碳泡沫的制備方法及結(jié)構(gòu)控制研究.pdf

1、碳泡沫是一種新型的多孔輕質(zhì)炭材料。它以其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的吸附性能、較低的熱膨脹系數(shù)以及可調(diào)的電導(dǎo)、熱導(dǎo)率等一系列顯著的物理性質(zhì)，在熱控材料、微波吸附、超級(jí)電容器、航空航天等領(lǐng)域中有著十分廣泛的應(yīng)用前景。目前，普遍采用中間相瀝青為前驅(qū)體，通過(guò)高壓自發(fā)泡的方法制備碳泡沫材料。這使得碳泡沫的制備極其困難，而且制得的碳泡沫還存在結(jié)構(gòu)控制欠佳，機(jī)械強(qiáng)度不高，表面有較多的微裂紋等缺點(diǎn)，嚴(yán)重地制約了碳泡沫的推廣應(yīng)用。因此，改進(jìn)和優(yōu)化碳泡沫的制備

2、技術(shù)和工藝，開(kāi)發(fā)新的制備技術(shù)路線，從而達(dá)到對(duì)碳泡沫結(jié)構(gòu)的有效控制，這些都是碳泡沫研究中進(jìn)一步深入和走向?qū)嶋H應(yīng)用所需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文選擇酚醛樹(shù)脂、間苯二酚/甲醛以及芳基乙炔為碳源，探索了高壓發(fā)泡法、常壓發(fā)泡法、乳液聚合法、模板法等多種方法來(lái)制備多孔碳泡沫，優(yōu)化制備參數(shù)，制得了具有不同微觀結(jié)構(gòu)的碳泡沫。 ⑴選擇酚醛樹(shù)脂為前驅(qū)體，以正戊烷作為發(fā)泡劑，吐溫80為勻泡劑，通過(guò)在高壓釜中卸壓發(fā)泡的方法制備了碳泡沫材料，其密度約為0．1

3、5～0．30g·cm—3。通過(guò)選擇合適的卸壓速率，制得了具有開(kāi)孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、孔直徑約為300μm且分布較為均勻、接點(diǎn)完好、韌帶光滑等具有良好微結(jié)構(gòu)的碳泡沫。 ⑵選擇以間苯二酚和甲醛為碳源，碳酸鈉為催化劑合成的具有一定粘度的酚醛樹(shù)脂為前驅(qū)體，正戊烷為發(fā)泡劑，吐溫80為勻泡劑，采用常壓發(fā)泡法制備了碳泡沫，所得典型樣品的孔直徑約為100～200μm，密度在0．10～0．40g·cm—3之間。通過(guò)控制前驅(qū)體酚醛樹(shù)脂的粘度和發(fā)泡劑的用量等條

4、件，制得了具有較好微觀結(jié)構(gòu)的碳泡沫。 ⑶以芳基乙炔為前驅(qū)體，硫酸為催化劑，正戊烷為發(fā)泡劑，吐溫80為勻泡劑，通過(guò)常壓發(fā)泡法制備了高機(jī)械強(qiáng)度的碳泡沫。所得碳泡沫密度約為0．60～1．20 g·cm—3，孔徑約為200μm。通過(guò)選擇合適的制備條件如控制發(fā)泡劑的用量，催化劑的濃度及用量等，制得了韌帶和接點(diǎn)光滑等具有良好微結(jié)構(gòu)的碳泡沫。芳基乙炔聚合物泡沫炭化后的高殘?zhí)柯?，以及樣品中良好的孔結(jié)構(gòu)賦予碳泡沫較高的機(jī)械強(qiáng)度；所得碳泡沫的典型樣

5、品的耐壓強(qiáng)度達(dá)到25．8 MPa，耐壓強(qiáng)度/密度比為43．0 MPa·cm3·g—1。 ⑷以液體石蠟為油相，吐溫80和司班80復(fù)配作為乳化劑，水、間苯二酚和甲醛溶液作為水相，獲得了O/W型乳狀液。以NaOH為催化劑，將所得O/W型乳狀液聚合、干燥、炭化后制備了碳泡沫。通過(guò)控制制備條件，制得了具有完整孔洞和孔壁、孔直徑為1～2μm且分布比較均勻的碳泡沫材料。然而，當(dāng)以氨水為催化劑時(shí)，所得碳泡沫具有完全不同的微觀形貌。當(dāng)間苯二酚/甲

6、醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于35．7％時(shí)，所得碳泡沫微球狀的粒子組成；當(dāng)間苯二酚/甲醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29．8％時(shí)，所得碳泡沫由高度纏繞的蠕蟲(chóng)狀粒子組成。這些微球狀或者蠕蟲(chóng)狀粒子的大小和以NaOH為催化劑時(shí)所得碳泡沫的孔徑尺寸相仿。推斷性的證據(jù)表明，以氨水為催化劑時(shí)，乳液體系發(fā)生了相變，原來(lái)的O/W型乳液逐漸轉(zhuǎn)變成雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)或者W/O型乳液，相變導(dǎo)致形成前者還是后者則取決于乳液水相中間苯二酚/甲醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。從分子間氫鍵出發(fā)，應(yīng)用內(nèi)聚能理論探討了不同

7、類(lèi)型催化劑時(shí)乳液的相變機(jī)理以及不同形貌的碳泡沫的形成過(guò)程。 ⑸以間苯二酚、甲醛為碳源，非離子表面活性劑司盤(pán)80為模板，乙醇為溶劑制得了孔直徑為4 nm且分布比較均勻的介孔碳泡沫材料，該碳泡沫比表面積為670㎡·g—1，孔體積為0．65 cm3·g—1。以間苯二酚、甲醛為碳源，司盤(pán)80和二氧化硅納米粒子為雙模板，乙醇為溶劑制得了具有分級(jí)孔結(jié)構(gòu)的介孔碳泡沫材料。所得碳泡沫中同時(shí)存在4 nm和10 nm的介孔，比表面積為580㎡·g—