[发明专利]一种碳空心微球及其制备方法

说明书

本发明涉及一种碳空心微球的制备方法，该方法包括：使用酚醛空心微球为前体，在惰性气体保护下，以0.2‑1℃/min的升温速率升温至失重温度，保温1‑4小时，所述失重温度为300～700℃；然后继续以0.2‑1℃/min的升温速率升温至碳化温度，并保温1‑3小时，所述碳化温度为800‑1200℃；完成热解碳化后，以采用1‑5℃/min的降温速率降到室温。通过对酚醛空心微球热解碳化工艺的控制，有效避免了微球空心结构的破损，从而获得了高圆度、高强度以及低破球率的碳空心微球。

技术领域

本发明涉及一种空心微球，尤其涉及一种碳空心微球。

背景技术

碳空心微球密度低，在非氧化介质中具有高的热稳定性，能经受大多数腐蚀性液体和气体的侵蚀，并与有机粘结剂不发生反应，在航空航天、建材、化工、船舶制造以及火炸药等领域存在良好的应用前景。碳微球的制备方法主要有化学气相沉积法、电弧电放法、水热/溶剂热法、溶胶凝胶法和模板法等。所制备的碳球的包括空心碳球、实心硬碳球、多孔碳球、碳包裹球和胶状碳球等多种形态。但上述方法多限于实验室制备，难以实现批量放大。

酚醛树脂具有耐热性能好、交联密度高、残炭率高等特点，是一种重要的碳前驱体。将酚醛树脂制备从酚醛空心微球，然后通过高温热解炭化使之转变为碳空心微球是一种高效率的碳空心微球制备工艺。但是现有的碳空心微球的制备工艺中，微球的空心结构破损较多，并且碳空心微球的强度以及圆度等方面也不理想。

发明内容

本发明提供一种碳空心微球及其制备方法，通过对酚醛空心微球热解碳化工艺的控制，有效避免了微球空心结构的破损，从而获得了高圆度、高强度以及低破球率的碳空心微球。

作为本发明的其中一方面，本发明提供一种碳空心微球的制备方法，该方法包括，使用酚醛空心微球为前体，在惰性气体保护下，以0.2-1℃/min的升温速率升温至失重温度，保温1-4小时，所述失重温度为300～700℃；然后继续以0.2-1℃/min的升温速率升温至碳化温度，并保温1-3小时；所述碳化温度为800-1200℃；完成热解碳化后，以采用1-5℃/min的降温速率降到室温。

进一步地，升温至失重温度的升温速率优选为0.3-0.8℃/min，更优选为0.3℃/min。

进一步地，升温至碳化温度的升温速率优选为0.3-0.8℃/min，更优选为0.5℃/min。

对于升温速率，在酚醛空心微球热解转变成碳空心微球的过程是一个有机材料向碳材料的转变过程，会有大量小分子的离去，伴随着空心微球的体积收缩，体积收缩可以达到接近50％。为了控制体积收缩过程中产生的应力，保持空心结构的完整，必须采用较慢的升温速率。从理论上讲，升温速率越慢越好，但过慢的升温速率会造成大量能耗的浪费。若升温速率过快(超过1℃/min)，会造成空心微球结构破损，大幅度增加碳空心微球破球率。

进一步，上述的失重温度区间优选为350-600℃，更优选为550℃。酚醛空心微球在300-700℃的温度区间会发生明显的热解失重，因此在该温区设置保温区。设置该温区主要是为了控制热解速率，让酚醛空心微球在该温区内充分热解碳化，并排除热解小分子产物。若不设置该温区，会使得碳空心微球的破球率增加。

进一步地，失重温度的保温时间优选为2小时。

进一步地，碳化温度优选为850-1100℃，碳化温度更优选为900℃。对于碳化温度，酚醛空心微球在800℃后已经基本完成碳化过程，温度超过1200℃不会对碳空心微球的性能造成不利影响，但从生产周期及能耗的角度来，最经济的碳化温度是800-1200℃。

进一步地，碳化温度的保温时间优选为2小时。

进一步地，降温到室温的降温速率为3℃/min。