[发明专利]一种酚醛树脂基碳气凝胶及其制备方法

说明书

本发明属于气凝胶技术领域，公开了一种酚醛树脂基碳气凝胶及其制备方法。本发明将酚类单体、醛类单体、醇类溶剂、锌盐混合后加热进行溶胶‑凝胶反应，得到凝胶；将凝胶常压干燥得到气凝胶；将气凝胶碳化得到酚醛树脂基碳气凝胶。本发明在溶胶‑凝胶反应过程中引入醇类溶剂与锌盐，提高反应速率，且锌盐可作为造孔剂，有利于提高碳气凝胶的比表面积。在干燥过程中，由于醇类溶剂与锌盐的存在，提高了凝胶的机械性能，降低了干燥过程中体积收缩率，可直接进行常压干燥，无需溶剂置换，生产效率高，成本低。本发明所制得的酚醛树脂基碳气凝胶具有高比表面积，无需二次活化造孔，制备工艺简单高效，为碳气凝胶的规模化制备提供了有效方法。

技术领域

本发明涉及气凝胶技术领域，尤其涉及一种酚醛树脂基碳气凝胶及其制备方法。

背景技术

碳气凝胶是一种新型三维多孔材料，由于其轻质、高孔隙率、大比表面积等优点在很多领域中具有广泛的应用价值，如吸附介质、催化载体、水处理、色谱分离系统、能量存储和转换等领域。碳气凝胶孔结构可调节、化学特性优异，使其在多孔材料中具有较大的竞争力。

目前，碳气凝胶主要通过具有多孔层次结构的有机前驱体气凝胶经碳化制得，在碳化过程中产生微孔，从而产生高的比表面积，有机前驱体包括葡萄糖、果糖、细菌纤维素、酚醛树脂等。对于酚醛树脂基气凝胶来说仍存在很多问题需要改进，例如，在干燥过程中由于毛细作用力的存在使体积收缩，造成气凝胶网络塌陷从而影响最终碳气凝胶的孔结构，必须采用特殊的干燥过程，如超临界干燥与冷冻干燥，并且需要溶剂置换过程，存在制备过程复杂、周期长、成本高等问题。同时，目前大多数酚醛树脂基气凝胶都采用碱引发溶胶-凝胶反应，聚合时间过长，影响最终碳气凝胶的生产效率，这也是阻碍碳气凝胶大规模生产的主要原因之一。

因此，如何提供一种简单、高效、节能、可批量化生产碳气凝胶的方法对碳气凝胶的实际应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种酚醛树脂基碳气凝胶及其制备方法，解决现有技术提供的碳气凝胶存在的上述问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种酚醛树脂基碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)将酚类单体、醛类单体、醇类溶剂、锌盐混合，得到混合溶液；将混合溶液进行溶胶-凝胶反应，得到凝胶；

(2)将凝胶常压干燥，得到气凝胶；将气凝胶在保护气氛下碳化，得到酚醛树脂基碳气凝胶；

其中，所述步骤(1)中酚类单体、醛类单体、醇类溶剂、锌盐的摩尔比为1：1.5～4.5：8.56～42.82：0.8～8.1。

优选的，在上述一种酚醛树脂基碳气凝胶的制备方法中，所述步骤(1)中酚类单体为间苯二酚、对苯二酚和间苯三酚中的一种或几种；醛类单体为甲醛、糠醛和多聚甲醛中的一种或几种；醇类溶剂为甲醇和/或异丙醇；锌盐为氯化锌。

优选的，在上述一种酚醛树脂基碳气凝胶的制备方法中，所述步骤(1)中混合的时间为10～30min。

优选的，在上述一种酚醛树脂基碳气凝胶的制备方法中，所述步骤(1)中溶胶-凝胶反应在密封条件下进行；溶胶-凝胶反应的温度为50～70℃；溶胶-凝胶反应的时间为6～14h。

优选的，在上述一种酚醛树脂基碳气凝胶的制备方法中，所述步骤(2)中常压干燥的温度为90～120℃；常压干燥的时间为8～16h。

优选的，在上述一种酚醛树脂基碳气凝胶的制备方法中，所述步骤(2)中碳化的温度为600～1100℃；碳化的时间为1～3h；升温至碳化温度的升温速率为2～10℃/min。

优选的，在上述一种酚醛树脂基碳气凝胶的制备方法中，所述步骤(2)中碳化后还包括将碳化的产物顺次水洗、干燥。