本發(fā)明屬于炭氣凝膠制備，具體涉及一種耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠制備方法。

背景技術(shù)：

1、氣凝膠是一種介孔固體材料，具有極低的體密度、較低的導(dǎo)熱率、較大的比表面積和較高的孔隙率。氣凝膠隔熱材料被譽(yù)為“超級絕熱材料”，在航空航天、石油化工、建筑、能源、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。納米技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了氣凝膠新材料合成新方法的發(fā)展。不同種類的氣凝膠耐高溫的范圍不同，因此它的應(yīng)用場景也不同。氣凝膠隔熱材料按成分主要可分為無機(jī)氧化物氣凝膠（sio2，al2o3，zro2等）、有機(jī)氣凝膠（酚醛、聚酰亞胺、纖維素等）、炭氣凝膠和碳化物氣凝膠（sic，sico，zrco等）。

2、目前，根據(jù)原料和制備工藝不同，炭氣凝膠主要分為兩種，一種是利用石墨烯、碳納米管等低維納米炭材料經(jīng)自組裝形成三維網(wǎng)絡(luò)凝膠，該方法所得炭氣凝膠一般具有超輕超彈特性，但在實際的隔熱應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)用較少。其中石墨烯氣凝膠是由單層或少層石墨烯搭接形成的一種多孔網(wǎng)絡(luò)材料，內(nèi)部孔隙被空氣填充。其制備方法多種多樣,包括化學(xué)氣相沉積法、3d打印法、犧牲模板法、水熱法、發(fā)泡法、冰晶模板法、微乳液法等。石墨烯氣凝膠具有諸多新奇的特性，包括超低密度、優(yōu)異的機(jī)械性能、高比表面積、高電導(dǎo)率等。另一種是基于有機(jī)氣凝膠炭化，包括間苯二酚-甲醛、間苯二酚-糠醛、苯酚-甲醛、酚醛樹脂-六次甲基四胺等體系。其中，間苯二酚-甲醛體系最為常用。目前制備的純炭氣凝膠質(zhì)脆易碎、強(qiáng)度、韌性較差，難以直接作為隔熱材料用于熱防護(hù)系統(tǒng)，常需在其內(nèi)部引入纖維等增強(qiáng)體。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有炭氣凝膠的存在的強(qiáng)度、韌性較差的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供了一種耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠制備方法，該方法改善了傳統(tǒng)炭氣凝膠強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性質(zhì)，并提升了其保溫隔熱特性。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠制備方法，包括以下步驟：

4、將含有間苯二酚的乙醇溶液與甲醛溶液反應(yīng)后加入無水碳酸鈉，進(jìn)行反應(yīng)后，靜置老化，得到樣品；

5、將樣品經(jīng)乙醇浸泡，干燥，得到pf氣凝膠；

6、采用化學(xué)cvd法在pf氣凝膠上生長三維石墨烯片陣列，得到耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠。

7、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，含有間苯二酚的乙醇溶液中間苯二酚、水與乙醇的用量比為12.5g~22.5g：60ml：40ml。

8、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，間苯二酚與甲醛溶液的用量比為12.5g~22.5g：15ml~27ml，甲醛溶液的質(zhì)量濃度37%~40%。

9、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，無水碳酸鈉的質(zhì)量為間苯二酚質(zhì)量的1/500~1/2000。

10、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，靜置老化的溫度為30~60℃，時間為12-36h。

11、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，浸泡的時間為2-4天。

12、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，采用化學(xué)cvd法在pf氣凝膠上生長vg陣列，得到耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠，包括以下步驟：

13、在甲烷和氫氣的混合氣體下，將pf氣凝膠在1000-1300℃下保溫6-8h。

14、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，氬氣氣氛下以5℃/min的升溫速率升溫到1000-1300℃，保溫6-8h后在氬氣氣氛下，以10℃/min的降溫速率降溫至室溫。

15、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，甲烷和氫氣的流量比為30：160。

16、一種耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果：

18、本發(fā)明將垂直石墨烯片與酚醛樹脂有機(jī)結(jié)合，其具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

19、本發(fā)明的制備過程中利用常壓干燥法代替了超臨界干燥法，降低了制備過程中的成本及危險性；本發(fā)明中利用化學(xué)cvd法將在pf基體上制造的三維石墨烯片陣列（vgss），不會團(tuán)聚，會均勻分布在pf氣凝膠內(nèi)部及表面，其自身就可以獨(dú)立自支撐。因此制備的炭氣凝膠pf@vgss復(fù)合材料形成了一個三維多孔的結(jié)構(gòu)，具有更加良好的柔性。vgss相比傳統(tǒng)炭氣凝膠內(nèi)的無定形炭，具有更好的機(jī)械穩(wěn)定性，更高的比表面積、更低的密度，因此將其引入pf氣凝膠中可以提升材料整體的強(qiáng)度與韌性。

20、進(jìn)一步的，采用化學(xué)cvd法生長vgss的過程對性能影響較大，因為vgss的大小需要和pf氣凝膠相匹配，過大或過小都不能和pf氣凝膠形成比較好的三維結(jié)構(gòu)，提升整個材料的機(jī)械性能。所以在cvd生長過程中要控制甲烷和氫氣的通氣量，控制整個vgss的生長過程。cvd生長過程甲烷的作用是碳源，氫氣的作用是對沉積在pf氣凝膠上的碳源進(jìn)行刻蝕，所以不僅要單獨(dú)控制好甲烷和氫氣的通氣量，還需要控制二者之間的流量比例為30：160，才能達(dá)到合成良好性能的pf@vgss復(fù)合材料的目的。

技術(shù)特征：

1.一種耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠制備方法，其特征在于，含有間苯二酚的乙醇溶液中間苯二酚、水與乙醇的用量比為12.5g~22.5g：60ml：40ml。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠制備方法，其特征在于，間苯二酚與甲醛溶液的用量比為12.5g~22.5g：15ml~27ml，甲醛溶液的質(zhì)量濃度37%~40%。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠制備方法，其特征在于，無水碳酸鈉的質(zhì)量為間苯二酚質(zhì)量的1/500~1/2000。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠制備方法，其特征在于，靜置老化的溫度為30~60℃，時間為12-36h。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠制備方法，其特征在于，浸泡的時間為2-4天。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠制備方法，其特征在于，采用化學(xué)cvd法在pf氣凝膠上生長vg陣列，得到耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠，包括以下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠制備方法，其特征在于，氬氣氣氛下以5℃/min的升溫速率升溫到1000-1300℃下保溫6-8h后在氬氣氣氛下，以10℃/min的降溫速率降溫至室溫。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠制備方法，其特征在于，甲烷和氫氣的流量比為30：160。

10.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法制備的耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠制備方法，將含有間苯二酚的乙醇溶液與甲醛溶液反應(yīng)后加入無水碳酸鈉，進(jìn)行反應(yīng)后，靜置老化，得到樣品；將樣品經(jīng)乙醇浸泡，干燥，得到PF氣凝膠；采用化學(xué)CVD法在PF氣凝膠上生長三維石墨烯片陣列，得到耐高溫、高機(jī)械穩(wěn)定性的炭氣凝膠。本發(fā)明中利用化學(xué)CVD法將在PF基體上制造的三維石墨烯片陣列，不會團(tuán)聚，會均勻分布在PF氣凝膠內(nèi)部及表面，其自身就可以獨(dú)立自支撐。因此制備的炭氣凝膠PF@VGSs復(fù)合材料形成了一個三維多孔的結(jié)構(gòu)，具有更加良好的柔性，并且提升材料整體的強(qiáng)度與韌性。

技術(shù)研發(fā)人員：張躍,徐兆郢,朱學(xué)兵,孫立嬌,李海燕,慕時榮,劉德慶,王宏賓,雷銘,李浩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安西熱水務(wù)環(huán)保有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6