[发明专利]一种用生物质焦油制备泡沫炭材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及泡沫炭材料制备方法，特别涉及一种以生物质焦油为原料制备泡沫炭材料的方法。 

背景技术

泡沫炭是一种以碳为骨架的多孔性碳材料，具有低密度、高强度、热力学稳定、高导热、耐化学腐蚀等优异的性能。由于其高强度(以煤为原料可达8.3MPa)可被用来代替炭纤维编织体；由于其热力学稳定且导热系数分布范围较宽(0.05～210W/m·K)，可以用来制备具有高导热性能或绝热性良好的材料，应用于大型换热器、高度集成计算机CPU的排热器件等，在航空航天领域中的火箭发动机、热防护系统等也有良好的应用前景。另外泡沫炭具有独特的多孔结构，在气体吸附以及锂-氧电池、燃料电池等储能方面有很大的应用前景[Jin Kim，Development of porous carbon foam polymer electrolyte membrane fuel cell，Journal of Power Sources 195(2010)2291-2300]。 

20世纪60年代开发出来的泡沫炭是由热固性树脂热解制得，具有网状玻璃态结构[Ford W.Method of making cellular refractory thermal insulating material[P].US patent 3121050.1964]；20世纪90年代，人们用中间相沥青作为前躯体，通过添加发泡剂或在高温高压下令中间相沥青自发泡，经过氧化、炭化、石墨化制备出新一代泡沫炭，这种泡沫炭不仅密度低、耐腐蚀性好，同时还具有高的导热率。美国人James klett以萘基中间相沥青为原料，制备出的泡沫碳具有石墨韧带连接构成的球形开孔结构，比热导率可达铜的四倍以上[James Klett等，High-thermal-conductivity，mesophase-pitch-derived carbon foams：effect of precursor on structure and properties，Carbon 38(2000)953-973]。但是该方法使用 的原料中间相沥青成本较高，且发泡过程对设备要求较高。 

美国West Virginia大学的研究小组以煤为前躯体，将高挥发性烟煤在350～550℃高温下处理，或抽提出煤沥青再经过发泡工艺进行发泡，得到密度在0.2～2g/cm3的泡沫炭。该泡沫炭具有优异得绝热性能和高强度。但是这种方法对原料煤的选择具有局限性，且制备工艺复杂，需要耐高温高压的设备。 

生物质焦油是在对木材、竹材等干馏或炭化加工过程中得到的副产物，含有大量的多环芳烃其酚类、醛类衍生物。以其为基础合成缩合多环芳烃树脂具有优异的耐高温特性，良好的可成形性，与碳材料良好的亲和性，而且表现出类似沥青的性质[200910237651.1]。 

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用生物质焦油合成出的缩合多环芳烃树脂制备泡沫炭的制备方法，按下列方法制得： 

步骤一：按质量比0.5∶1～5∶1称取生物质焦油和交联剂置于反应器内，搅拌均匀，加入质量为焦油和交联剂总质量4～9％的催化剂，在120～160℃惰性气氛下加热搅拌，反应1～6h后，得B阶缩合多环芳烃树脂； 

步骤二：将B阶缩合多环芳烃树脂置于氧化剂于中，在空气氛围下，加热至高于树脂软化点10～70℃，得氧化B阶树脂； 

步骤三：将氧化B阶树脂研磨后装入常压定容模具中，在250℃～400℃条件下加热30～120min，得到泡沫树脂； 

步骤四：将泡沫树脂放入炭化炉中，惰性气氛下升温至600℃～1500℃，保温0.5～4h后冷却至室温，得到泡沫炭。 

本发明进一步的优选方案是：所述生物质焦油选自竹焦油、木焦油中的一种。 

本发明进一步的优选方案是：所述交联剂选自对苯二甲醇、甲醛、三聚甲醛中的一种。 

本发明进一步的优选方案是：所述催化剂选自对甲苯磺酸、硫酸、无水AlCl₃中的一种。 

本发明进一步的优选方案是：所述氧化剂选自浓HNO₃、浓H₂SO₄、H₂O₂中的一种。 

本发明进一步的优选方案是：制得的泡沫碳具有以碳为骨架的网状结构和较高的开口气孔率，密度为0.2～1g/cm³，泡孔孔径为50～500μm。