CN101214945A - 一种高强度绝热沥青碳泡沫材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度绝热沥青碳泡沫材料的制备方法，包括：(1)沥青经热解制备中间相沥青，过筛，制备出高纯度中间相沥青，干燥粉碎并加入贝壳微粒来调整制品的性能；(2)把制备的中间相沥青加入高压反应釜，抽真空升温到沥青的软化点以上并充入惰性气体，在300～500℃的温度和10～80kg/cm2的压力下保持1～180分钟，然后自然降至室温，常压发泡，得到沥青泡沫材料；(3)将沥青泡沫材料在1200～1600℃氮气保护下碳化，得到沥青碳泡沫材料。采用本发明的方法制备的沥青碳泡沫材料具有高强度和优良的绝热性能，适宜于工业化生产。

Description

一种高强度绝热沥青碳泡沫材料的制备方法
技术领域
本发明属沥青碳泡沫材料领域，特别是涉及一种高强度绝热沥青碳泡沫材料的制备方法。
背景技术
沥青碳泡沫材料是一种热学稳定、耐高温、比重轻、比表面积的新材料，它具有优异的绝热性能和力学性能，将其作为保热材料应用在航空航天、航海、核电等部件中，可对装置的小型化、轻型化带来飞跃的变革。
美国Ultramet`s公司开发出一种网状碳泡沫，具有非常低的导热系数，可达到0.085W/m.K，但压缩强度仅为0.763MPa，必须经过金属沉淀等工艺来提高强度。
美国西佛几尼亚大学开发了一种利用煤作为前驱体材料来制备具有较高强度的碳泡沫，压缩强度可达到15MPa，导热系数范围0.4～17.5W/m.k，但该碳泡沫仍需要氧化稳定处理。
J.W Klett USP 6398994 B，2002.6.4披露了利用一种技术，其特征是采用了石油沥青和发泡剂共混后在较低的压力中发泡膨化而成，但其缺陷是两种相材料混合均匀性差，由此形成的孔洞界面分布及均匀性差，从而使碳泡沫材料的功能的均匀性也较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高强度绝热沥青碳泡沫材料的制备方法，以弥补现有技术的不足和缺陷，满足生产和相关领域发展的需要。采用本发明的方法制备的沥青碳泡沫材料具有高强度和优良的绝热性能，适宜于工业化生产。
本发明的一种高强度绝热沥青碳泡沫材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)沥青经热解制备中间相沥青，过筛，制备出高纯度中间相沥青，干燥粉碎并加入贝壳微粒来调整制品的性能；
(2)把制备的中间相沥青加入高压反应釜，抽真空升温到沥青的软化点以上并充入惰性气体，在300～500℃的温度和10～80kg/cm2的压力下保持1～180分钟，然后自然降至室温，常压发泡，得到沥青泡沫材料；
(3)将沥青泡沫材料在1200～1600℃氮气保护下碳化，保温120～180分钟，得到沥青碳泡沫材料。
所述沥青为石油沥青、合成沥青或煤沥青中的一种或其混合物，沥青的软化点为70～90℃；
所述步骤(1)中的热解是400～500℃热解2～4小时；
所述步骤(1)中的过筛是中间相沥青在300～350℃，压力为0.5Mpa下，过400目筛，并用氮气吹扫，除去反应中生成的和难反应的小分子组分；
所述贝壳微粒是层贝壳微粒，粒径在50～100μm，其添加量为沥青重量的5～20％，优选15％；
所述经过调制后沥青软化点达到200～300℃，中间相含量为70～95％；
所述步骤(2)中的升温是在室温至280℃，保持升温速率为4℃/min，保温30～60分钟，再进一步以2℃/min的升温速率升到300～500℃；
所述步骤(2)中的惰性气体为氮气、二氧化碳或氩气中的一种或几种；
所述碳化是不经过氧化稳定处理而直接进行碳化处理，升温速率为3℃/min。
本发明的原理是主要基于贝壳的有机无机片层交替的层状结构对中间相沥青的阻隔和补强作用来提高所制备的碳泡沫的绝热性和力学性能。在中间相沥青的制备过程中添加贝壳微粒于沥青热解中形成的中间相结合在一起，在碳泡沫的高温制备过程中，贝壳的有机层被去除，贝壳的无机片层结构与碳化后形成的石墨片层结构相结合形成夹层三明治结构，这种结构对热的阻隔性能得到极大提高。另一方面，由于在泡沫的生长过程中形成闭孔同样在热量传递中起到阻碍作用，从而使得碳化后的碳泡沫的导热系数大大降低。同时由于贝壳碳泡沫的补强作用及这种特殊的泡沫结构极大的提高了碳泡沫的力学性能。
本发明的有益效果：
采用本发明的方法制备沥青碳泡沫材料，所获得的产品，绝热性能及机械性能优良，工作环境安全可靠，适宜于工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
原料：贝壳微粒改性煤基中间相沥青(煤基沥青400℃热解2小时加入贝壳微粒所得)其性能指标：  软化点250℃，中间相含量70％，喹啉不溶物53％，贝壳微粒含量5％添加剂种类：贝壳微粒，粒径在50～100μm
添加剂含量：为沥青重量的5％
把贝壳微粒改性中间相沥青粉碎至100μm，装入模具中压实。把模具放入高压高温反应釜中，充入氮气至10Kg/cm2，以4℃/min的升温速度升至280℃，保持30分钟，然后以2℃/min的升温速度升至450℃，在该温度下维持120分钟，释放压力降至室温，从而得到孔洞尺寸及其分布相当均匀的沥青泡沫材料，然后在1200℃碳化保温120分钟获得沥青碳泡沫材料。
实施例2
原料：热过滤400筛煤基中间相沥青    贝壳微粒
性能指标：软化点270℃，中间相含量70％，  喹啉不溶物67％，贝壳微粒含量10％
添加剂种类：贝壳微粒，粒径50～100μm
添加剂含量：为沥青重量为10％
将热解后中间相沥青(煤基沥青430℃热解3小时所得)在300℃，压力为0.5Mpa下，过400目筛，干燥粉碎，然后加入贝壳微粒添加剂粉碎至100μm，装入模具中压实。把模具放入高温高压反应釜中，充入氮气至60Kg/cm2，以4℃/min的升温速度升温至280℃，保持30分钟，然后以2℃/min的升温速度升至450℃，在该温度下保持120分钟，释放压力自然降至室温，从而得到孔洞尺寸及其分布相当均匀的沥青泡沫材料，然后在1200℃碳化保温120分钟获得沥青碳泡沫材料。
实施例3
原料：热过滤400筛煤基中间相沥青  贝壳微粒
性能指标：软化点290℃，中间相含量90％，喹啉不溶物48％，贝壳微粒含量15％
添加剂种类：贝壳微粒，粒径50～100μm
添加剂含量：为沥青重量为15％
将热解后中间相沥青(煤基沥青450℃热解4小时)在320℃，压力为0.5Mpa下，过400目筛，干燥粉碎，然后加入贝壳微粒添加剂粉碎至1 00μm，装入模具中压实。把模具放入高温高压反应釜中，充入氮气至60Kg/cm2，以4℃/min的升温速度升温至280℃，保持30分钟，然后以2℃/min的升温速度升至450℃，在该温度下保持120分钟，释放压力自然降至室温，从而得到孔洞尺寸及其分布相当均匀的沥青泡沫材料，然后在1200℃碳化保温120分钟获得沥青碳泡沫材料。
对比例(空白样)
原料：煤基中间相沥青
性能指标：软化点250℃，喹啉不溶物50％
把中间相沥青熔融混合均匀，然后粉碎至100μm，装入模具中压实。把模具放入高温高压反应釜中，充入氮气至60Kg/cm2，以4℃/min的升温速度升温至280℃，保持30分钟，然后以2℃/min的升温速度升至450℃，在该温度下保持120分钟，释放压力自然降至室温，从而得到孔洞尺寸及其分布相当均匀的沥青泡沫材料，然后在1200℃碳化保温120分钟获得沥青碳泡沫材料。
本发明所得碳泡沫材料与对比例所得碳泡沫材料的指标对照如表1所示：
表1  碳泡沫材料指标对照表
  实施例1   实施例2   实施例3   对比例
    体积密度g/cm3     0.53     0.64     0.87   0.42
    开孔率％     73     68     59   80
    导热系数w/mk     1.5     0.8     0.3   4.5
    压缩强度MPa     12.1     20.4     26.7   8
由表1可见，本发明的材料与对比例的材料相比，应用本发明将中间相沥青进行热过滤，然后添加贝壳微粒改性制备的碳泡沫材料，绝热性能和压缩强度比常规方法制备的碳泡沫性能均有明显提高。

Claims (10)

1.一种高强度绝热沥青碳泡沫材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)沥青经热解制备中间相沥青，过筛，制备出高纯度中间相沥青，干燥粉碎并加入贝壳微粒来调整制品的性能；
(2)把制备的中间相沥青加入高压反应釜，抽真空升温到沥青的软化点以上并充入惰性气体，在300～500℃的温度和10～80kg/cm2的压力下保持1～180分钟，然后自然降至室温，常压发泡，得到沥青泡沫材料；
(3)将沥青泡沫材料在1200～1600℃氮气保护下碳化，得到沥青碳泡沫材料。
2.根据权利要求1所述的高强度绝热沥青碳泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述沥青为石油沥青、合成沥青或煤沥青中的一种或其混合物，沥青的软化点为70～90℃。
3.根据权利要求1所述的高强度绝热沥青碳泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的热解是400～500℃热解2～4小时。
4.根据权利要求1所述的高强度绝热沥青碳泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的过筛是中间相沥青在300～350℃，压力为0.5Mpa下，过400目筛，并用氮气吹扫，除去反应中生成的和难反应的小分子组分。
5.根据权利要求1所述的高强度绝热沥青碳泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述贝壳微粒是层贝壳微粒，粒径50～100μm，其添加量为沥青重量的5～20％。
6.根据权利要求5所述的高强度绝热沥青碳泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述贝壳微粒添加量为沥青重量的15％。
7.根据权利要求1所述的高强度绝热沥青碳泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述经过调制后沥青软化点达到200～300℃，中间相含量为70～95％。
8.根据权利要求1所述的高强度绝热沥青碳泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的升温是在室温至280℃，保持升温速率为4℃/min，保温30～60分钟，再进一步以2℃/min的升温速率升到300～500℃。
9.根据权利要求1所述的高强度绝热沥青碳泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的惰性气体为氮气、二氧化碳或氩气中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的高强度绝热沥青碳泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述碳化是升温速率为3℃/min，保温120～180分钟，直接进行碳化处理。
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