專利名稱：一種瀝青碳泡沫材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳泡沫材料的制備方法，具體涉及一種瀝青碳泡沫材料的制備方法。
背景技術(shù)：
瀝青碳泡沫材料是一種耐高溫、比重輕，比表面積大的新材料，它具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能，將其作為散熱材料應(yīng)用在汽車、航空航天、航海、核電等散熱部件中，可對裝置的小型化、輕型化帶來飛躍的變革。
J.W.Klett，USP 6033506，Process For Making Carbon Foam公開了一種技術(shù)，其主要特征是將瀝青材料在高壓中膨化而成，其缺陷是耗能高，工作環(huán)境安全性差。
J.W Klett USP 6398994 B，2002.6.4披露了利用一種技術(shù)，其特征是采用了石油瀝青和發(fā)泡劑共混后在較低的壓力中發(fā)泡膨化而成，但其缺陷是兩種相材料混合均勻性差，由此形成的孔洞界面分布及均勻性差，從而使碳泡沫材料的功能的均勻性也較差。
郁銘芳等(中國專利發(fā)明申請?zhí)?00410066289.3，申請日2004.9.10)提出采用雙螺桿均勻共混瀝青和發(fā)泡劑并制備碳泡沫材料的方法。其方法簡單，又具有可靠的工作環(huán)境安全性。
但上述技術(shù)制備的碳泡沫導(dǎo)熱性仍比金屬材料如銅，鋁合金低很多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是公開一種瀝青碳泡沫材料的制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷。
本發(fā)明的方法包括如下步驟將經(jīng)純化處理的碳納米管，粗粉碎料母體瀝青和發(fā)泡劑混合后通過雙螺桿擠出機(jī)熔融并均勻混合為一體，注入一密閉壓力容器，充入惰性氣體，如氮?dú)?，?00～600℃的溫度和10～80Kg/cm2的壓力下保持1～60分鐘，然后以2～30℃/分鐘的降溫速度和0.2～1Mpa/分鐘降壓速度降至室溫和常壓發(fā)泡，從而得到孔洞尺寸及其分布相當(dāng)均勻的瀝青泡沫材料，然后采用常規(guī)的方法碳化和高溫石墨化，獲得導(dǎo)熱性顯著提高的瀝青碳泡沫材料。
以粗粉碎料母體瀝青的重量計(jì)碳納米管重量百分比為0.5～5％；以粗粉碎料母體瀝青的重量計(jì)發(fā)泡劑的重量百分比為0.5～10％；所獲得的瀝青碳泡沫材料可根據(jù)需要制備成為板材或圓柱體或鑄件。
優(yōu)選的粗粉碎料母體瀝青的幾何尺寸為3～7×3～7×3～7mm；所說的瀝青包括石油瀝青、合成瀝青或煤瀝青中的一種或其混合物；所說的碳納米管包括單壁或多壁碳納米管；所說的發(fā)泡劑選自對氧雙苯磺酰肼、對甲苯磺酰氨基脲或AC(偶氮二甲酰胺)中的一種或其混合物；為了有利于螺桿的熔融壓力穩(wěn)定，可將瀝青，碳納米管及發(fā)泡劑進(jìn)行干燥處理。因?yàn)樗诼輻U腔體中會使瀝青熔體形成漫流而影響熔體物料的穩(wěn)定輸送。
所說的雙螺桿擠壓機(jī)為一種通用的設(shè)備，如上海第四化工機(jī)械廠生產(chǎn)的型號為同向旋轉(zhuǎn)嚙合雙螺桿擠壓機(jī)(SJS-35×38×2)的擠出機(jī)，優(yōu)選的雙螺桿擠出機(jī)工藝條件為進(jìn)料預(yù)熱區(qū)的溫度為100～150℃，熔融混合區(qū)的溫度為150～200℃，混合擠壓區(qū)的溫度為200～210℃；優(yōu)選的碳化溫度為800～1500℃，優(yōu)選的石墨化溫度為1500～2800℃。
碳納米管的純化處理方法如下碳納米管分散在高錳酸鉀和濃度為95％～98％硫酸溶液中，并在室溫下用超聲波處理2h；混合物在120℃回流4h，碳納米管再經(jīng)過過濾和洗滌，直至濾液呈中性；在100℃真空條件下烘干。
本發(fā)明利用碳納米管極大的導(dǎo)熱系數(shù)(2000～3000w/mk)及發(fā)泡時碳納米管沿泡壁韌帶結(jié)構(gòu)(ligament)排列，從而創(chuàng)造優(yōu)異的導(dǎo)熱條件，以及利用雙螺桿的有效捏合作用將碳納米管、發(fā)泡劑粉狀物和瀝青熔融體〔石油瀝青、煤瀝青或合成瀝青〕充分混合，在雙螺桿螺紋斜塊徑向和軸向的均勻攪拌中，碳納米管、發(fā)泡劑粉狀小顆粒十分均勻地分佈于瀝青熔融體的三維結(jié)構(gòu)中。在一定的溫度和壓力下，這些發(fā)泡劑會分解而產(chǎn)生氣體，釋壓后，這些分布于瀝青中的氣體膨脹釋放，由于減壓作用，使瀝青體形成孔洞均勻的發(fā)泡體，而碳納米管則沿孔壁有序排列，并且在降壓的同時伴隨著降溫，由于溫度的下降，從而使碳納米管固定在形成的發(fā)泡體孔壁上。采用本發(fā)明的方法制備瀝青碳泡沫材料，所獲得的產(chǎn)品，熱性能及機(jī)械性能優(yōu)良，工作環(huán)境安全可靠，適宜于工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1原料石油瀝青，其幾何尺寸為5×3×7mm；碳納米管重量百分比為1％；發(fā)泡劑對氧雙苯磺酰肼，發(fā)泡劑重量百分比為3.5％；將100公斤粗粉碎料母體瀝青、1公斤碳納米管和3.5公斤發(fā)泡劑對氧雙苯磺酰肼混合后通過雙螺桿擠出機(jī)熔融并均勻混合為一體，注入一密閉壓力容器，充入氮?dú)庵?Kg/cm2，升高溫度至260℃，升高壓力為40Kg/cm2，壓力下保持1分鐘，然后以2℃/分鐘的降溫速度和0.2Mpa/分鐘降壓速度降至室溫和常壓發(fā)泡，從而得到孔洞尺寸及其分布相當(dāng)均勻的瀝青泡沫材料，然后在1300℃碳化120分鐘，在2600℃石墨化60分鐘，獲得瀝青碳泡沫材料。
雙螺桿工藝溫度進(jìn)料預(yù)熱區(qū)、熔融混合區(qū)、增壓擠出區(qū)150200℃ 210℃制取的碳泡沫材料指標(biāo)體積密度0.48～0.5g/cm3熱膨脹系數(shù) 4.4PPM/℃導(dǎo)熱系數(shù)160～180w/mk比導(dǎo)熱系數(shù) 220～260(w/mk)/(g/cm3)。
實(shí)驗(yàn)例2原料煤瀝青，其幾何尺寸為4×5×7mm；碳納米管重量百分比3％；發(fā)泡劑對氧雙苯磺酰肼，發(fā)泡劑重量百分比為3.5％；將100公斤粗粉碎料母體瀝青、3公斤碳納米管和3.5公斤發(fā)泡劑對氧雙苯磺酰肼混合后通過雙螺桿擠出機(jī)熔融并均勻混合為一體，注入一密閉壓力容器，充入氮?dú)庵?Kg/cm2，升高溫度至260℃，升高壓力為60Kg/cm2，壓力下保持60分鐘，然后以3℃/分鐘的降溫速度和0.5Mpa/分鐘降壓速度降至室溫和常壓發(fā)泡，從而得到孔洞尺寸及其分佈相當(dāng)均勻的瀝青泡沫材料，然后在1300℃碳化180分鐘，在2600℃石墨化120分鐘，獲得瀝青碳泡沫材料。
雙螺桿工藝溫度進(jìn)料預(yù)熱區(qū)、熔融混合區(qū)、增壓擠出區(qū)100℃ 150℃ 200℃制取的碳泡沫材料指標(biāo)體積密度 0.48～0.5g/cm3熱膨脹系數(shù) 4.2PPM/℃導(dǎo)熱系數(shù) 180～220w/mk
比導(dǎo)熱系數(shù) 240～320(w/mk)/(g/cm3)對比例1原料石油瀝青，發(fā)泡劑對氧雙苯磺酰肼，重量百分比3.5％。
將粗粉碎料母體瀝青和發(fā)泡劑混合后注入一密閉壓力容器，充入氮?dú)庵?Kg/cm2，升高溫度至260℃，升高壓力為50Kg/cm2，壓力下保持60分鐘，然后以3℃/分鐘的降溫速度和0.4Mpa/分鐘降壓速度降至常溫和常壓發(fā)泡，得到瀝青泡沫材料，然后在1300℃碳化180分鐘，在2600℃石墨化120分鐘，獲得瀝青碳泡沫材料。
雙螺桿工藝溫度進(jìn)料預(yù)熱區(qū)、熔融混合區(qū)、增壓擠出區(qū)100℃ 150℃ 200℃制取的碳泡沫材料指標(biāo)體積密度 0.5g/cm3熱膨脹系數(shù)5.6PPM/℃導(dǎo)熱系數(shù) 100～120w/mk比導(dǎo)熱系數(shù)200～240(w/mk)/(g/cm3)由此可見，本發(fā)明的材料與對比例的材料相比，應(yīng)用本發(fā)明采用了碳納米管，所制備的碳泡沫比常規(guī)方法制備的碳泡沫各項(xiàng)指標(biāo)，特別是導(dǎo)熱系數(shù)有著明顯的提高。
權(quán)利要求
1.一種瀝青碳泡沫材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟，將粗粉碎料母體瀝青，碳納米管和發(fā)泡劑混合后通過加熱熔融并均勻混合為一體，注入一密閉壓力容器，充入惰性氣體，在300～600℃的溫度和10～80Kg/cm2的壓力下保持1～60分鐘，然后降至室溫和常壓發(fā)泡，從而得到瀝青泡沫材料，然后采用常規(guī)的方法碳化和高溫石墨化，獲得具有優(yōu)異導(dǎo)熱性能的瀝青碳泡沫材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，以粗粉碎料母體瀝青的重量計(jì)碳納米管的重量百分比為0.5～5％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，以粗粉碎料母體瀝青的重量計(jì)發(fā)泡劑的重量百分比為0.5～10％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，以2～30℃/分鐘的降溫速度和0.2～1Mpa/分鐘降壓速度降至室溫和常壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，粗粉碎料母體瀝青的幾何尺寸為3～7×3～7×3～7mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所說的瀝青包括石油瀝青、合成瀝青或煤瀝青中的一種或其混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所說的碳納米管包括單壁或多壁碳納米管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所說的發(fā)泡劑選自對氧雙苯磺酰肼、對甲苯磺酰氨基脲或偶氮二甲酰胺中的一種或其混合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將瀝青，碳納米管及發(fā)泡劑進(jìn)行干燥處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～9任一項(xiàng)所述方法制備的瀝青碳泡沫材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種瀝青碳泡沫材料的制備方法，包括如下步驟，將粗粉碎料母體瀝青，碳納米管和發(fā)泡劑混合后通過熔融并均勻混合為一體，注入一密閉壓力容器，充入惰性氣體，在300～600℃的溫度和10～80Kg/cm
文檔編號C04B35/52GK1673074SQ20051002399
公開日2005年9月28日 申請日期2005年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月22日
發(fā)明者王依民, 王燕萍, 郁銘芳, 鄒黎明, 倪建華, 潘湘慶 申請人:東華大學(xué)