[发明专利]木质基碳泡沫和复合材料及相关方法

说明书

制备碳泡沫的方法包括将包含一定量的至少部分分解的木质素的前体组合物进行第一次压力持续第一段时间，任选地，同时将前体组合物加热至第一温度；将压缩的前体组合物加热至第二温度持续第二段时间，同时使压缩的前体组合物经受第二压力以进一步分解至少部分分解的木质素并在压缩的前体组合物内产生孔，从而提供多孔的，分解的前体组合物；将多孔的，分解的前体组合物加热至第三温度持续第三段时间，使其碳化，并任选地石墨化，以提供碳泡沫。还提供了由碳泡沫制成的碳泡沫和复合材料。

背景技术

碳泡沫是一种含有开放大孔(细胞)的碳结构，其通过碳壁相互连接。碳泡沫具有几种期望性质，例如大的几何表面积，低密度，对化学品和火的高耐腐蚀性，强机械强度，超高的使用温度，热膨胀系数低，疏水表面以及高的导热性和导电性。碳泡沫分为两类，石墨和非石墨。与非石墨碳泡沫相比，石墨碳泡沫倾向于具有高的导热性和导电性，但相对较低的机械强度。非石墨碳泡沫通常具有较高的机械强度，可用作热绝缘体，并且制造成本低得多。

多种已被开发的生产碳泡沫的制备方法，包括吹制碳前体，然后进行碳化，碳前体的模板碳化，剥离石墨的压缩和石墨烯纳米片的组装。碳前体的吹制方法可分为两种，一种是在压力下热解，一种是添加化学品(发泡剂)以产生气体。在热解技术中，来自前体(如沥青)的分解气体保持在密闭容器中，然后突然释放压力。例如，可以在高压锅中将沥青加热至其软化温度(T_s)并保持一定时间。前体沥青将在加热过程中分解并释放气体或挥发性组分，导致高达几MPa压力的压力积聚。在高温下保持压力后，将产物冷却至室温，然后快速释放压力。模板碳化是用于控制碳泡沫的孔结构的技术并且可以产生微孔，中孔和大孔。聚氨酯(PU)泡沫通常用作该方法中的模板。目前，碳泡沫通常通过吹制碳前体来生产。这是一种需要高温/高压反应器系统的高成本方法，并且在其可以生产的碳泡沫的尺寸和特性的范围方面受到限制。

已经使用多种原料作为碳泡沫生产的前体，包括各种沥青，柏油，泡沫合成塑料，煤和煤提取物。碳泡沫的特性取决于原料特性和所选择的工艺条件。例如，来自沥青的碳泡沫显示出良好的导热性和低密度，但机械强度差；煤基泡沫具有良好的机械强度和较高的密度，但具有较低的热/电导率。一些碳泡沫由木质素磺酸盐和木质素磺酸盐/聚合体组合物形成。然而，这种碳泡沫表现出低密度和非常低的机械强度。

发明内容

提供了制备木质基碳泡沫的方法。还提供了由碳泡沫制成的碳泡沫和复合材料。

一方面，提供了制备碳泡沫的方法。在实施方案中，这种方法包括将包含一定量的至少部分分解的木质素的前体组合物进行第一次压力持续第一段时间，任选地，同时将前体组合物加热至第一温度；将压缩的前体组合物加热至第二温度持续第二段时间，同时使压缩的前体组合物经受第二压力以进一步分解至少部分分解的木质素并在压缩的前体组合物内产生孔，从而提供多孔的、分解的前体组合物；将多孔的、分解的前体组合物加热至第三温度持续第三段时间，使其碳化，并任选地石墨化，以提供碳泡沫。

另一方面，提供了碳泡沫。在实施方案中，这种碳泡沫包含碳基质，所述碳基质限定分布在整个碳泡沫中的多个孔，所述碳泡沫的特征在于至少约45MPa的抗压强度。

通过阅读以下附图、详细说明和所附权利要求，本文公开的其他主要特征和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。

附图的简要说明

本文公开的说明性实施方案将在后面参照附图进行描述。

图1A显示了模制成型组件的分解透视图，该模塑组件可用于执行本发明制备木质基碳泡沫的方法的实施方案。

图1B显示了图1A的模塑组件的组合透视图。

图2A和2B显示了根据本发明方法的实施方案形成的碳泡沫的剖面的扫描电子显微镜(SEM)图。

具体实施方式

提供了制备木质基碳泡沫的方法。还提供了由碳泡沫制成的碳泡沫和复合材料。