[发明专利]一种碳气凝胶微球及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳气凝胶微球及其制备方法，属于碳气凝胶微球制备技术领域。其由以下原料制备：间苯三酚、间苯二酚、甲醛和造孔剂，其中，间苯三酚与间苯二酚的摩尔比为1：(1‑50)；间苯三酚和间苯二酚的总量与甲醛的摩尔比为1：(0.5‑3)；间苯三酚、间苯二酚和甲醛的总量与造孔剂的质量比为1：(0.01‑0.1)。本发明可通过控制造孔剂的量来控制碳气凝胶微球孔径的大小，其制备工艺简单，设备要求低，可适用于大规模生产。

技术领域

本发明涉及碳气凝胶微球制备技术领域，具体涉及一种碳气凝胶微球及其制备方法。

背景技术

碳气凝胶(CA)具有三维网络状结构，是一种新型纳米多孔碳材料，具有孔洞率高(80％～90％)、孔径尺寸50nm、比表面积大(600～1100m2/g)等特点，使其在电吸附、双电层电容器、储能以及隔热材料等方面有着广泛的应用前景。在制备传统块体碳气凝胶上，通常以间苯二酚和甲醛(RF)作为原料，在催化剂碳酸钠的作用下发生反应，经过溶胶-凝胶反应形成湿凝胶，随后经过超临界干燥和碳化等工艺得到具有三维网络结构的多孔碳材料。

碳气凝胶主要分为块体、薄膜和微球三种形式。块体和薄膜的制备方法复杂，其主要采用溶胶-凝胶和超临界干燥等方法进行制备，在这个过程中，采用溶剂交换过程和超临界干燥过程使得制备工艺耗时长，成本高；此外，超临界干燥成本较高且工艺复杂，这导致材料的生产周期长、规模化生产难度大，最终限制了材料的商业化应用。然而，碳气凝胶微球有别于传统碳气凝胶的制备工艺，其制备过程主要采用乳液聚合和常压干燥等方式，其中取代了超临界干燥，因此其制备方法简单，产量高，成本低，制备与成型过程能够一次性完成，其后处理简单且方便，这大大节省了时间与能耗，使其更利于工业化应用。虽然，目前已有人利用反相微乳液法和常压干燥制备出高浓度、高比表面积的碳气凝胶粉末，但制备的碳气凝胶微球的孔径太小(1-10nm)且不可控，从而限制其应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳气凝胶微球及其制备方法，以解决现有制备碳气凝胶微球的孔径太小且不可控的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种碳气凝胶微球，由以下原料制备：间苯三酚、间苯二酚、甲醛和造孔剂，其中，间苯三酚与间苯二酚的摩尔比为1：(1-50)；间苯三酚和间苯二酚的总量与甲醛的摩尔比为1：(0.5-3)；间苯三酚、间苯二酚和甲醛的总量与造孔剂的质量比为1：(0.01-0.1)。

本发明采用间苯三酚、间苯二酚和甲醛为反应物制备碳气凝胶微球，同间苯二酚相比，间苯三酚具有更高的反应活性，能在不需要催化剂的情况下与甲醛发生反应，因此可通过间苯三酚的活性也能促进整个反应的进行，但由于间苯三酚活性过高不易控制，这时加入间苯二酚进行调节以便控制反应的进行。并且，本发明还添加了造孔剂并通过控制其的量来控制碳气凝胶微球孔径的大小。在制备方法中前躯体溶液中的间苯二酚、间苯三酚和甲醛交联反应时，造孔剂被它们包裹在里面而占据一定的空间，在高温碳化过程中造孔剂会发生分解，这样原本被造孔剂占据的空间就形成了孔径，因此可通过控制造孔剂的量来控制碳气凝胶微球孔径的大小，添加的量大，孔径大；添加的量小，孔径小。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述造孔剂为聚乙二醇，其中，上述聚乙二醇包括：聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇600或聚乙二醇800。

本发明采用聚乙二醇作为造孔剂，是因为其在高温碳化过程中会自行分解去除，留下孔洞，无须进行二次清理处理，确保碳气凝胶微球的纯度。并且，本发明选择的聚乙二醇其聚合度为200-800，这是因为在本发明的碳气凝胶微球采用微乳液法，其反应体系中本身就含有表面活性剂和白油，当聚乙二醇的聚合度大于800时容易与表面活性剂混溶，造孔剂会失去造孔的作用。并且，采用微乳液法制得的碳气凝胶微球的直径在1-10um左右，若选择聚合度大于800的聚乙二醇，其本身分子的长度就越长，在微乳液中容易发生团聚和折叠，不利于造孔。

上述的碳气凝胶微球的制备方法，包括以下步骤：