[发明专利]一种落叶松基树脂炭气凝胶微球的制备方法

说明书

所属技术领域：

本发明涉及生物质炭材料领域，特别是涉及一种落叶松基树脂炭气凝胶微球的制备方法。

背景技术：

炭材料的制备具有较深入的发展，然而制备具有理想形貌、孔隙大小和孔结构可调的新型炭已成为人们所关注的焦点。到目前为止，许多不规则形状、无序的孔隙结构的炭材料已被报道，事实上这些材料大大限制了炭材料的实用性。为了扩宽炭材料在吸附分离，药物输送，气体选择和电容电池等方面的应用，制备具有规整形貌、规则孔隙结构的炭材料具有重要的研究价值。

炭气凝胶微球作为一种炭球的存在形式不但具有炭球的特点还具有轻质性，密度小，高导电率等特点。20世纪30年代初，首次利用溶胶-凝胶法及超临界干燥技术制得炭气凝胶微球，将醇凝胶置于高压釜中，在高于乙醇临界点时进行干燥，得到硅气凝胶。20世纪80年代末，美国科学家首次制备出酚醛树脂基有机气凝胶，并炭化得到炭气凝胶。这是气凝胶材料研究中具有开创性的新进展，它不仅将气凝胶材料从无机界扩展到了有机界，而且从电的不良导体扩展到了导电体，开创了气凝胶新的应用领域。在国内外，每年都有大量有关炭气凝胶及其有机气凝胶前驱体的制备、结构和性能等方面的研究成果。炭气凝胶微球作为一种形貌可控的气凝胶也受到了广泛关注。通过酚醛树脂预聚体与三嵌段共聚物F127自组装一步完成溶液，利用气凝胶喷雾干燥法制备了有序的炭球，通过控制酚醛树脂和嵌段共聚物的比率调控炭微球的宏观尺寸和介孔孔径。目前为止，炭气凝胶微球的制备是以酚类和醛类聚合形成酚醛基溶液为原料，经溶胶-凝胶、超临界干燥和炭化过程制备而成。然而操作步骤过于复杂，且干燥技术费时，成本又高。尽管如此，研究人员一直在努力探索，寻求一种制备、加工与成型可一次完成，后处理方便，节省时间与能耗的制备方法。超声喷雾热解法，是通过超声将液体转化为雾，以微米级小液滴的形式通过高温炭化炉迅速转化为微米级炭球，形成炭气凝胶微球。喷雾过程不仅可以控制微球的外观形态，而且控制微球的微观纳米结构，在喷雾过程中，通过调整搅拌速度，溶液比例等控制炭气凝胶微球的外观与粒径大小；通过调整反应物浓度，反应温度等控制炭气凝胶微球的微观形貌，纳米粒子粒径，纳米孔洞尺寸等。

近年来，学者探索出一种工艺简单易操作，节能降耗的一步合成法制备气凝胶炭微球的方法。以高能炭前驱体，以氯乙酸水溶液，碱金属酯(CA)，二氯醋酸的混合有机盐和碳酸氢钠为催化剂，离子交换树脂和脂肪族混合溶液为原料采用超声喷雾热解法制备出多孔炭球。但是以木材树脂制备炭气凝胶微球的研究鲜有报道。

欧洲专利(WO12014025236)介绍了一种复合金属纳米粒子/碳的制备方法,以及一种电化学装置组成的球体。通过热处理涉及聚合金属纳米粒子的表面和碳化产生聚合物，将金属纳米粒子均匀分散在聚合物中，合成复合金属纳米粒子/碳球。这种方法制备的锂二次电池复合金属纳米粒子/碳球可以改善充电/放电特性和寿命特征。但是原料中引入金属，应选择环保的原料。

美国专利(US2014255786A1)介绍了一种通过球形磨具和金属-二甲基蓝染料浸渍法制备炭球。此方法需要材料成本较高，金属环境抗失活稳定性低，反应条件不易控制。

公开号为CN1013756253的中国专利介绍了一种环氧树脂为原料，为了增加聚合物涂层效果，将环氧树脂和固化剂混合搅拌均匀，消除泡沫并用模具进行加热固化得到空心碳球/环氧树脂复合材料。空心碳球/环氧树脂复合材料具有重量轻、介电常数低、导热性好，尺寸稳定性、化学稳定性好等特点。然而原料不够环保，有待于开发一种生物质作为原料。

公开号CN103848413A的中国专利介绍了一种在超声波条件下，在水或有机溶剂中溶解聚苯乙烯微球,加碳源成悬浊液并持续超声0.5-6小时；在惰性气氛下高温焙烧的方法制备介孔碳球材料。此方法原料和工艺成本高，操作工艺复杂，且不够环保。

公开号为CN103395773的中国专利介绍了一种以乙炔黑硝酸溶液为原料，将其放置在一个封闭的反应釜中，加热氧化生成乙炔黑与硝酸蒸汽的方法，制备平均内径20-30nm，平均球壳厚度10-20nm的空心球体。制备方法反应温度低，时间短，反应条件容易控制，原料廉价，有利于大规模工业生产，同时空心球粒径和碳壳壁厚度均一，并具有良好的分散性。然而唯一的不足是原料对环境危害较大，难于回收利用。