000 rpm；

（4）原料混合物的预聚

将上述脱去溶剂的混合物移入反应器中，进行预聚，具体参数如下：

温度：100-200℃；

时间：0.1-4 h；

保护气氛：N₂或者Ar；

气体流量：50-200 ml/min；

搅拌速度：50-1000 rpm；

（5）浇注成型

将上述预聚物倒入预热的模具中，脱气泡，具体参数如下：

温度：100–200℃；

脱气泡时间：0.1–5 h；

真空度：1.0×10^-1–1.0×10⁵ Pa；

（6）固化

预聚物经浇注成型后进行固化，具体参数如下：

固化温度：100–300℃；

固化时间：1–10 h；

真空度：1.0×10^-1–1.0×10⁵ Pa；

（7）炭化工艺

固化后的复合材料经过脱模后放入气氛炉中，然后以一定的升温速率升温至预定温度后保持一段时间，随炉冷却至室温取出，工艺参数为：

升温速率：2–50℃/min；

预定温度：600–1500℃；

保温时间：0.5–10 h；

保护气氛：N₂或者Ar；

气体流量：50–200 ml/min。

所述步骤4）中的聚合反应或采用将温度先自由升温至60-80℃，之后以5-10℃/min的升温速率升温至所述的100-200℃。