本發(fā)明屬于炭材料領(lǐng)域，涉及一種高強度炭泡沫材料的制備方法。

背景技術(shù)：

炭泡沫(Carbon foams，CF)是一種由大尺寸孔徑的孔泡和相互連接的孔泡壁組成的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)多孔材料。除具有炭材料的常規(guī)性能外，炭泡沫還具有低密度、高比強、抗熱震、易加工等特性和特殊的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、吸波等物理和化學(xué)性能，通過與金屬或非金屬復(fù)合，可以獲得高性能的結(jié)構(gòu)材料，這些優(yōu)異的性能使泡沫炭在化工、航空航天、電子、能源等諸多技術(shù)領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力，近年來，炭泡沫材料的研究在國內(nèi)外得到高度關(guān)注。

CN 1966404 A公開了一種用芳基乙炔單體制備碳泡沫的方法，所述制備方法首先選取純度90-94％以上，間苯乙炔和對苯乙炔的質(zhì)量比為5:2的芳基乙炔單體為原料。接著按比例加入發(fā)泡劑正戊烷和勻泡劑吐溫80，升溫攪拌，滴加固化劑硫酸，繼續(xù)恒溫攪拌，在固化過程中發(fā)泡，獲得部分固化的泡沫體。然后用丙酮溶液浸泡清洗上述泡沫體以去除其中的勻泡劑和固化劑。再將其分級完全固化：120℃恒溫干燥2h，150℃恒溫干燥2h，180℃恒溫干燥2h，200℃恒溫干燥2h，氮氣氛圍中350℃后處理4h，得到聚芳基乙炔泡沫。最后將其沫在氮氣氛圍中以10℃/min由室溫加熱到900℃，恒溫180min讓其碳化，再緩慢降至室溫，即得到碳泡沫。

CN 101955179 A公開了一種使用生物質(zhì)焦油制備泡沫炭的方法，所述方法步驟一：按質(zhì)量比0.5:1～5:1稱取生物質(zhì)焦油和交聯(lián)劑置于反應(yīng)器內(nèi)，攪拌均勻，加入質(zhì)量為焦油和交聯(lián)劑總質(zhì)量4～9％的催化劑，在120～160℃惰性氣氛下加熱攪拌，反應(yīng)1～6h后，得B階縮合多環(huán)芳烴樹脂；步驟二：將B階縮合多環(huán)芳烴樹脂置于氧化劑于中，在空氣氛圍下，加熱至高于樹脂軟化點10～70℃，得氧化B階樹脂；步驟三：將氧化B階樹脂研磨后裝入常壓定容模具中，在250～400℃條件下加熱30～120min，得到泡沫樹脂；步驟四：將泡沫樹脂放入炭化爐中，惰性氣氛下升溫至600～1500℃，保溫0.5～4h后冷卻至室溫，得到泡沫炭。

CN 102134068 A提供了一種高開孔率石墨化泡沫炭的制備方法，所述制備方法用瀝青類物質(zhì)重量的1-5倍的有機(jī)溶劑對瀝青類物質(zhì)進(jìn)行萃取獲得萃取液，將作為模板的高聚物泡沫在上述萃取液中浸漬2-10min，取出浸漬后的模板泡沫，擠壓出過量萃取液獲得復(fù)合物泡沫，將擠壓后的復(fù)合物泡沫在0-150℃下干燥5-300min，將干燥后的復(fù)合物泡沫在空氣或氧氣氣氛下，以0.5-5℃/min程序升溫至200-350℃，氧化處理20-120min，冷卻至室溫后得到氧化后的復(fù)合物泡沫；將氧化后的復(fù)合物泡沫在惰性氣體保護(hù)下，以0.01-50℃/min程序升溫至700-1500℃得到泡沫炭；將所得泡沫炭以1-50℃/min程序升溫至2800-3000℃，得到高開孔率石墨化泡沫炭。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)制備碳泡沫采用的原料都有一定的缺點，樹脂易于控制發(fā)泡得到孔徑細(xì)小均勻的泡沫前體，但難以石墨化且脆性大，而瀝青、焦油、煤等易于獲得高導(dǎo)熱高導(dǎo)電的石墨泡沫，但泡沫前體的制備裝置要求較高，工藝過程比較繁鎖，同時現(xiàn)有技術(shù)制備的炭泡沫的強度都較低。因此，研究一種新型的炭泡沫的制備方法十分重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種炭泡沫的制備方法，所述制備方法以糖類物質(zhì)為碳源，原料成本低廉，無毒無害，發(fā)泡簡單，泡沫的體積和密度可控，可以充分填充到模具中，糖類物質(zhì)中碳的轉(zhuǎn)化率高，且制備得到的炭泡沫的強度高，生產(chǎn)工藝簡單，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種炭泡沫材料的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)以糖類物質(zhì)為碳源材料，與水凝膠劑材料溶于水中，得到混合液；

(2)向步驟(1)得到的混合液中加入發(fā)泡劑，在惰性氣體保護(hù)下發(fā)泡得到發(fā)泡體，然后將發(fā)泡體凝膠固化，得到泡沫凝膠體；

(3)將步驟(2)得到的泡沫凝膠體進(jìn)行碳化處理，得到炭泡沫材料。

本發(fā)明采用糖類物質(zhì)作為碳源材料，通過加入凝膠劑材料，再加入選擇的發(fā)泡劑發(fā)泡，碳化后可以獲得高強度的碳泡沫材料。糖類物質(zhì)作為碳源，制備成混合液并加入發(fā)泡劑后，由于改變了混合液的表面張力，因此攪拌后可獲得細(xì)小均勻的泡沫，加入凝膠劑材料凝膠固化后，形成高分子三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，將泡沫壁中糖類物質(zhì)束縛在極小的空間內(nèi)，避免了在后續(xù)處理過程中糖類物質(zhì)的揮發(fā)和不可控發(fā)泡造成泡沫體的變化。由于泡沫細(xì)小均勻，因此形成的炭泡沫材料中的孔同樣細(xì)小均勻，且孔壁均勻致密，提高了碳泡沫材料的強度。所以，糖類物質(zhì)、凝膠劑材料以及發(fā)泡劑三者協(xié)同作用，使形成的泡沫均勻細(xì)小，從而使碳泡沫材料的強度得到了提升。

以下作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，但不作為本發(fā)明提供的技術(shù)方案的限制，通過以下技術(shù)方案，可以更好的達(dá)到和實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)目的和有益效果。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(1)所述糖類物質(zhì)包括水溶性糖類物質(zhì)和/或非水溶性糖類物質(zhì)。

優(yōu)選地，所述水溶性糖類物質(zhì)包括蔗糖、葡萄糖、果糖和麥芽糖中的任一種或至少兩種的組合，所述組合典型但非限制性實例有：蔗糖和葡萄糖的組合、葡萄糖和果糖的組合、果糖和麥芽糖的組合、麥芽糖和蔗糖的組合或蔗糖、葡萄糖和果糖的組合等。

優(yōu)選地，所述非水溶性糖類物質(zhì)包括玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和紅薯淀粉中任意一種或至少兩種的組合，所述組合典型但非限制性實例有：玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的組合、馬鈴薯淀粉和紅薯淀粉的組合、紅薯淀粉和玉米淀粉的組合或玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和紅薯淀粉的組合等。

其中，非水溶性糖類物質(zhì)并非在水中的溶解度為0，這些糖類物質(zhì)在水中有很小的溶解度，但是宏觀上很難觀察到溶解的存在，因此將其定義為非水溶性糖類物質(zhì)。

優(yōu)選地，水溶性糖類物質(zhì)的加入量為水重量的80～200％，如80％、90％、100％、110％、120％、130％、140％、150％、160％、170％、180％、190％或200％等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用。

優(yōu)選地，非水溶性糖類物質(zhì)的加入量為水重量的50～100％，如50％、60％、70％、80％、90％或100％等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用。

糖類物質(zhì)原料廉價易得，無毒無害，作為碳水化合物，除水后沒有其他雜質(zhì)，可以得到高純度碳泡沫，若要制備特殊用途的超高純度碳泡沫時，可使用的蔗糖、葡萄糖、果糖、麥芽糖等水溶性原料并對其進(jìn)行預(yù)提純處理，典型方法是將其水溶液在離子交換柱中反復(fù)過濾去除雜質(zhì)直至達(dá)到所需要的純度，同時使用不含金屬離子的發(fā)泡劑即可。

其中蔗糖、葡萄糖、果糖、麥芽糖等水溶性原料可以方便地配制不同濃度的水溶液供使用，室溫下100g水中可溶解210g蔗糖，果糖的溶解度更為蔗糖的1.9倍，麥芽糖甚至可以在室溫下以液體形式存在，與水無限互溶，葡萄糖室溫下溶解度雖不算很高，但在60℃以上100g水中則可溶解葡萄糖300g以上，且該過飽合溶液降至室溫可延時數(shù)小時不會析出。而玉米淀粉、馬鈴薯淀粉等非水溶性(或溶解度很小)原料配制水料漿懸浮性好不易沉降，非常方便配制水料漿供使用，操作方便。

與一般高分子樹脂不同，葡萄糖、果糖是含有一個六元環(huán)而蔗糖、麥芽糖是含有兩個六元環(huán)的小分子有機(jī)物，淀粉則是可看作是葡萄糖的聚合物，均屬于易石墨化物質(zhì)。通過控制高溫碳化處理溫度，便可獲得從無定形態(tài)到部分石墨化甚至完全石墨化的不同結(jié)構(gòu)的碳泡沫材料。

優(yōu)選地，步驟(1)所述水凝膠劑材料為丙烯酰胺與N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺的組合。

優(yōu)選地，所述凝膠劑材料的加入量為水質(zhì)量的10～35％，如10％、12％、15％、18％、20％、22％、25％、28％、30％或33％等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用，進(jìn)一步優(yōu)選為15～25％。

優(yōu)選地，所述丙烯酰胺和N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺比例為10:1～30:1，如10:1、15:1、20:1、25:1或30:1等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用，進(jìn)一步優(yōu)選為15:1～25:1。

優(yōu)選地，步驟(2)所述發(fā)泡劑包括離子型表面活性劑發(fā)泡劑、非離子型表面活性劑發(fā)泡劑、蛋白活性物型發(fā)泡劑和復(fù)合型發(fā)泡劑中任意一種或至少兩種的組合，所述組合典型但非限制性實例有：離子型表面活性劑發(fā)泡劑和非離子型表面活性劑發(fā)泡劑的組合、非離子型表面活性劑發(fā)泡劑和蛋白活性物型發(fā)泡劑的組合、蛋白活性物型發(fā)泡劑和復(fù)合型發(fā)泡劑的組合或離子型表面活性劑發(fā)泡劑、非離子型表面活性劑發(fā)泡劑和蛋白活性物型發(fā)泡劑的組合等。

優(yōu)選地，步驟(2)所述發(fā)泡劑包括水泥發(fā)泡劑，進(jìn)一步優(yōu)選為中國建筑材料科學(xué)研究總院生產(chǎn)的水溶性復(fù)合非離子型水泥發(fā)泡劑FP-12。

優(yōu)選地，步驟(2)所述發(fā)泡劑的加入量為步驟(1)得到的混合液質(zhì)量的0.5～2％，如0.5％、0.6％、0.8％、1％、1.2％、1.5％、1.8％或2％等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用。

優(yōu)選地，步驟(2)所述發(fā)泡的時間為10～60min，如10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用，進(jìn)一步優(yōu)選為20～40min。

優(yōu)選地，步驟(2)所述發(fā)泡體的體積為混合液體積的1.5～4.0倍，如1.5倍、2倍、2.5倍、3倍、3.5倍或4倍等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用。

控制發(fā)泡劑的加入量以及發(fā)泡時間和攪拌速率可以控制碳泡沫材料中孔徑的大小以及密度，當(dāng)加入的發(fā)泡劑較少、攪拌速率較低且發(fā)泡時間控制在較短時間內(nèi)時，由于發(fā)泡速率變慢，容易形成大小不均勻的氣泡，且孔壁較厚，同時較短的發(fā)泡時間難以增大發(fā)泡倍率，因此密度較高；而如果發(fā)泡劑加入量大、攪拌速率較高且發(fā)泡時間較長時，由于發(fā)泡攪拌速率加快，泡沫的體積就變大，孔壁變薄，密度變小。同時長時間的發(fā)泡會使泡沫孔徑更加均勻，所以本發(fā)明應(yīng)嚴(yán)格控制發(fā)泡劑的加入量，當(dāng)發(fā)泡劑的加入量小于混合液質(zhì)量的0.5％時，發(fā)泡速度緩慢，發(fā)泡體積過小，孔壁較厚，造成泡沫體中的氣孔半徑大小不均勻，影響最終炭泡沫材料的強度；當(dāng)發(fā)泡劑的加入量大于混合液質(zhì)量的2％時，發(fā)泡速度過快，會導(dǎo)致泡沫體體積過大，孔壁過薄，密度過低，從而同樣會使最終炭泡沫材料的強度降低。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案之一，步驟(2)所述惰性氣體包括氮氣和/或氬氣。

優(yōu)選地，步驟(2)所述發(fā)泡在攪拌下進(jìn)行。

優(yōu)選地，所述攪拌的方式選自機(jī)械攪拌或電磁攪拌。

優(yōu)選地，所述的攪拌速率為1000～2500r/min，如1000r/min、1200r/min、1500r/min、1800r/min、2000r/min、2200r/min或2500r/min等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(2)所述凝膠固化為引發(fā)劑-催化劑凝膠固化。

優(yōu)選地，所述引發(fā)劑-催化劑凝膠固化包括如下步驟：在凝膠固化前向發(fā)泡體中邊攪拌邊加入引發(fā)劑和催化劑。

優(yōu)選地，所述引發(fā)劑包括過硫酸銨、過硫酸鉀和過硫酸鈉中任意一種或至少兩種的組合，所述組合典型但非限制性實例有：過硫酸銨和過硫酸鈉的組合、過硫酸銨和過硫酸鉀的組合、過硫酸鈉和過硫酸鉀的組合、過硫酸鉀和過硫酸鈉的組合等，進(jìn)一步優(yōu)選為過硫酸銨，以減少K、Na雜質(zhì)離子的引入。

優(yōu)選地，所述引發(fā)劑以水溶液的形式加入，所述引發(fā)劑水溶液濃度為5～15wt％，如5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％或15wt％等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用。

優(yōu)選地，所述引發(fā)劑混合液的加入量為原混合液質(zhì)量的2～5％，如2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用。

優(yōu)選地，所述催化劑選自三乙醇胺和/或四甲基乙二胺。

優(yōu)選地，所述催化劑以水溶液的形式加入，所述催化劑水溶液的濃度為20～50wt％，20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％或50wt％等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用。

優(yōu)選地，所述催化劑水溶液的加入量為原混合液質(zhì)量的1.0～3.0％，如1.0％、1.2％、1.5％、1.8％、2％、2.2％、2.5％、2.8％或3.0％等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用。

優(yōu)選地，所述氧化-還原凝膠固化包括如下步驟：在凝膠固化前向所述發(fā)泡體中邊攪拌邊加入氧化劑和還原劑。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(3)所述凝膠固化為氧化-還原凝膠固化。

優(yōu)選地，所述氧化劑選自過硫酸銨、過硫酸鉀和過硫酸鈉中任意一種或至少兩種的組合，所述組合典型但非限制性實例有：過硫酸銨與過硫酸鈉的組合、過硫酸鈉與過硫酸鉀的組合、過硫酸鉀與過硫酸銨的組合或過硫酸銨、過硫酸鉀和過硫酸鈉的組合等，進(jìn)一步優(yōu)選為過硫酸銨，以減少K、Na雜質(zhì)離子的引入。

優(yōu)選地，所述還原劑選自亞硫酸銨、亞硫酸鉀和亞硫酸鈉中任意一種或至少兩種的組合，所述組合典型但非限制性實例有：亞硫酸銨與亞硫酸鈉的組合、亞硫酸鈉與亞硫酸鉀的組合、亞硫酸鉀與亞硫酸銨的組合或亞硫酸銨、亞硫酸鉀和亞硫酸鈉的組合等，進(jìn)一步優(yōu)選為亞硫酸銨，以減少K、Na雜質(zhì)離子的引入。

優(yōu)選地，所述氧化劑和還原劑以混合水溶液的形式加入，所述氧化劑和還原劑的水溶液的濃度為10～20wt％，如10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％和20wt％等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用。

優(yōu)選地，所述氧化劑和還原劑水溶液的加入量為原混合液質(zhì)量的3.0～6.0％，如3.0％、3.2％、3.5％、3.8％、4.0％、4.2％、4.5％、4.8％、5.0％、5.2％、5.5％、5.8％或6.0％等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用。

優(yōu)選地，所述氧化劑和還原劑的質(zhì)量比為(1～2):1，如1:1、1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1、1.5:1、1.6:1、1.7:1、1.8:1、1.9:1或2:1等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(2)所述凝膠固化的時間為2～20min，如2min、5min、8min、10min、12min、15min、18min或20min等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用，進(jìn)一步優(yōu)選為3～15min，時間過短使?jié)沧⒉僮魈o迫，時間過長則容易導(dǎo)致泡沫發(fā)生變化。

優(yōu)選地，步驟(2)所述凝膠固化在模具中進(jìn)行。

優(yōu)選地，所述模具選自金屬模具、塑料模具、尼龍模具、橡膠模具或玻璃模具中任意一種。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述碳化過程包括依次進(jìn)行的低溫?zé)峤忸A(yù)碳化和高溫碳化。

優(yōu)選地，所述低溫?zé)峤忸A(yù)碳化為將步驟(2)得到的泡沫凝膠體置于鼓風(fēng)干燥箱中從100℃到250℃連續(xù)或階梯式升溫?zé)峤忸A(yù)碳化。

優(yōu)選地，所述低溫?zé)峤忸A(yù)碳化的時間為30～100h，如30h、40h、50h、60h、70h、80h、90h或100h等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用。

優(yōu)選地，所述高溫碳化在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行。

優(yōu)選地，所述惰性氣體選自氮氣和/或氬氣。

優(yōu)選地，所述高溫碳化的溫度為800～2800℃，如800℃、1000℃、1500℃、1800℃、2000℃、2200℃、2500℃或2800℃等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用。

優(yōu)選地，所述高溫碳化的時間為1～4h，如1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h或4h等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(3)之前進(jìn)行步驟(2’)，所述步驟(2’)為對步驟(2)得到的泡沫凝膠體進(jìn)行干燥，至所述泡沫凝膠體收縮到體積不變。

優(yōu)選地，所述干燥包括自然干燥、冷凍干燥或加熱干燥中任意一種或至少兩種的組合，所述組合典型但非限制性實例有：自然干燥和冷凍干燥的組合、冷凍干燥和加熱干燥的組合、自然干燥和加熱干燥的組合或自然干燥、冷凍干燥或加熱干燥的組合等，進(jìn)一步優(yōu)選為自然干燥。

優(yōu)選地，所述干燥的時間為24～72h，如24h、30h、36h、42h、48h、54h、60h、66h或72h等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)包含的其他未列舉的數(shù)值也同樣適用。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述制備方法包括以下步驟：

(1)以50～200重量份的糖類物質(zhì)為碳源材料，與10～30重量份的水凝膠劑材料溶于100重量份的水中，得到混合液；

(2)向步驟(1)得到的混合液加入所述混合液質(zhì)量0.5～2.0％的發(fā)泡劑，在惰性氣體保護(hù)下發(fā)泡10～60min至體積膨脹為初始體積的1.5～4.0倍，加入引發(fā)劑和催化劑的組合或氧化劑和還原劑的組合凝膠固化2～20min，得到泡沫凝膠體；

(3)將步驟(2)得到的泡沫凝膠體低溫?zé)峤忸A(yù)碳化30～100h，再于800～2800℃下碳化1～4h，得到碳泡沫材料。

本發(fā)明還提供一種由上述任一種制備方法制備的炭泡沫材料，所述炭泡沫材料具有圓型泡沫狀的孔/壁結(jié)構(gòu)，孔徑均勻細(xì)小，孔壁為含有的均勻致密的納米孔碳組成，因此有很高的強度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明提供了一種碳泡沫材料的制備方法，其中糖類物質(zhì)、凝膠劑材料以及發(fā)泡劑之間協(xié)同作用，在室溫機(jī)械攪拌下能夠相對容易的發(fā)泡，可以方便的獲得細(xì)小均勻和不同密度的與模具形狀一致的泡沫凝膠體；

(2)本發(fā)明提供了一種高強度炭泡沫材料的制備方法，所述制備方法通過控制糖類物質(zhì)混合液濃度、發(fā)泡率和碳化溫度，可獲得不同氣孔率、不同結(jié)構(gòu)的高純度炭泡沫材料，其泡沫孔壁為含有的均勻致密的納米孔碳組成，1700℃高溫碳化后體積密度為0.42g/cm³的蔗糖炭泡沫，抗彎強度達(dá)27.1MPa，抗壓強度達(dá)37.8MPa；

(3)本發(fā)明提供了一種碳泡沫材料的制備方法，其中糖類物質(zhì)水溶液或水料漿經(jīng)發(fā)泡凝膠固化后，通過干燥和低溫?zé)峤忸A(yù)碳化處理可實現(xiàn)部分碳、水分離，在高溫碳化時不再發(fā)生不可控發(fā)泡現(xiàn)象，并使最終碳收得率可達(dá)到所用糖類物質(zhì)理論含碳量的90％以上；

(4)本發(fā)明提供了一種碳泡沫材料的制備方法，工藝過程均非常簡便，基本不存在環(huán)境和設(shè)備污染問題，適合于工業(yè)化生產(chǎn)炭泡沫材料。

附圖說明

圖1為1700℃碳化后蔗糖炭泡沫的孔結(jié)構(gòu)SEM形貌圖；

圖2為1700℃碳化后蔗糖炭泡沫的孔壁SEM形貌圖；

圖3為1700℃碳化后蔗糖炭泡沫的孔壁微結(jié)構(gòu)SEM形貌圖；

圖4為1700℃碳化后蔗糖炭泡沫的XRD譜圖；

圖5為800℃碳化后蔗糖炭泡沫的SEM形貌圖；

圖6為800℃碳化處理后蔗糖碳泡沫的拉曼譜圖；

圖7為1200℃碳化后蔗糖炭泡沫的SEM形貌圖；

圖8為2500℃石墨化處理后蔗糖炭泡沫的SEM形貌圖；

圖9為2500℃石墨化處理后蔗糖炭泡沫壁的XRD譜圖；

圖10為2500℃石墨化處理后蔗糖炭泡沫壁微觀結(jié)構(gòu)的TEM形貌圖；

圖11為2800℃石墨化處理后葡萄糖炭泡沫的SEM形貌圖；

圖12為2800℃石墨化處理后蔗糖炭泡沫的SEM形貌圖；

圖13為2800℃石墨化處理后馬鈴薯淀粉炭泡沫的SEM形貌圖；

圖14為2800℃石墨化處理后蔗糖和葡萄糖炭泡沫的XRD譜圖；

圖15為250℃預(yù)碳化后馬鈴薯淀粉泡沫凝膠體的SEM形貌圖；

圖16為1200℃碳化后馬鈴薯淀粉炭泡沫的SEM形貌圖；

圖17為1200℃碳化后馬鈴薯淀粉炭泡沫的XRD譜圖。

下面對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。但下述的實例僅僅是本發(fā)明的簡易例子，并不代表或限制本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。

具體實施方式

本發(fā)明具體實施例部分提供一種炭泡沫材料的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)以糖類物質(zhì)為碳源材料，與水凝膠劑材料溶于水中，得到混合液；

(2)向步驟(1)得到的混合液中加入發(fā)泡劑，在惰性氣體保護(hù)下發(fā)泡得到發(fā)泡體，然后將發(fā)泡體凝膠固化，得到泡沫凝膠體；

(3)將步驟(2)得到的泡沫凝膠體進(jìn)行碳化處理，得到炭泡沫材料。

為便于理解本發(fā)明，本發(fā)明列舉實施例如下。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述實施例僅僅是幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對本發(fā)明的具體限制。

實施例1

一種炭泡沫材料的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)將100g蔗糖、15g丙烯酰胺、1.0g N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺溶于80g水中，得到混合液；

(2)向步驟(1)得到的混合液加入所述混合液質(zhì)量1.2g水泥發(fā)泡劑FP-12，在氬氣保護(hù)下發(fā)泡15min至體積膨脹至400mL，向泡沫體中加入濃度為10％的過硫酸銨水溶液4g、濃度為50％的三乙醇胺水溶液1.5g，澆注于玻璃板組成的長方形模具中，凝膠固化5min，得到泡沫凝膠體；

(3)將步驟(2)得到的泡沫凝膠體置于高溫鼓風(fēng)干燥箱中，在100℃保溫24h，然后升溫至150℃、200℃、250℃分別保溫12h預(yù)碳化，泡沫凝膠體轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?；將該黑色泡沫凝膠體置于氮氣保護(hù)的高溫爐中，以300℃/h速率升溫至1700℃保溫2h后隨爐冷卻，得到炭泡沫材料。

蔗糖理論含碳量為42.1％、實測丙烯酰胺1200℃的殘?zhí)悸蕿?8.5％，保守計算出本實施例中蔗糖的碳收得率約為其理論含碳量的95％左右。在砂紙上磨平該試塊四邊和兩面，獲得一塊尺寸為130mm×70mm×8.0mm、重量為30.6g的長方形炭泡沫材料，計算可知其體積密度為0.42g/cm³。其泡沫微觀結(jié)構(gòu)見圖1，泡沫壁微觀結(jié)構(gòu)見圖2和圖3，泡沫壁的XRD譜見圖4，可知該炭泡沫具有圓型泡沫狀的孔/壁結(jié)構(gòu)，孔徑平均小于50μm，孔壁為含有10nm以下納米微孔的較致密結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)為無定形碳和石墨的復(fù)合物。從該樣品上切割加工出5mm×5mm×36mm抗彎強度試條5根，5mm×5mm×10mm抗壓強度試條6根，采用三點彎曲法測出其抗彎強度平均為27.1MPa，抗壓強度平均為37.8MPa。

實施例2

一種炭泡沫材料的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)將100g蔗糖、15g丙烯酰胺、1.0g N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺溶于100g水中，得到混合液；

(2)向步驟(1)得到的混合液加入所述混合液質(zhì)量1.5g水泥發(fā)泡劑FP-12，在氬氣保護(hù)下發(fā)泡30min至體積膨脹至450mL，向泡沫體中加入過硫酸銨和亞硫酸銨各為10％濃度的混合水溶液5g，澆注于玻璃板組成的長方形模具中，凝膠固化8min，得到泡沫凝膠體；

(3)將步驟(2)得到的泡沫凝膠體置于高溫鼓風(fēng)干燥箱中，在100℃、120℃、150℃、180℃、220℃、250℃分別保溫8h預(yù)碳化，泡沫凝膠體轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏粚⒃摵谏菽w置于氮氣保護(hù)的高溫爐中，以300℃/h速率升溫至800℃保溫2h后隨爐冷卻，得到1-1#炭泡沫材料。

在砂紙上磨平四邊和兩面獲得一塊尺寸為120mm×60mm×10mm、重量為30.2g的長方形碳泡沫材料，計算可知其體積密度為0.42g/cm³。切割一部分觀察其泡沫微觀結(jié)構(gòu)見圖5，該炭泡沫具有圓型泡沫狀的孔/壁結(jié)構(gòu)，平均孔徑約為30μm左右，泡沫壁的拉曼譜見圖6，晶體結(jié)構(gòu)為無定形碳和石墨的復(fù)合物?？芍崽菫橐资镔|(zhì)，僅在800℃碳化處理后結(jié)構(gòu)中就出現(xiàn)了相當(dāng)數(shù)量的石墨晶體。

將剩余1-1#碳泡沫材料再次置于氮氣保護(hù)的高溫爐中，以300℃/h速率升溫至1200℃保溫2h后隨爐冷卻，得到1-2#炭泡沫材料，其體積密度為0.40g/cm³，泡沫微觀結(jié)構(gòu)無顯著變化，見圖7。

將1-2#炭泡沫材料切割加工出5mm×5mm×36mm和5mm×5mm×10mm試條各5根，測出其抗彎強度平均為23.3MPa，抗壓強度平均為36.4MPa，處于很高強度水平。

將1-2#剩余炭泡沫材料再次置于氮氣保護(hù)的高溫爐中，以300℃/h速率升溫至2500℃保溫2h后隨爐冷卻，得到1-3#炭泡沫材料，其體積密度仍為0.40g/cm³，泡沫微觀結(jié)構(gòu)見圖8，XRD譜見圖9，可以看出1-3#炭泡沫材料仍為圓型泡沫狀的孔/壁結(jié)構(gòu)，但石墨衍射峰強度已明顯加強。通過高分辨透射電鏡觀察孔壁微觀結(jié)構(gòu)，可看出已形成許多片層狀石墨，其微晶尺寸約10nm左右，見圖10。切割加工出5mm×5mm×10mm試條6根，測出其抗壓強度平均為17.1MPa，說明隨著泡沫孔壁石墨化程度提高，其強度水平會有所下降。

實施例3

一種炭泡沫材料的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)將100g葡萄糖、20g丙烯酰胺、1.0g N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺溶于80g水中，得到混合液；

(2)向步驟(1)得到的混合液加入所述混合液質(zhì)量1.0g水泥發(fā)泡劑FP-12，在氬氣保護(hù)下發(fā)泡30min至體積膨脹至380mL，向泡沫體中加入濃度為5％的過硫酸銨水溶液8g、濃度為30％的四甲基乙二胺水溶液3.5g，澆注于尼龍組成的圓柱形模具中，凝膠固化3min，得到泡沫凝膠體；

(3)將步驟(2)得到的泡沫凝膠體置于高溫鼓風(fēng)干燥箱中，在100℃保溫24h，再于120℃、150℃、180℃、220℃、250℃分別保溫10h預(yù)碳化，泡沫凝膠體轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?；將該黑色泡沫體置于氬氣保護(hù)的高溫爐中，以200℃/h速率升溫至2800℃保溫2h后隨爐冷卻，得到炭泡沫材料。

葡萄糖理論含碳量為36.4％、實測丙烯酰胺1200℃時的殘?zhí)悸蕿?8.5％，保守計算可得本實施例中葡萄糖的碳收得率約為其理論含碳量的92％。在砂紙上磨平兩端面得到一塊尺寸Φ84mm×8.5mm、重量31.5g的圓餅形碳泡沫材料，計算可知其體積密度為0.67g/cm³，其SEM微觀結(jié)構(gòu)見圖11，XRD譜見圖14?？煽闯?800℃處理后仍具有圓型泡沫狀的孔/壁結(jié)構(gòu)，材質(zhì)已完全石墨化。切割加工出5mm×5mm×36mm和5mm×5mm×10mm試條各5根，測出其抗彎強度平均為11.4MPa，抗壓強度平均為24.6MPa。顯然，石墨化處理后炭泡沫強度有所降低，但仍處于高強度水平。

實施例4

一種炭泡沫材料的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)將100g蔗糖、20g丙烯酰胺、1.0g N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺溶于100g水中，得到混合液；

(2)向步驟(1)得到的混合液加入所述混合液質(zhì)量2.0g水泥發(fā)泡劑FP-12，在氬氣保護(hù)下發(fā)泡40min至體積膨脹至450mL，向泡沫體中加入濃度為15％的過硫酸銨水溶液3.0g、濃度為40％的四甲基乙二胺水溶液2.0g，澆注于尼龍組成的圓柱形模具中，凝膠固化6min，得到泡沫凝膠體；

(3)將步驟(2)得到的泡沫凝膠體脫模取出，于室溫自然條件下干燥24h，再置于高溫鼓風(fēng)干燥箱中，在100℃保溫24h，再于120℃、150℃、180℃、220℃、250℃分別保溫10h預(yù)碳化，泡沫凝膠體轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏粚⒃摵谏菽w置于氬氣保護(hù)的高溫爐中，以200℃/h速率升溫至2800℃保溫2h后隨爐冷卻，得到炭泡沫材料。

在砂紙上磨平兩端面得到一塊尺寸Φ102mm×9.7mm、重量30.9g的圓餅形碳泡沫材料，計算可知其體積密度為0.39g/cm³，其SEM微觀結(jié)構(gòu)見圖12，XRD譜見圖14?？煽闯?800℃處理后仍具有圓型泡沫狀的孔/壁結(jié)構(gòu)，材質(zhì)與葡萄糖碳泡沫相同，已完全石墨化。切割加工出6根5mm×5mm×36mm試條和5根5mm×5mm×10mm試條，測出其抗彎強度平均為8.5MPa，抗壓強度平均為16.0MPa。顯然，石墨化處理后蔗糖碳泡沫強度有所降低，但其密度僅為0.39g/cm³，仍處于高強度水平。

實施例5

一種炭泡沫材料的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)將100g馬鈴薯淀粉、25g丙烯酰胺、1.2g N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺溶于120g水中，得到混合液；

(2)向步驟(1)得到的混合液加入所述混合液質(zhì)量1.2g水泥發(fā)泡劑FP-12，在氬氣保護(hù)下發(fā)泡40min至體積膨脹至450mL，向泡沫體中加入含有10％過硫酸銨、8％亞硫酸銨的混合水溶液6.0g，澆注于尼龍組成的圓柱形模具中，凝膠固化12min，得到泡沫凝膠體；

(3)將步驟(2)得到的泡沫凝膠體脫模取出，于室溫自然條件下干燥24h，再置于高溫鼓風(fēng)干燥箱中，在100℃保溫24h，從100℃至250℃共計50h勻速升溫，并最后于250℃保溫8h預(yù)碳化，泡沫凝膠體轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏粚⒃摵谏菽w置于氬氣保護(hù)的高溫爐中，以300℃/h速率升溫至1200℃保溫3h后隨爐冷卻，得到碳泡沫材料。

在砂紙上磨平兩端面得到一塊尺寸Φ96mm×9.0mm、重量31.3g的圓餅形碳泡沫材料，計算可知其體積密度為0.48g/cm³，其SEM微觀結(jié)構(gòu)見圖13，可看出2800℃處理后泡沫形狀仍具有圓型泡沫狀的孔/壁結(jié)構(gòu)，但孔壁結(jié)構(gòu)不如葡萄糖和蔗糖炭泡沫孔壁致密。切割加工出4根5mm×5mm×36mm試條和5根5mm×5mm×10mm試條，測出其抗彎強度平均為7.4MPa，抗壓強度平均為10.9MPa。相比而言，石墨化處理后淀粉炭泡沫強度不如葡萄糖和蔗糖炭泡沫，但仍處于較高強度水平。

實施例6

一種炭泡沫材料的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)將100g馬鈴薯淀粉、20g丙烯酰胺、1.0g N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺溶于150g水中，得到混合液；

(2)向步驟(1)得到的混合液加入所述混合液質(zhì)量1.5g水泥發(fā)泡劑FP-12，在氬氣保護(hù)下發(fā)泡40min至體積膨脹至450mL，向泡沫體中先后加入濃度為15％的過硫酸銨水溶液3.0g、濃度為20％的四甲基乙二胺水溶液3.0g，澆注于尼龍組成的圓柱形模具中，凝膠固化15min，得到泡沫凝膠體；

(3)將步驟(2)得到的泡沫凝膠體脫模取出，于室溫自然條件下干燥24h，再置于高溫鼓風(fēng)干燥箱中，在100℃保溫24h，再于120℃、150℃、180℃、220℃、250℃分別保溫10h預(yù)碳化，泡沫凝膠體轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?；將該黑色泡沫體置于氬氣保護(hù)的高溫爐中，以200℃/h速率升溫至2800℃保溫2h后隨爐冷卻，得到炭泡沫材料。

馬鈴薯淀粉理論含碳量為40％、實測丙烯酰胺1200℃的殘?zhí)悸蕿?8.5％，計算出本實施例中馬鈴薯淀粉的碳收得率約為其理論含碳量的93％左右。在砂紙上磨平兩端面得到一塊尺寸Φ96mm×9.0mm、重量31.3g的圓餅形炭泡沫材料，計算可知其體積密度為0.52g/cm³，其SEM微觀結(jié)構(gòu)見圖16，可看出1200℃處理后泡沫孔壁結(jié)構(gòu)仍為顆粒狀碳，但不如葡萄糖和蔗糖炭泡沫孔壁致密光滑。其XRD譜見圖17，晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)與蔗糖碳或葡萄糖碳相同的無定形碳和石墨的復(fù)合物。切割加工出5mm×5mm×36mm試條和5mm×5mm×10mm試條各5根，測出其抗彎強度平均為18.8MPa，抗壓強度平均為25.8MPa，仍處于較高強度水平。

申請人聲明，本發(fā)明通過上述實施例來說明本發(fā)明的詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，但本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程才能實施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對本發(fā)明的任何改進(jìn)，對本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。