[发明专利]一种以碳酸氢钠作为发泡剂的泡沫炭的制备方法

说明书

本发明公开了一种以碳酸氢钠作为发泡剂的泡沫炭的制备方法，属于多孔材料制备技术领域。该方法为：(1)将发泡剂、表面活性剂和固化剂等与富炭介质混合均匀后，形成前驱体溶液；(2)前驱体溶液倒入不锈钢模具中，再置于真空干燥箱中进行发泡并固化，得到有机泡沫前驱体；(3)再经过干燥、脱模、炭化或石墨化获得泡沫炭样品。本发明提供的NaHCO₃发泡剂安全高效，无毒副作用，能够有效替代传统的液态发泡剂，解决了在常温环境下，低沸点液态发泡剂极易挥发，而导致发泡剂失效的难题，避免了液态发泡剂的蒸气与空气形成爆炸性混合物的潜在危险。

技术领域

本发明涉及多孔材料制备技术领域，具体涉及一种以碳酸氢钠作为发泡剂的泡沫炭的制备方法。

背景技术

科学技术的迅速发展对材料的特性提出了更高的服役要求，较多性能单一的传统材料已逐渐无法满足于实际的应用需求。因而，一些新型的功能结构材料随着需求的增加逐渐涌现出来。近年来，多孔泡沫炭作为轻质功能结构材料研究领域的热点，在各前沿材料领域取得了长足的发展。它是一种具有三维宏观体结构的多孔材料，具有电导率高、比表面积大、孔隙率高、耐热性好、成本低、密度和孔径可调、可设计异形件以及前驱体多样化等特点。因此，基于多孔炭载体在处理修饰后获得的具有功能性各异的结构材料，可在能源存储、电子器件、航空航天、环境保护和热控管理等许多民用和军用领域具有广阔的应用前景。但是，目前以泡沫碳为代表的多孔碳材料仍然面临着难以实现孔结构均匀、微观结构有序、孔径梯度可调、力学承载性能优异以及实现工程放大等难题。基于上述关键科学问题，泡沫碳材料无论是从基体自身考虑，还是作为修饰处理后具有多功能性的结构载体出发，更应该从前驱体的选择、结构设计以及更安全、简单和高效的制备方法等方面进行有效调控，从而符合对不同领域的应用要求。

泡沫炭的分类主要包括生物质基泡沫炭、中间相沥青基泡沫炭以及煤基沥青泡沫炭等。其中，中间相沥青和煤基沥青泡沫炭的制备方法类似，通过逸出的轻组分或最先分解的气体，产生的气泡核在表面能和气泡内外压力差的驱动下发生兼并、聚集和膨胀，最后在表面张力的作用下形成球形气泡，此过程需借助复杂的高压环境，耗能的同时存在极大的危险性。近年来，对有机聚合泡沫炭化处理是制备泡沫炭的有效方式之一，此方法制备的主要为非石墨化泡沫炭，拥有低的热导率，该方法相较于模板法制备的高孔隙率的泡沫炭，在力学性能和孔结构可调方面取得了突破性进展。由于它主要以改变树脂聚合物的粘度，在一定的压力下，升温至聚合物树脂呈至熔融状态，通过发泡剂迅速发泡产生气体，当气体逸出后，留下具有孔窗状的气孔，再经过固化、炭化或石墨化等工艺步骤得到泡沫炭材料。此方法虽能有效获得目标产品，但在实际应用和工程放大等过程中也依旧面临着许多苛刻的难题。一方面，如使用的传统发泡剂主要为一些低沸点的液态发泡剂，如正己烷等，即使在常温环境下，此类发泡剂也极易挥发，从而导致发泡失败。其次，发泡剂(如正戊烷等)其蒸气可与空气形成爆炸性混合物，当存在遇明火或高热时，极易燃烧导致爆炸，存在潜在的安全风险。此外，在高温高压下，通过泄压法实现孔结构的调控，依旧存在着高危的风险，且样品批次稳定性不足。另一方面，多数报道的方法所使用的固化剂多为强酸(H₂SO₄、HCl、HNO₃、H₃PO₄、p-CH₃C₆H₄SO₃H等)、强碱(NaOH、KOH)或者多种混合溶剂，在应用时未与树脂混合物充分混合便已参与反应，剧烈的放热反应短时间会产生高额的热量，固化区域温度场不均使其发泡剂在体系中未充分作用便立即固化，整个反应过程难以控制，导致制备的泡沫炭孔结构均匀性较差。炭化后的样品，也很难应用于热控器件和能源环境等领域。