[发明专利]一种整体结构炭复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制造领域，具体涉及一种整体结构炭复合材料及其制备方法。

背景技术

泡沫炭是一种由孔泡和相互连接的孔泡壁组成的具有三维网状结构的轻质多孔炭材料，具有低密度、高导热、高导电、耐火、抗冲击、吸波、降噪、低热膨胀系数、耐化学腐蚀等优异性能，因而在化工、航空航天、电子等诸多技术领域具有广阔的应用前途。但是，泡沫炭的孔泡孔径大，比表面积小。

另一方面，活性炭作为一种传统的炭材料，应用领域非常广阔，具有多孔性和大比表面等特点，尤其适合于用作吸附剂和催化剂载体。但传统的从煤等天然资源制备的活性炭存在着材料杂质多、成型难度大、性能不稳定等问题。通过加入黏结剂或其它途径成型的活性炭目前多为颗粒状、条柱状或不规则形状，工业应用时具有床层压降高、传质阻力大的弊端，造成巨大的动力损失，且成型体强度低，使用时易破碎，再加上成型活性炭基本上没有大孔，孔径多集中在微孔(小于2nm)范围，使用时流体在孔内的扩散和传质速率小，内表面利用效率低，因此，活性炭的性能难以得到发挥，成为其工业应用的致命弱点。

因此，本领域迫切需要提供一种新的材料，它是一种成型的炭复合材料，具有多种孔径尺寸，并且比表面积大。

发明内容

本发明旨在提供一种新的炭复合材料及其制备方法。

在本发明第一方面，提供了一种整体结构炭复合材料，所述的复合材料由堇青石陶瓷和炭材料组成，具有整体蜂窝结构，其中炭材料涂覆在堇青石蜂窝通道壁上，既有泡沫结构的大孔，又存在纳米级的微孔；以复合材料的总重量计，炭材料的重量百分比为1-15％；所述炭材料为泡沫结构的活性炭，泡沫结构孔的直径为0.5-20μm，以孔的总数量计，小于2nm的微孔数量占55-85％。

在另一优选例中，炭材料的重量百分比为4-12％；所述炭材料中泡沫结构孔的直径为1-10μm，小于2nm的微孔数量占60-80％。

在本发明的第二方面，提供了一种如上所述的本发明提供的整体结构炭复合材料的制备方法，所述的方法包括步骤：

(1)将堇青石陶瓷蜂窝在混合溶液中浸泡0.5-24小时，所述混合溶液是将富碳前驱体、溶剂、固化剂和发泡剂混合得到；以混合溶液的总体积计，富碳前驱体的浓度为5-70w/v％，所述溶剂、固化剂和发泡剂的重量比例为1∶0-0.1∶0-0.1；

(2)将浸泡后的堇青石陶瓷蜂窝升温至50-300℃，保持1-12小时，使富碳前驱体固化并发泡，形成的复合体I含有堇青石陶瓷和固化并发泡的富碳前驱体；

(3)在惰性气体下，将复合体I升温至500-1000℃，保持1-12小时，使富碳前驱体炭化，形成的复合体II含有堇青石陶瓷和泡沫炭；和

(4)在氧化性气体下，将复合体II置于300-1000℃，保持5-240分钟，得到如上所述的本发明提供的整体结构炭复合材料。

上述制备方法中所述的富碳前驱体选自树脂、煤沥青、或石油沥青；所述的溶剂选自下述的一种或一种以上：水、乙醇、丙酮、异丙醇、乙二醇、和苯；所述的固化剂选自六次甲基四胺、二乙烯三胺、或偏苯二胺；所述的发泡剂选自下述的一种或一种以上：聚乙烯醇、石油醚、尿素、和碳酸铵((NH₄)₂CO₃)。

在另一优选例中，所述的富碳前驱体选自下述的一种或一种以上：酚醛树脂、环氧树脂、和环氧丙烯酸树脂。

在本发明的第三方面，提供了一种如上所述的本发明提供的整体结构炭复合材料的用途，用于吸附、催化、吸波、保温、绝缘、防腐蚀。

据此，本发明提供了一种新的材料，它是一种成型的炭复合材料，具有多种孔径尺寸，并且比表面积大。

附图说明

图1显示了扫描电镜观察的本发明提供的整体结构炭复合材料不同制备阶段的情况；其中

A是经历发泡工艺后堇青石蜂窝通道壁上涂覆的富碳前驱体的图片，B是经历炭化和活化工艺后堇青石蜂窝通道壁上涂覆的泡沫结构活性炭的图片。

具体实施方式

发明人经过广泛而深入的研究，发现将整体蜂窝型堇青石陶瓷为结构基体，通过在整体蜂窝上浸泡富碳前驱体，再经过发泡、炭化等工艺获得在堇青石蜂窝通道壁上涂覆有泡沫炭的复合材料，最后通过活化，制备出具有多重孔道结构，孔径分布可以自由调节的整体结构炭复合材料。

复合材料