泡沫炭的制备及应用

泡沫炭的制备及应用

纪妲;何星

【摘要】泡沫炭自出现起就成为炭材料研究中的热点，因具有密度低、耐腐蚀、抗氧化、膨胀系数低、机械性能高、导热系数低等优质性能，使其具有广阔的应用前景。对于泡沫炭来说，原料、制备过程等均对其结构及性能有着重要影响。本文以不同前躯体为分类规则，综述了泡沫炭的制备技术，同时概述了泡沫炭在应用方面取得的进展并对目前存在的问题进行总结，以期为泡沫炭将来的应用提供理论参考。%Carbon foam are the hotspot of carbon material research since it been found, it has wide application prospects for its high-performances such as low density, corrosion resistance, antioxidant, low coefficient of expansion, high mechanical properties and low coefficient of thermal conductivity, etc. For carbon foams, both raw material and preparation could influence its structure and property. Based on different precursors’ classification rule, the preparation methods, the application progress and the existing problems of carbon foam were summarized, hoping to provide theoretical reference for the application of carbon foams.

【期刊名称】《广州化工》

【年(卷),期】2016(044)007

【总页数】4页(P11-14)

【关键词】泡沫炭;制备;性能;应用

【作者】纪妲;何星

【作者单位】上海理工大学材料科学与工程学院，上海 200093;上海理工大学材

料科学与工程学院，上海 200093

【正文语种】中文

【中图分类】TM242

泡沫炭是以富碳物质为前驱体，经过发泡、固化、炭化及石墨化等过程得到的一种由孔泡及孔壁组成的三维轻质功能性炭材料，其密度低、耐腐蚀、抗氧化、膨胀系数低、机械性能高、导热系数低等性能可满足不断发展的科学技术对现代新型材料在新领域应用方面的苛刻要求。目前，泡沫炭已广泛应用于航空航天、电子材料、建筑、生物工程等[1-4]领域。近年来，泡沫炭材料的研究内容主要集中在廉价易得、绿色环保的前驱体选择或对前驱体进行修饰、改性，优化制备工艺、开发新的制备方法，以调整泡沫炭的内部微观结构进而调控材料的力学、热学、电学等性能，积极的扩展应用途径[2]。本文对不同前驱体制备泡沫炭材料的研究方法以及泡沫

炭应用等方面的研究成进行了总结果，并对今后泡沫炭材料的研究重点进行了展望。

1.1 以有机聚合物为原料

(1)热分解法

热解法是在聚合物(可热解物质，还包括煤、烃类、纤维素类化合物等)中添加发泡剂(不可热解物质)均匀混合，较高压力下升温至聚合物融化，逐渐卸压，使发泡剂逐渐挥发形成气孔，随后经过炭化、石墨化工艺制成泡沫炭材料。

甘礼华等[5]以芳基乙炔预聚物为原料，吐温80为匀泡剂，正戊烧为发泡剂，加入硫酸加热至100 ℃发泡，除去硫酸后再加热至350 ℃进一步聚合，炭化后制得高强度泡沫炭；K Prabhakaran等[6]热解蔗糖的酸性水溶液得到初生泡沬炭，在250 ℃下炭化，然后在600～1400 ℃下烧结得到了不同孔径和密度的泡沫炭。郭全贵等[7]将热塑性酚醛树脂、发泡剂、固化剂和乙醇混合后在250～300 ℃下热

解得到了泡沫炭的前驱体，进一步炭化制备了酚醛树脂基泡沫炭。

(2)模板法

模板法的制备工艺是以有机泡沫为模板, 以酚醛树脂、呋喃树脂、聚酰亚胺等原料为炭前驱体,通过浸渍、固化、炭化制得孔径分布均匀、结构规则并具有一定机械强度的泡沫炭。

Nan Xiao等[8]以聚氨酯泡沫塑料为模板、Ni为催化剂、聚酰胺酸为炭源制备泡沫炭。泡沫炭为开孔结构，平均直径为500 μm，且孔壁含有介孔。Gimin Nam 等[9]以聚氨酯泡沫为模板，以不同树脂为炭前驱体制备泡沫炭。结果发现以苯酚-甲醛为前驱体制得的泡沫炭的性能最为优异：比表面积为63 m2/g，电导率为3.409 S/m，抗压强度为0.25 MPa。

(3)乳液法

乳液是一种分散体系，由水相和另一种与水相微溶或互不相溶的油相组成。制备过程包括聚合、净化和炭化等步骤。该方法制备的泡沫炭孔径较小，且通过调节乳液的组成和形成条件可制备出结构规则均匀的泡沫炭。

王百鑫等[10]采用间苯二酚和甲酸的水溶液作水相，液体石蜡作油相，通过乳液聚合法制备得到了密度为0.25 g/cm3，比表面积为700 m2/g，孔径在2～3 μm 的开孔结构泡沫炭。Adam F Gross等[11]采用O/W型乳液制得到泡沫炭，间苯二酚/甲酸的水溶液作水相，硅油作油相。改变合成条件可将介孔孔径控制在5～8 nm大孔孔径控制在0.7～2.1 μm，1200 ℃炭化后孔容和电导率分别达到了5.26 cm3/g和0.34 S/cm，可用作3D集电器和燃料电池催化剂的载体。

1.2 以煤为原料

比较常见的煤基泡沫炭的制备方法有两种：一种是在煤中加入盐类进行热解，再通过水洗涤，真空过滤，除去盐类制得泡沫炭；另外一种是烟煤脱灰加氢，得到焦炭后再溶于溶剂中，随后将泡沫炭进行冷却、石墨化。

马玲玲[12]以全组分族分离所得的煤疏中质组分为原料制备出泡沫炭，再经过KOH活化后比表面积和总孔容可达1510 cm2/g和0.8384 cm3/g，同时比电容

量为109.2 F/g可用作电极材料制作超级电容器。Elena Rodrigue等[13]以煤为

前驱体在450～475 ℃下炭化制得泡沫炭，再500 ℃下ZnCl2活化得到优异机械性能和导电性的泡沫炭材料。

1.3 以沥青为原料

(1)高压渗氮法

高压渗氮法制备泡沫炭的过程如下：先将沥青置于炉内抽真空，加热至软化点以上，通入惰性气体持续升温使气体发生膨胀形成气泡。但发泡后还需要在空气或者氧气中固化，使其形成网状交连结构，避免沥青在后续的炭化和石墨化工艺过程中发生形变。

(2)自发泡法

自发泡法是目前使用最为广泛的一种方法。将中间相沥青置于反应釜中，充入氮气等保护气体，加热至发泡温度并恒温。在升温的过程中，沥青受热先软化溶融，粘度降低，分解释放出轻组分气体，以此作为发泡剂，温度进一步升高后，沥青粘度增大，逐渐固化，气泡被固定在沥青内形成泡孔结构，最终经过炭化和石墨化等热处理工艺后得到泡沫炭材料。

Chong C等[14]研究发现，发泡前对石油系沥青和煤系沥青在惰性氛围下进行热

处理，提高沥青的软化点和粘度，使其达到发泡要求。王永刚等[15]考察了中间相沥青的流变性能对泡孔结构的影响。结果表明，在温度为400～450 ℃，压力为2 MPa时，沥青的粘度较低,比较稳定，且随温度的变化小。且制得的泡沫炭孔径较大(462 μm)，分布较窄(380～520 μm)，孔壁较薄，微裂纹较少，开孔较多，韧

带排列规整。

(3)超临界法