專利名稱：碳泡沫的微波輔助處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳泡沫材料的處理，即碳泡沫材料的碳化和/或石墨化，并且尤其涉及利用微波和感應(yīng)加熱設(shè)備以加速這種加熱處理。
背景技術(shù)：
碳泡沫的處理在傳統(tǒng)上是指本領(lǐng)域中公知的碳化和石墨化，并且包括在大約1000℃以上的高溫下對這些泡沫的處理，從而去除泡沫中殘留的所有揮發(fā)性物質(zhì)。這些處理通過使這些材料更加熱絕緣和/或電絕緣、更加抗磨損等，能夠并且通常會影響這些材料的性質(zhì)。
當(dāng)這些處理十分理想地控制碳泡沫的前述和類似性質(zhì)時，它們往往需要包括大約數(shù)小時到數(shù)天的長期加熱周期，這取決于在傳統(tǒng)的基于輻射或?qū)α鞯募訜嵩O(shè)備中進(jìn)行處理的特定碳泡沫以及其進(jìn)行處理的樣本的物理形狀和厚度。該長期處理時間在所需能量和設(shè)備利用率方面可以并且顯著地影響該碳泡沫生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)情況。
雖然由于需要關(guān)注在加熱周期(同樣在冷卻周期)中碳泡沫未受到過量應(yīng)力而需要一部分加熱時間，但是由于碳泡沫的固有熱絕緣性質(zhì)以及對流和輻射加熱設(shè)備僅僅將受處理的碳泡沫的外表面暴露給熱能，該熱能繼而必須經(jīng)由該熱絕緣碳泡沫傳導(dǎo)到經(jīng)受處理的形狀的內(nèi)部，這就需要大量時間。因此，碳泡沫的固有熱絕緣性質(zhì)抑制了更快地加熱碳泡沫以實現(xiàn)碳化和/或石墨化。
因此，非常需要提供一種用于加熱碳泡沫的方法，其可以加速加熱周期并且因此減少獲得碳泡沫的碳化和/或石墨化所需的全部處理時間。
發(fā)明目的因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于在諸如碳化和石墨化過程中加快碳泡沫加熱速率的方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種處理方法，其在這種被加速的加熱期間不會對碳泡沫的物理或結(jié)構(gòu)性質(zhì)產(chǎn)生不利影響。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)碳泡沫處于惰性氣氛中時，通過利用微波和感應(yīng)加熱設(shè)備可實現(xiàn)對碳泡沫材料的加速加熱。根據(jù)本發(fā)明的不同優(yōu)選實施方案，通過單獨利用微波/感應(yīng)加熱設(shè)備或者將其與更傳統(tǒng)的基于輻射或?qū)α鞯募訜嵩O(shè)備協(xié)同使用，可獲得了這種微波/感應(yīng)加熱加速作用。本發(fā)明的方法和裝置可以較快速地加熱碳泡沫材料，特別是在諸如其碳化和/或石墨化過程中。
詳細(xì)描述2001年7月10日提交的、名為“蜂窩狀煤炭產(chǎn)品和加工方法”(“Cellular CoalProduct and Processes”)的美國專利申請No.09/902,828描述了基于煤炭的碳泡沫的生產(chǎn)，該碳泡沫的密度優(yōu)選在約0.1g/cm3到0.8g/cm3之間，通過在非氧化氣氛中在“模”中受控加熱優(yōu)選高揮發(fā)性煙煤微粒來生產(chǎn)該碳泡沫，其中煙煤微粒的直徑優(yōu)選達(dá)到1/4英寸。根據(jù)特別優(yōu)選實施例，起始材料煤炭的自由膨脹率為前述ASTM D720測試所確定的在約3.5到約5.0之間，優(yōu)選在約3.75到4.5之間。由此生成的多孔產(chǎn)品/碳泡沫，優(yōu)選為網(wǎng)狀或接近網(wǎng)狀，該多孔產(chǎn)品/碳泡沫可以經(jīng)過機(jī)械加工、膠著和其它處理以生成多種低成本、低密度產(chǎn)品，或者將多孔產(chǎn)品/碳泡沫用于如過濾器、熱絕緣體或電絕緣體等的其預(yù)制形狀中。這種沒有經(jīng)過進(jìn)一步處理和/或添加加固添加劑的碳泡沫所表現(xiàn)出的壓縮應(yīng)力達(dá)到大約4000psi(磅/平方英寸)。經(jīng)過碳化或石墨化進(jìn)一步處理生產(chǎn)出的碳泡沫，可以用作導(dǎo)電體或?qū)狍w。
該美國專利申請中描述的生產(chǎn)方法包括1)在“模”中、在非氧化氣氛下加熱煤炭微粒，以約1-20℃的速率加熱到約300-700℃之間的某個溫度，其中煤炭微粒優(yōu)選為小的，即小于約1/4英寸粒徑；2)在大約300-700℃的溫度下浸泡大約10分鐘到12小時，從而形成預(yù)制體或成品；3)可控制地將預(yù)制體或成品冷卻到低于約100℃的溫度，從而生成“未焙燒泡沫”(“green foam”)。通過將惰性或非氧化氣體以約0psi(即沒有流動氣體)到約500psi的壓強(qiáng)引入“?！敝?，可以提供非氧化氣氛。所使用的惰性氣體可以是任何常用的惰性或非氧化氣體，例如氮氣、氦氣、氬氣、CO2等等。
生成了剛才所述的“未焙燒泡沫”之后；可以根據(jù)傳統(tǒng)的處理方法對該“未焙燒泡沫”進(jìn)行碳化和/或石墨化，從而獲得特定用途所需的特定性質(zhì)。
碳化有時也稱作焙燒，傳統(tǒng)上是通過這樣實施的在適當(dāng)?shù)亩栊詺怏w中加熱“未焙燒泡沫”，以小于約每分鐘5℃的加熱速率將其加熱到約800℃到約1200℃之間的某個溫度，并且浸泡約1小時到約3小時或更多時間。上述的適當(dāng)?shù)亩栊詺怏w就是指能耐受這些高溫的氣體。惰性氣氛以約0psi到幾個大氣壓的壓強(qiáng)提供。碳化/焙燒處理用于充分地去除“未焙燒泡沫”中存在的全部非碳揮發(fā)性元素，例如硫、氧、氫等等。
石墨化通常包括在碳化之前或之后在氦氣或者氬氣的氣氛中加熱“未焙燒泡沫”，以小于約每分鐘10℃的加熱速率將其加熱到約1700℃到約3000℃之間的某個溫度，并且浸泡小于約1小時，其中加熱速率優(yōu)選為約每分鐘1℃到5℃。同樣，惰性氣體以約0psi到幾個大氣壓的壓強(qiáng)提供。
很明顯，在約1000℃到約3000℃的溫度下以1-5℃/分鐘的加熱速率進(jìn)行碳化和石墨化會占用極長的處理時間，有時要以天來計算。這樣的處理時間是內(nèi)在需要的，其部分原因是由于需要避免過快加熱造成的“未焙燒泡沫”的分裂，但主要原因是由于“未焙燒碳泡沫”固有的熱絕緣性質(zhì)，該性質(zhì)阻礙了在碳泡沫團(tuán)中從結(jié)構(gòu)外部向其內(nèi)部的熱量傳遞。當(dāng)然，根據(jù)進(jìn)行處理的特定碳泡沫結(jié)構(gòu)的形狀、厚度等等，加熱速率和總加熱時間將有所不同，但是，作為常規(guī)，在傳統(tǒng)輻射能或?qū)α骺緺t或烤箱中的加熱時間過長，并且消耗了大量的能量和寶貴的設(shè)備使用時間。此外，在這些設(shè)備中進(jìn)行碳泡沫的高溫處理通常會導(dǎo)致接近結(jié)構(gòu)表面的部分的不同處理，這是因為該部分比結(jié)構(gòu)的“核心”或中心處的部分經(jīng)歷了更長時間的高溫，該結(jié)構(gòu)的“核心”或中心處的部分可能多個小時都沒有達(dá)到碳化或石墨化所需要的溫度，并且保持在該溫度的時間僅為獲得所需結(jié)果的最小時間。這種加熱差別可以導(dǎo)致從碳泡沫結(jié)構(gòu)外部向內(nèi)部的“定向焦化”。
微波加熱單元的優(yōu)點在于比傳統(tǒng)的輻射能或?qū)α骺鞠浜涂緺t更加節(jié)能并且加熱更加均勻。微波烤箱或烤爐產(chǎn)生電磁波，該電磁波使微波烤箱或烤爐中容納的物體的分子移動并旋轉(zhuǎn)從而造成分子間的摩擦。這種分子之間的摩擦導(dǎo)致內(nèi)部生成熱量。然而如下面所示，這種“內(nèi)部”“摩擦”加熱更加迅速，同樣更加均勻，這是因為整個團(tuán)都被加熱使得溫度趨向以較均勻的速率升高。因此，被加熱結(jié)構(gòu)的團(tuán)的外部和內(nèi)部部分之間存在相對較少的不一致。而這種相對更加均勻的加熱在使被加熱物體的結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生更加均勻的性質(zhì)的同時，還更少地產(chǎn)生熱分裂的傾向，這種熱分裂是由于在加熱過程中碳結(jié)構(gòu)不同部分獲得顯著不同的溫度而造成的。微波室內(nèi)的空氣或惰性氣體氣氛不會加熱，這是因為氣體分子過于稀疏以至于不能產(chǎn)生很多摩擦或者吸收很多電磁能量，因此如果使用任意的輻射或?qū)α骷訜釀t氣體生熱很少。
由于微波而施加到樣本的熱量的數(shù)量可以通過改變功率設(shè)置的百分比而改變。在用于下述研究的設(shè)備的情況下，功率設(shè)置實際上僅僅是相對于校正實際功率設(shè)定微波的加熱時間。例如，如果功率設(shè)定為40％，那么微波加熱40％的時間，而不是用40％的功率。具有可調(diào)整功率設(shè)定的微波烤爐/烤箱在市場上可以買到，該功率設(shè)定改變了施加到所容納的樣本上的功率，這些微波烤爐/烤箱同樣有效并且可能作為對于這類系統(tǒng)的首選，以降低的功率級別連續(xù)而均勻地加熱。
根據(jù)本發(fā)明的方法，“未焙燒泡沫”，即通過對上文所述的基于煤炭的微粒進(jìn)行受控起泡而產(chǎn)生的材料，在美國專利申請No.09/902,828中(在此一并作為參考)更為詳細(xì)地進(jìn)行了描述，利用微波能量可對該材料進(jìn)行碳化和/或石墨化，從而獲得更快和均勻地加熱，以此減少了碳泡沫熱分裂的可能性，并顯著地縮短了碳化和/或石墨化處理周期。
本發(fā)明的基于微波的加熱方法可以單獨使用或者結(jié)合更傳統(tǒng)的基于輻射能或?qū)α鞯募訜嵩O(shè)備使用，這對于技術(shù)人員來講是顯而易見的。此外，當(dāng)結(jié)合由煤炭微粒制成的碳泡沫的碳化/石墨化而對此處所述的微波加熱方法主要進(jìn)行描述時，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到這些方法同樣可以用于由其他起始材料制成的碳泡沫的碳化/石墨化，這些起始材料例如石油或合成瀝青(synthetic pitch)，以及對煤炭微粒和石油或合成瀝青的混和物進(jìn)行受控起泡而產(chǎn)生的碳泡沫。
因此，本發(fā)明的方法包括利用微波能量在惰性氣氛中對未經(jīng)過碳化或石墨化的“未焙燒泡沫”結(jié)構(gòu)，即碳泡沫團(tuán)，進(jìn)行碳化和/或石墨化，以獲得較快和均勻的加熱。
根據(jù)本發(fā)明所使用的微波設(shè)備的功率容量不是特別關(guān)鍵，但是其應(yīng)當(dāng)具有足夠的功率容量以在縮短的時間周期內(nèi)實現(xiàn)對碳泡沫結(jié)構(gòu)的加熱。
當(dāng)施加的微波功率、通電的持續(xù)時間和變更根據(jù)碳泡沫材料的不同以及根據(jù)團(tuán)塊的不同(即碳泡沫的厚度、密度等)而變化時，通過反復(fù)試驗或者實驗可以很容易地確定功率參數(shù)，并且從而功率參數(shù)可以根據(jù)前述的碳泡沫性質(zhì)而大范圍的變化。如以下實施例所示，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行加熱時增加功率級別是有利的。同樣可以通過實驗很容易地確定功率增加的量。
實施例在以下所述的所有情況中，在6英寸厚的“未焙燒泡沫”樣本上鉆出三個洞，然后將該樣本置于1500瓦特微波烤爐中的惰性氣氛下，隨時間增長的功率如以下表1、2和3中所示。表中表示了在特定功率級別時的停留時間。當(dāng)關(guān)閉微波時并且在所示時間處，通過將熱電偶插入預(yù)先鉆好的孔中，進(jìn)行溫度測量。在實施例1中(表1所示)，將“未焙燒泡沫”樣本直接放置在微波烤爐的轉(zhuǎn)盤上。在實例2中(表2所示)，將該樣本放置在位于烤爐轉(zhuǎn)盤之上的耐火磚上。在實例3中(表3所示)，將該樣本放置在烤爐磚上并且將該樣本包裹在絕緣材料中。
實施例1表1
實施例2表2
實施例3表3
這樣示出了微波對于加熱碳泡沫非常有效——能夠在幾十分鐘內(nèi)使樣本達(dá)到1000℃。在用于這些測試的試驗裝置中需要使用絕緣覆蓋層，這是因為需要接近樣本以獲得溫度測量。位于樣本中的熱電偶位置可以從微波設(shè)備的外部接近該樣本，這就消除了對于絕緣覆蓋層的需求。當(dāng)不在惰性氣氛中時，樣本(未示出)將被氧化并且在某些情況下會燃燒，因此這種惰性氣氛是必要的。
這個實驗表示具有可編程功率/溫度控制器的受控氣氛微波加熱單元能夠充分地減少生產(chǎn)焙燒/石墨化碳泡沫所需的時間、能源和成本。
同樣也示出了利用微波加熱而順利加熱到2600℃時完全石墨化泡沫的樣本。這表明微波可以用于從1000℃焙燒溫度時的部分焙燒到至少2600℃的完全石墨化的碳泡沫加熱處理的范圍。
盡管前述的實施例證明了微波加熱在減少使微波設(shè)備中形成并繼而分別進(jìn)行處理的未焙燒碳泡沫碳化和/或石墨化所需的處理時間方面的有效性，但同樣可以通過將該微波設(shè)備結(jié)合到前述美國專利申請No.09/902,828所述的高壓鍋或者“?！敝?，來完成這種操作，因此通過將微波加熱用于完成起泡所使用的相同設(shè)備中，就可以完成石墨化和/或碳化。
此外，在某種情況下，也可以利用微波加熱和對流或輻射加熱的結(jié)合，從而確保完全而均勻地處理未焙燒碳泡沫。
盡管本文中所描述的本發(fā)明在上下文中很大程度上利用了微波加熱，但是應(yīng)當(dāng)注意感應(yīng)加熱同樣可以提供相似的結(jié)果，這是因為出于加熱相同結(jié)構(gòu)的目的，感應(yīng)加熱包括將磁能引入未焙燒碳泡沫結(jié)構(gòu)中，其也是十分有效的。如同利用微波設(shè)備一樣，利用感應(yīng)加熱設(shè)備，其應(yīng)用的功率級別和持續(xù)時間將根據(jù)特定碳泡沫的密度、厚度、組成等等隨著其受到的處理不同而變化，但是適當(dāng)?shù)奶幚韰?shù)很容易由實驗確定。
如本發(fā)明所述，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是可以有多種變化，而均不背離本發(fā)明的精神和范圍。任何以及所有修改均被認(rèn)為包含在所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于使未焙燒碳泡沫碳化和/或石墨化的方法，包括在微波或感應(yīng)加熱設(shè)備中、在惰性氣氛下加熱未焙燒碳泡沫，加熱時間為足夠?qū)崿F(xiàn)碳化和/或石墨化的處理周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中利用了微波加熱設(shè)備。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中通過使小粒徑高揮發(fā)性煙煤微粒受控起泡，來產(chǎn)生所述的未焙燒碳泡沫。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中通過使小粒徑高揮發(fā)性煙煤微粒和石油瀝青的混和物受控起泡，來產(chǎn)生所述的未焙燒碳泡沫。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中通過使選自合成瀝青、石油瀝青、高揮發(fā)性煙煤微粒和這些物質(zhì)的組合和混和物的物質(zhì)起泡，來產(chǎn)生所述的未焙燒碳泡沫。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述微波設(shè)備的功率的功率級別或者施加時間在處理周期中變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述的功率或功率施加時間的變化包括在處理周期中功率的增加。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述惰性氣體選自氦氣、氬氣、氮氣和CO2。
全文摘要
通過利用微波和/或感應(yīng)加熱設(shè)備，實現(xiàn)對碳泡沫材料的加速加熱。根據(jù)本發(fā)明的不同優(yōu)選實施例，通過單獨使用微波/感應(yīng)加熱設(shè)備或者結(jié)合更傳統(tǒng)的基于輻射或?qū)α鞯募訜嵩O(shè)備使用，獲得了該微波/感應(yīng)加熱加速。本發(fā)明的方法可以較快并均勻地加熱碳泡沫材料，特別是在例如該材料的碳化和/或石墨化處理過程中。
文檔編號C04B38/00GK1628489SQ03803367
公開日2005年6月15日 申請日期2003年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月6日
發(fā)明者B·E·約瑟夫 申請人:塔奇斯通研究實驗室有限公司