[发明专利]一种石墨化泡沫炭的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，涉及一种碳材料的制备方法，尤其涉及一种石墨化泡沫炭的制备方法。

背景技术

最早的泡沫炭是W.Ford在20世纪60年代初通过热解热固性酚醛泡沫制得的网状玻璃炭材料。这种泡沫炭具有高孔隙率、低密度、热稳定性好、化学纯度高等优点，作为电极材料、绝热材料、防冲击材料和催化剂载体具有广泛的应用。然而，网状玻璃炭材料是一种典型的非石墨化炭。而石墨材料因具有高导热导电性能，高强度等特点成为炭素材料研究者竞相追逐的目标。1992年，美国空军材料实验室的Hager首次采用中间相沥青为原料通过造泡技术制备了泡沫炭，其方法是将中间相沥青在高压下充气发泡，然后进行预氧化处理，再炭化和石墨化(Hager J W.Idealized ligament formation and geometry in open-celled foams.Materials Research Society Symposium Proceedings，California，1992，270：41.)。美国橡树岭国家实验室的研究人员Klett成功以中间相沥青为原料通过自挥发发泡法制备高石墨化泡沫炭(Klett J，Hardy R，Romine E，etal.High-thermal-conductivity，mesophase-pitch-derived carbon foams：effect of precursor on structure and properties.Carbon，2000，38(7)：953-973.)。天津大学的李同起将中间相沥青或发泡剂与中间相沥青加入常压定容容器中，然后在软化点以上的温度进行发泡；再经氧化、炭化、石墨化工艺获得石墨化泡沫炭材料。石墨化后的泡沫炭具有高导热率、高导电率和优异的机械性能，是一种具有广阔应用前景的无机非金属材料。

虽然通过上述这些方法可以获得具有高石墨化程度的泡沫炭，但所得到的泡沫炭开孔率低，使其在许多领域的应用受到了严重的限制。例如，低开孔率使活性物质无法进入泡沫炭内部，因此导致泡沫炭内表面不能得到有效利用，这是泡沫炭不能作为铅酸电池基板的一个重要原因。同样由于泡沫炭的低开孔率，使泡沫炭内部流体阻力大，导致泡沫炭内部不能形成流体的强制对流，因此虽然高石墨化碳材料具有较高的热导率，但泡沫炭作为散热材料效果较差。而陈亚等人以聚胺脂泡沫为模板，通过将沥青与水和有机添加剂混合后获得浆状浸渍液浸渍于泡沫表面，再通过氧化、炭化以及石墨化工艺获得具有高开孔率的沥青基泡沫炭。但所获得的泡沫炭孔壁由沥青颗粒烧结而成且碳层层间距为0.338nm大于石墨晶体的0.3354nm，证实具有较低的石墨化程度，这导致了所获得的泡沫炭的热学、电学性质受到了严重的影响。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种石墨化碳泡沫的制备方法，所述方法可以控制石墨化泡沫炭的开孔率以及孔径的大小，同时使层间距不大于石墨晶体的层间距，提高了泡沫炭的石墨化程度，增加了泡沫炭的热导率。

为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明提供一种石墨化碳泡沫的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)使用有机溶剂对沥青类物质进行萃取，得到萃取液；

(2)将高聚物泡沫在步骤(1)得到的萃取液中浸渍，得到复合物泡沫；

(3)将步骤(2)得到的复合物泡沫在二氧化碳和氧化性气体的混合气氛下进行氧化处理，得到氧化后的复合物泡沫；

(4)将步骤(3)得到的氧化后的复合物泡沫在惰性气体保护下碳化，得到石墨化泡沫炭。

在氧化处理过程中通过二氧化碳的通入增强了氧化性气体在复合物泡沫中的流动速度和活性，使得复合物泡沫内部得到充分氧化，提高了泡沫炭的开孔率，减小了孔径。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述的沥青类物质包括煤系沥青、石油系沥青或萘系中间相沥青中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：煤系沥青和石油系沥青的组合、石油系沥青和萘系中间相沥青的组合、煤系沥青和萘系中间相沥青的组合或煤系沥青、石油系沥青和萘系中间相沥青的组合等。

优选地，步骤(1)所述有机溶剂包括四氢呋喃、吡啶或喹啉中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：四氢呋喃和吡啶的组合、吡啶和喹啉的组合、喹啉和四氢呋喃的组合或四氢呋喃、吡啶和喹啉的组合等。