[发明专利]一种高强度炭气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高强度炭气凝胶及其制备方法和应用，属于酚醛和炭气凝胶制备技术领域。以工业酚醛树脂为原料，六次甲基四胺为固化剂，乙二醇和水为溶剂，混合后在一定温度下进行溶胶‑凝胶反应，经过常压干燥得到酚醛气凝胶，在高温下炭化进而得到炭气凝胶。该气凝胶微观组织是颗粒相互连接的三维网络结构。本发明制备气凝胶技术有以下三个优点：1)原料为工业酚醛树脂，来源广泛且价格低廉；2)制备周期短，本发明中混合液固化得到湿凝胶，不用经过溶剂置换，直接干燥即可得到酚醛气凝胶，制备周期2‑3天；3)采用常压干燥，设备要求简单，工艺性好。

技术领域

本发明涉及酚醛和炭气凝胶制备技术领域，具体涉及一种高强度炭气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

作为三大合成树脂之一的酚醛树脂，经过100多年的发展，迄今已在交通、建筑、能源、化学工业和国防军工等多个领域广泛应用。目前，酚醛树脂作为前驱体制备具有多种纳米结构的气凝胶引起了人们的广泛关注。气凝胶是一种独特的纳米颗粒连接的多孔网络结构，具有独特的性能，如高孔隙率、高比面积、低密度、高隔热性能、非氧化气氛中超高温热稳定性等，因而在吸附剂、气体扩散电极、分子筛、热防护系统隔热材料、超级电容器、催化剂载体等领域有极大应用潜力。

目前，制备酚醛和炭气凝胶的主要方法是以间苯二酚、甲醛作为前驱体，通过溶胶-凝胶反应、经溶剂置换、超临界干燥得到酚醛气凝胶，炭化得到炭气凝胶(Pekala RW,Journal of Material Science 1989,24:3221-3227)。溶剂置换需要大量表面张力低的液体如乙醇、丙酮等反复置换出湿凝胶中的水，步骤繁琐，用时较长，超临界干燥技术对设备要求较高，并且昂贵的原材料成本以及制备的气凝胶力学性能较差等严重制约了其规模化生产应用。在此基础上通过常压干燥方法制备的酚醛和炭气凝胶由于干燥过程中收缩严重，导致密度偏高，力学性能较差(Wu D,Fu R.Journal of Porous Materials 2008,15:29-34)。以酚醛树脂为原料，经常压干燥制备酚醛和炭气凝胶的相关报道中，受溶剂限制，反应温度低，导致反应速率较慢，制备周期仍然较长(Jia X,Dai B,Zhu Z,et al.Carbon2016,108:551-560.)。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种高强度炭气凝胶及其制备方法和应用，本方法制备气凝胶的原材料来源更广泛、廉价，工艺简单，对设备和操作的要求更低，制备周期短且气凝胶易成型、加工。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高强度炭气凝胶的制备方法，该方法是以酚醛树脂为原料，以六次甲基四胺为固化剂，以乙二醇和水为溶剂，经溶胶-凝胶反应后固化得到湿凝胶，再经常压干燥得到酚醛气凝胶，最后经高温炭化后得到高强度炭气凝胶。该方法具体包括如下步骤：

(1)溶液配制：将工业酚醛树脂、乙二醇、六次甲基四胺和水按照重量比(10～100)：(10～700)：(1～15)：(1～15)混合，并搅拌10～50min，得到均匀的混合液；

(2)将步骤(1)所得混合液放入干燥箱中进行溶胶-凝胶反应(固化处理)，得到块状均匀湿凝胶；

(3)在干燥箱中，将步骤(2)所得的块状均匀湿凝胶在50～170℃进行干燥，干燥时间为3～30h，干燥完成后得到块状酚醛气凝胶；

(4)炭化处理：将步骤(3)所得酚醛气凝胶放入真空炭化炉中，在惰性气氛条件下炭化处理，炭化后即得到所述块状高强度炭气凝胶。

上述步骤(2)中，所述溶胶-凝胶反应的温度为20～250℃，反应时间为5～40h。