【CN109665861A】一种高强度泡沫碳及其制备方法【专利】
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～0 .12W·m-1·K-1。
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CN 109665861 A
说 明 书
1/5 页
一种高强度泡沫碳及其制备方法
技术领域 [0001] 本发明涉及泡沫碳制备的技术领域，尤其涉及了一种高强度泡沫碳及其制备方 法。
背景技术 [0002] 进入二十一世纪以来，新型高超声速飞行器由于其高空高超声速的飞行特点，具 有良好的快速反应能力，强大的远程突袭能力，以及优异的自身生存能力，是世界各航空航 天大国竞相开展的空间技术研究 焦点之一。随 着高超声速飞行器飞行速度的不断提高 ，服 役环境越来越恶劣 ，飞行器的 热防 护问 题成为限 制飞行器发展的 瓶颈。但现有的 有机隔热 材料使 用温度不高 ，特别是在高温环境下其导热系数相对室温环境大幅 增加。因此 ，寻求一 种新型耐高温、轻质、高比强度的隔热材料是是未来表明热防护技术所追求的目标。 [0003] 目前制备泡沫碳的常见前驱体主要有沥青、有机聚合物、煤等。专利CN105462602A 公开了一种利用煤沥青制备泡沫碳的方法，该方法采用沥青灰分低至0 .047％的沥青为原 料，采用自发泡方法发泡制备出强度达6MPa，导热系数低于0 .04W/m﹒K的高性能泡沫。但是 沥青基泡沫碳的抗压强度较低，裂纹相对较大较多，由于受发泡过程中中间相沥青的黏弹 性、黏度和表面张力的影响，结构调控的范围较小，很难通过工艺提高泡沫碳的强度。 [0004] 专利CN105731422A公开了一种制备树脂基泡沫碳的简易方法，将苯乙炔基硅烷单 体按一定质量比加入发泡剂液体石蜡、聚乙二醇或甘油，溶于甲苯中搅拌混合均匀，将其在 氮气气氛中升温制备泡沫碳材料。但是利用酚醛树脂等有机聚合物为原料制备的泡沫碳大 多数呈玻璃质结构，韧性差、脆性高、容易掉渣，无法用作结构材料。 [0005] 二十世纪末，美国率先提出以煤为碳源制备泡沫碳的想法，该方法以煤为原料，经 过碳化(450～475℃)制备得到煤基泡沫碳，紧接着在500℃条件下，经活化得到导电性优良 的泡沫碳材料。然而由于煤中存在灰分和硫，成型的炭泡沫往往成分不均一，在一定程度上 限制炭泡沫的应用范围。 [0006] 目前的制备的泡沫碳的强度较低，采用沥青、有机聚合物、煤等前驱体制备的泡沫 碳材料的压缩强度通常在10MPa以下，甚至更低，如专利CN105462602A采用自发泡方法发泡 制备出的泡沫碳的强度为6MPa；专利CN104591131A利用石墨烯和中间相沥青为基体制备泡 沫碳的压缩强度最大仅为4MPa；专利CN105462602A利用煤焦油发泡制备泡沫碳的压缩强度 最大6 .01MPa。同时，目前常规的制备方法只能做出做规则形状的制品，无法制备出异形样 品，满足不了生产对制备特殊形状的需求。
代理人 马海芳
(51)Int .Cl . C04B 38/06(2006 .01) C04B 35/524(2006 .01) C04B 35/622(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109665861 A (43)申请公布日 2019.04.23
( 54 )发明 名称 一种高强度泡沫碳及其制备方法
权利要求书1页 说明书5页
CN 109665861 A
Baidu Nhomakorabea
CN 109665861 A
权 利 要 求 书
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1 .一种高强度泡沫碳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)按配比 ，将丙烯酰胺和N ,N`-亚甲基双丙烯酰胺混合后，溶解于去离子水中，得到单 体预混液；其中，丙烯酰胺在单体预混液中的质量浓度为19～21％；按质量比 ，丙烯酰胺：N , N`-亚甲基双丙烯酰胺＝(3 .5～4 .5)：1； (2) 将蔗糖加入单体预混液中 ，搅拌至蔗糖完全溶解后 ，得到蔗糖单体预混液 ；其中 ，蔗 糖单体预混液中，蔗糖的质量浓度为40～65wt .％； (3)将造孔剂加入蔗糖单体预混液中 ，球磨混合均匀，得到水基浆料；其中 ，水基浆料 中，造孔剂的体积浓度为50～80vol .％； (4) 向水基浆料中 ，加入 引发剂 ，搅拌至 引发剂完全溶解后 ，将加入 引发剂的 水基浆料 注入模具中，滴加催化剂N ,N ,N`,N`—四甲基乙二胺，连续搅拌，直到水基浆料固化，得到湿 坯；其中，引发剂的质量为水基浆料质量的0 .4～0 .6wt .％；按体积比 ，催化剂：水基浆料＝ 10～20mL：1L； (5)将湿坯置于40～50℃干燥，干燥至湿坯不再收缩，得到素坯； (6)将素坯在空气氛围中，在190～210℃预氧化4～6h，得到预氧化后的素坯； (7) 将预氧化后的素坯置于惰性气氛中 ，在900～1200℃碳化2～4h ，冷 却至室温 ，得到 高强度泡沫碳。 2 .如权利要求1所述的高强度泡沫碳的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，搅拌 至蔗糖完全溶解的时间为30～60min。 3 .如权利要求1所述的高强度泡沫碳的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，所述 的球磨混合均匀，时间为30～60min。 4 .如权利要求1所述的高强度泡沫碳的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，所述 的造孔剂为微胶囊，微胶囊粒径尺寸为20～40μm。 5 .如权利要求4所述的高强度泡沫碳的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，所述 的微胶囊为壳聚糖类微胶囊或树脂类微胶囊中的一种或两种。 6 .如权利要求1所述的高强度泡沫碳的制备方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，引发 剂为过硫酸铵、过硫酸钾或过氧化氢中的一种或几种。 7 .如权利要求1所述的高强度泡沫碳的制备方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，引发 剂完全溶解的时间为5～10min ；所述的固化 ，固化时间为2～10min ；所述的 连续搅拌 ，搅拌 速率为5～10r/min。 8 .如权利要求1所述的高强度泡沫碳的制备方法，其特征在于，所述的步骤(5)中，所述 的干燥，干燥时间为40～60h。 9 .一种高强度泡沫碳，其特征在于，采用权利要求1～8任意一项所述的方法制备得到。 10 .如权利要求9所述的高强度泡沫碳 ，其特征在于 ，该高强度泡沫碳的体积密度为 0 .36～0 .42g/cm3，压缩强度为15～25MPa，比压缩强度为45～50MPacm3/g，导热系数为0 .08
( 57 )摘要 一种高强度泡沫碳及其制备方法，属于泡沫
碳制备的技术领域。该高强度泡沫碳的制备方法 为：按配比 ，将丙烯酰胺和N ,N`-亚甲基双丙烯酰 胺混合后，溶解于去离子水中 ，再加入蔗糖搅拌 溶解后 ，加入造孔剂 ，球磨混合 ，加入 引发剂 ，滴 加催化剂N ,N ,N`,N`—四甲基乙二胺，连续搅拌 固化 ，将湿坯干燥 ，在190～210℃预氧化4～6h ， 在900～1200℃碳化2～4h ，冷 却至室温 ，得到高 强度泡沫碳。该方法采用水基料浆和凝胶注模技 术，使得泡沫碳形状可以设计，对于模具要求低， 尺寸保留程度高 ，可以 制备得到复杂形状的泡沫 碳部件。
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910015699 .1
(22)申请日 2019 .01 .08
(71)申请人 沈阳理工大学 地址 110159 辽宁省沈阳市浑南新区南屏 中路6号
(72)发明人 于洪浩 李鑫
(74)专利代理机构 沈阳东大知识产权代理有限 公司 21109
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CN 109665861 A
说 明 书
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一种高强度泡沫碳及其制备方法
技术领域 [0001] 本发明涉及泡沫碳制备的技术领域，尤其涉及了一种高强度泡沫碳及其制备方 法。
背景技术 [0002] 进入二十一世纪以来，新型高超声速飞行器由于其高空高超声速的飞行特点，具 有良好的快速反应能力，强大的远程突袭能力，以及优异的自身生存能力，是世界各航空航 天大国竞相开展的空间技术研究 焦点之一。随 着高超声速飞行器飞行速度的不断提高 ，服 役环境越来越恶劣 ，飞行器的 热防 护问 题成为限 制飞行器发展的 瓶颈。但现有的 有机隔热 材料使 用温度不高 ，特别是在高温环境下其导热系数相对室温环境大幅 增加。因此 ，寻求一 种新型耐高温、轻质、高比强度的隔热材料是是未来表明热防护技术所追求的目标。 [0003] 目前制备泡沫碳的常见前驱体主要有沥青、有机聚合物、煤等。专利CN105462602A 公开了一种利用煤沥青制备泡沫碳的方法，该方法采用沥青灰分低至0 .047％的沥青为原 料，采用自发泡方法发泡制备出强度达6MPa，导热系数低于0 .04W/m﹒K的高性能泡沫。但是 沥青基泡沫碳的抗压强度较低，裂纹相对较大较多，由于受发泡过程中中间相沥青的黏弹 性、黏度和表面张力的影响，结构调控的范围较小，很难通过工艺提高泡沫碳的强度。 [0004] 专利CN105731422A公开了一种制备树脂基泡沫碳的简易方法，将苯乙炔基硅烷单 体按一定质量比加入发泡剂液体石蜡、聚乙二醇或甘油，溶于甲苯中搅拌混合均匀，将其在 氮气气氛中升温制备泡沫碳材料。但是利用酚醛树脂等有机聚合物为原料制备的泡沫碳大 多数呈玻璃质结构，韧性差、脆性高、容易掉渣，无法用作结构材料。 [0005] 二十世纪末，美国率先提出以煤为碳源制备泡沫碳的想法，该方法以煤为原料，经 过碳化(450～475℃)制备得到煤基泡沫碳，紧接着在500℃条件下，经活化得到导电性优良 的泡沫碳材料。然而由于煤中存在灰分和硫，成型的炭泡沫往往成分不均一，在一定程度上 限制炭泡沫的应用范围。 [0006] 目前的制备的泡沫碳的强度较低，采用沥青、有机聚合物、煤等前驱体制备的泡沫 碳材料的压缩强度通常在10MPa以下，甚至更低，如专利CN105462602A采用自发泡方法发泡 制备出的泡沫碳的强度为6MPa；专利CN104591131A利用石墨烯和中间相沥青为基体制备泡 沫碳的压缩强度最大仅为4MPa；专利CN105462602A利用煤焦油发泡制备泡沫碳的压缩强度 最大6 .01MPa。同时，目前常规的制备方法只能做出做规则形状的制品，无法制备出异形样 品，满足不了生产对制备特殊形状的需求。
代理人 马海芳
(51)Int .Cl . C04B 38/06(2006 .01) C04B 35/524(2006 .01) C04B 35/622(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109665861 A (43)申请公布日 2019.04.23
( 54 )发明 名称 一种高强度泡沫碳及其制备方法
权利要求书1页 说明书5页
CN 109665861 A
Baidu Nhomakorabea
CN 109665861 A
权 利 要 求 书
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1 .一种高强度泡沫碳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)按配比 ，将丙烯酰胺和N ,N`-亚甲基双丙烯酰胺混合后，溶解于去离子水中，得到单 体预混液；其中，丙烯酰胺在单体预混液中的质量浓度为19～21％；按质量比 ，丙烯酰胺：N , N`-亚甲基双丙烯酰胺＝(3 .5～4 .5)：1； (2) 将蔗糖加入单体预混液中 ，搅拌至蔗糖完全溶解后 ，得到蔗糖单体预混液 ；其中 ，蔗 糖单体预混液中，蔗糖的质量浓度为40～65wt .％； (3)将造孔剂加入蔗糖单体预混液中 ，球磨混合均匀，得到水基浆料；其中 ，水基浆料 中，造孔剂的体积浓度为50～80vol .％； (4) 向水基浆料中 ，加入 引发剂 ，搅拌至 引发剂完全溶解后 ，将加入 引发剂的 水基浆料 注入模具中，滴加催化剂N ,N ,N`,N`—四甲基乙二胺，连续搅拌，直到水基浆料固化，得到湿 坯；其中，引发剂的质量为水基浆料质量的0 .4～0 .6wt .％；按体积比 ，催化剂：水基浆料＝ 10～20mL：1L； (5)将湿坯置于40～50℃干燥，干燥至湿坯不再收缩，得到素坯； (6)将素坯在空气氛围中，在190～210℃预氧化4～6h，得到预氧化后的素坯； (7) 将预氧化后的素坯置于惰性气氛中 ，在900～1200℃碳化2～4h ，冷 却至室温 ，得到 高强度泡沫碳。 2 .如权利要求1所述的高强度泡沫碳的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，搅拌 至蔗糖完全溶解的时间为30～60min。 3 .如权利要求1所述的高强度泡沫碳的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，所述 的球磨混合均匀，时间为30～60min。 4 .如权利要求1所述的高强度泡沫碳的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，所述 的造孔剂为微胶囊，微胶囊粒径尺寸为20～40μm。 5 .如权利要求4所述的高强度泡沫碳的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，所述 的微胶囊为壳聚糖类微胶囊或树脂类微胶囊中的一种或两种。 6 .如权利要求1所述的高强度泡沫碳的制备方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，引发 剂为过硫酸铵、过硫酸钾或过氧化氢中的一种或几种。 7 .如权利要求1所述的高强度泡沫碳的制备方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，引发 剂完全溶解的时间为5～10min ；所述的固化 ，固化时间为2～10min ；所述的 连续搅拌 ，搅拌 速率为5～10r/min。 8 .如权利要求1所述的高强度泡沫碳的制备方法，其特征在于，所述的步骤(5)中，所述 的干燥，干燥时间为40～60h。 9 .一种高强度泡沫碳，其特征在于，采用权利要求1～8任意一项所述的方法制备得到。 10 .如权利要求9所述的高强度泡沫碳 ，其特征在于 ，该高强度泡沫碳的体积密度为 0 .36～0 .42g/cm3，压缩强度为15～25MPa，比压缩强度为45～50MPacm3/g，导热系数为0 .08
( 57 )摘要 一种高强度泡沫碳及其制备方法，属于泡沫
碳制备的技术领域。该高强度泡沫碳的制备方法 为：按配比 ，将丙烯酰胺和N ,N`-亚甲基双丙烯酰 胺混合后，溶解于去离子水中 ，再加入蔗糖搅拌 溶解后 ，加入造孔剂 ，球磨混合 ，加入 引发剂 ，滴 加催化剂N ,N ,N`,N`—四甲基乙二胺，连续搅拌 固化 ，将湿坯干燥 ，在190～210℃预氧化4～6h ， 在900～1200℃碳化2～4h ，冷 却至室温 ，得到高 强度泡沫碳。该方法采用水基料浆和凝胶注模技 术，使得泡沫碳形状可以设计，对于模具要求低， 尺寸保留程度高 ，可以 制备得到复杂形状的泡沫 碳部件。
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910015699 .1
(22)申请日 2019 .01 .08
(71)申请人 沈阳理工大学 地址 110159 辽宁省沈阳市浑南新区南屏 中路6号
(72)发明人 于洪浩 李鑫
(74)专利代理机构 沈阳东大知识产权代理有限 公司 21109