[发明专利]一种高强度碳泡沫材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种高强度碳泡沫材料的制备方法，属于碳泡沫材料制备技术领域。具体按照以下步骤进行：首先以四甲酸二酐和适量降冰片烯二酸酐为反应单体，然后加入乙醇并加热反应，并加入一定量的二元胺，之后加入短切纤维和氟碳表面活性剂，得到前驱体树脂；然后将前驱体树脂进行烘干，研磨成粉末，将前驱体粉末在280℃～340℃之间进行恒温式发泡并后固化，得到短切纤维增强的聚酰亚胺泡沫材料；将聚酰亚胺泡沫材料在惰性气体条件下进行高温热处理后得到碳泡沫材料。与常规聚合物基碳泡沫材料相比，本发明所制备的碳泡沫材料具有较高力学强度和热尺寸稳定性，可作为导电材料、吸波材料、电磁屏蔽材料和耐高温夹芯材料来使用。

技术领域

本发明属于碳材料技术领域，具体涉及一种高强度碳泡沫材料的制备方法。

背景技术

碳泡沫材料是一种具有连续孔结构的碳基材料，它兼具了碳材料和多孔材料的特点，具有质轻、孔隙率高、比表面积大、保温隔热、导电等性能，因此多孔碳材料在热防护、磁防护、催化、吸附、过滤等领域具有重要的应用前景和价值。

近些年来，随着多孔碳材料的重要性的逐渐显现，发展出了多种制备多孔碳材料的工艺和方法，其中以多孔碳纳米气凝胶材料为主，例如ZL.201610637974.X，ZL.201610405032.9，ZL.200980148731.8，ZL.201510573962.0等专利公开的石墨烯气凝胶材料和专利ZL.201811491716.0，ZL.201611122533.2，ZL.201810065443.7等专利公开的碳纳米管气凝胶材料等，但这些材料一般都是由无机纳米石墨烯或者气凝胶以物理堆积而成，也有一些文献或专利使用高性能树脂对这种多孔气凝胶的纳米骨架进行增强，但所制得的材料的力学性能提高有限。

另外一种主要的制备多孔碳材料的方法就是热解聚合物泡沫法。其中用于制备多孔碳材料的前体主要包括酚醛泡沫(ZL.201710153292.6)、三聚氰胺泡沫(ZL.201811141523.2)、三聚氰胺-甲醛泡沫(ZL.201711126654.9，ZL.201810168853.4)、聚苯乙烯泡沫(ZL.201811288266.5)等。整体上来说，相比于碳纳米气凝胶材料，聚合物泡沫基多孔碳材料具有明显的相对优势，其中包括尺寸可加工性，形貌可调控性，除此之外，还具有较低的成本，尤其是力学性能得到了明显的提高。但这些多孔碳材料在碳化过程中的整体尺寸稳定性略差，孔结构在高温碳化过程中易塌缩变形，会造成极大的资源浪费。

以上专利和文献资料所制备的碳泡沫材料，力学强度有限或尺寸稳定性有限，严重阻碍了碳泡沫材料在工业上的大规模生产与应用。

发明内容

为克服以上碳泡沫材料力学性能的不足，本专利使用短切纤维对具有交联结构的聚酰亚胺泡沫材料进行增强，然后对其进行热解碳化，这种方法制备的碳泡沫具有轻质高强的结构特点，解决了目前碳泡沫材料普遍存在的力学强度不高，且尺寸稳定性有限的问题，具有很高的应用价值和推广前景。

本发明所采用的技术方案是，

一种高强度碳泡沫材料的制备方法，具体按照以下步骤进行：

(1)以3,3',4,4'-二苯甲酮四甲酸二酐或3,3',4,4'-二苯醚四甲酸二酐和适量5-降冰片烯-2,3-二甲酸酐为反应单体，以无水乙醇作为反应溶剂，加热回流搅拌反应2～3小时，然后加入一定量的二元胺单体，继续加热回流反应2～3小时，而后加入一定质量的短切纤维和氟碳表面活性剂，反应结束后，旋蒸除去多余的溶剂，得到前驱体树脂；

(2)将得到的前驱体树脂置于烘箱中，在100～160℃之间进行烘干，而后将树脂研磨成粉末，并将粉末过筛分级，筛选出粒径在50μm～150μm之间的前驱体粉末，将制得的前驱体粉末置于石墨模具中，在280℃～340℃之间进行恒温式发泡，发泡时间为1～2小时，而后并保温1～2小时进行后固化，得到短切纤维增强的聚酰亚胺泡沫材料；