專利名稱：一種高導(dǎo)熱石墨泡沫材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)熱石墨泡沫(graphite foam)和高導(dǎo)熱石墨泡沫的制造方法。
背景技術(shù)：
炭泡沫已在各種應(yīng)用中使用，所述應(yīng)用包括用作絕熱/隔熱材料、用于聚合物或塑料的導(dǎo)電填料、電極及結(jié)構(gòu)材料等。具有大表面積和高孔隙率的炭泡沫在很多這些應(yīng)用和其它應(yīng)用中得到體現(xiàn)。
已知有制造炭泡沫的各種方法，包括使用煤或?yàn)r青高壓滲氮發(fā)泡，或使用煤、瀝青、聚乙烯等原料借助發(fā)泡劑發(fā)泡等，然后將此多孔形式在高溫下固化，以便得到炭泡沫。
以上炭泡沫及制備方法得到的炭泡沫的導(dǎo)熱性極差，一般只能用做隔熱材料或結(jié)構(gòu)材料。
美國(guó)橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室James.Klett等人1997年公布了利用中間相瀝青加熱過(guò)程中低分子化合物的揮發(fā)自反應(yīng)發(fā)泡的方法制備石墨化的泡沫炭，泡沫炭的孔徑平均為300um，且具有較高的比強(qiáng)度和導(dǎo)熱能力(US Patent 6033506)。他們采用的是溫度和壓力同時(shí)降至室溫和常壓的方法，制備的泡沫炭氣孔率較低，而密度較高。
2003年大連理工大學(xué)丘介山等人申請(qǐng)了利用煤焦油中溫瀝青和石油瀝青制備了泡沫炭方法的專利，但所用原料均得采用金屬鹽改質(zhì)，采用自然冷卻的方法制備泡沫炭，沒(méi)有具體放壓方式公布。東華大學(xué)郁銘芳等2004年申請(qǐng)了一種利用機(jī)械擠出工藝制備泡沫炭的方法，但制備過(guò)程需要添加發(fā)泡劑。
本發(fā)明利用煤焦油中間相瀝青、石油中間相瀝青或合成瀝青為原料，不需要進(jìn)行改質(zhì)，也不需要添加發(fā)泡劑，利用高壓下自發(fā)泡原理制備高導(dǎo)熱石墨泡沫。通過(guò)不同的氣體釋放方式，實(shí)現(xiàn)孔泡大小和孔壁厚度可控，最終得到可控密度、孔隙率的石墨泡沫，產(chǎn)品密度和孔隙率范圍寬，能更好的適應(yīng)不同用途的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高導(dǎo)熱石墨泡沫材料，該高導(dǎo)熱石墨泡沫材料具有較大表面積、較高機(jī)械強(qiáng)度，特別是具有高導(dǎo)熱性能；本發(fā)明的另一個(gè)的目的是提供一種高導(dǎo)熱石墨泡沫材料的制備方法，該方法不需要對(duì)原料添加催化劑進(jìn)行改質(zhì)，發(fā)泡過(guò)程也無(wú)需發(fā)泡劑，制造成本低；通過(guò)不同的放氣方式進(jìn)行放壓，實(shí)現(xiàn)密度和孔隙率可控，最終得到的炭素泡沫性能范圍寬，用途廣。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料，其特征在于，使用下述步驟制備(1)將石油瀝青基中間相瀝青粉末、合成中間相瀝青顆粒或煤焦油中間相瀝青粉末放入高溫高壓反應(yīng)器中，以1-5℃/min的升溫速率升溫至260-400℃，充壓至2-6.0Mpa，繼續(xù)以1-2℃/min升溫速率升溫至350-550℃，恒溫15min-2小時(shí)后，進(jìn)行冷卻和放氣得到瀝青泡沫體；所述冷卻和放氣方式為三種，第一種冷卻和放氣方式為以1-2℃/min降溫速率冷卻至室溫后，勻速放掉氣體至常壓；第二種冷卻和放氣方式為以1-2℃/min降溫速率冷卻至室溫的同時(shí)，勻速放掉氣體使溫度降至原料的軟化點(diǎn)時(shí)至常壓；第三種冷卻和放氣方式為在1-5min的時(shí)間內(nèi)快速放氣至常壓后，再以1-2℃/min降溫速率冷卻至室溫；(2)將所得瀝青泡沫體以不大于1℃/min的升溫速率升溫至950-1100℃，全程氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行炭化，得到的炭化瀝青泡沫體；(3)將所得炭化瀝青泡沫體再在氬氣保護(hù)下，以不大于1℃/min的升溫速率升溫至2600-3000℃，經(jīng)自然冷卻，便得到高導(dǎo)熱石墨泡沫材料。
所述步驟(1)中的所述石油瀝青基中間相瀝青粉末或合成中間相瀝青粉末或煤焦油中間相瀝青粉末放入高溫高壓反應(yīng)器中之后，先抽真空至0.08-0.1Mpa，再升溫。所述的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料的密度為0.28-0.75g/cm3，氣孔率為55-85％，導(dǎo)熱率為68-140W/mk。
本發(fā)明提供的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料及其制備方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)不需要對(duì)原料添加催化劑進(jìn)行改質(zhì)，發(fā)泡過(guò)程也無(wú)需發(fā)泡劑，制造成本低；通過(guò)不同的放氣方式進(jìn)行放壓，實(shí)現(xiàn)密度和孔隙率可控，工藝簡(jiǎn)單；最終得到的石墨泡沫材料性能范圍寬，用途廣。


圖1是本發(fā)明制備的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料的光學(xué)顯微照片；圖2、圖3是本發(fā)明的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料的掃描電子顯微照片。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明將石油瀝青基中間相瀝青、合成中間相瀝青或煤焦油中間相瀝青放入高溫高壓反應(yīng)器中，以1-5℃/min的升溫速率升溫至260-400℃，充壓至2-6.0Mpa，繼續(xù)以1-2℃/min升溫速率升溫至350-550℃，恒溫15min-2小時(shí)后，進(jìn)行冷卻和放氣得到瀝青泡沫體；放入高溫高壓反應(yīng)器中的原料可以是粉末狀，也可以是顆粒狀。
原料放入高溫高壓反應(yīng)器中后，需要先將反應(yīng)器密封，并抽真空至0.08-0.1Mpa，再升溫。
加熱至最終溫度后，系統(tǒng)需要恒溫15min-2小時(shí)，不同的恒溫時(shí)間得到的材料的性能也不相同。
采用不同的冷卻和放氣方式，得到的瀝青泡沫體性能不同。采用第一種冷卻和放氣方式，即以1-2℃/min降溫速率冷卻至室溫后，勻速放掉氣體至常壓，得到的泡沫體每個(gè)孔都與周圍孔相通(如圖2所示)。采用第二種冷卻和放氣方式，即以1-2℃/min降溫速率冷卻至室溫的同時(shí)，勻速放掉氣體使溫度降至原料的軟化點(diǎn)時(shí)至常壓，得到的泡沫體孔壁較薄，密度較大，通孔較多。采用第三種冷卻和放氣方式，即在1-5min的時(shí)間內(nèi)快速放氣至常壓后，再1-2℃/min降溫速率冷卻至室溫，得到的泡沫體孔壁薄，通孔大，密度小。
將所得瀝青泡沫體以不大于1℃/min的升溫速率升溫至950-1100℃，全程氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行炭化，得到的炭化瀝青泡沫體；再將所得炭化瀝青泡沫體在氬氣保護(hù)下，以不大于1℃/min的升溫速率升溫至2600-3000℃進(jìn)行石墨化，經(jīng)自然冷卻，便得到高導(dǎo)熱石墨泡沫材料。
所得高導(dǎo)熱石墨泡沫材料的密度為0.28-0.75g/cm3，氣孔率為55-85％，導(dǎo)熱率為68-140W/mk。
實(shí)施例1將一定量的石油中間相瀝青粉末放入高溫高壓反應(yīng)器中，抽真空至0.1Mpa，以4℃/min的升溫速度加熱至260℃，充壓至6.0Mpa，再以2℃/min升溫至溫度350℃，恒溫15min，冷卻至室溫后，勻速放掉氣體至常壓，得到瀝青泡沫體；將所得瀝青泡沫體以1℃/min的升溫速度升溫至950℃，全程氮?dú)獗Ｗo(hù)下，進(jìn)行炭化處理，得炭化瀝青泡沫體；將所得炭化瀝青泡沫體再在氬氣保護(hù)下，以1℃/min的升溫速度升溫至2600℃，經(jīng)自然冷卻，便得到如圖2所示的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料；經(jīng)測(cè)定，本實(shí)施例所制備的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料的密度為0.75g/cm3，氣孔率為55％，導(dǎo)熱率為68W/mk。
實(shí)施例2取一定量經(jīng)高溫?zé)崽幚砗蟮拿航褂蜑r青粉末放入高溫高壓反應(yīng)器中，抽真空至0.08Mpa，以5℃/min的升溫速率加熱至350℃，充壓至4Mpa，再以1℃/min的升溫速率升溫至450℃，恒溫1h后，以1-2℃/min降溫速率冷卻至室溫的同時(shí)，勻速放掉氣體使溫度降至原料的軟化點(diǎn)(即300℃完成)時(shí)至常壓；得到瀝青泡沫體；將所得瀝青泡沫體以1℃/min的升溫速度升溫至1050℃，全程氮?dú)獗Ｗo(hù)下，進(jìn)行炭化處理，得炭化瀝青素泡沫，將所得炭化瀝青泡沫體再在氬氣保護(hù)下，以1℃/min的升溫速度升溫至2800℃，經(jīng)自然冷卻，便得到如圖1所示的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料；測(cè)定所得此石墨泡沫的密度為0.57g/cm3，氣孔率為68％，導(dǎo)熱率為120W/mk。
實(shí)施例3取一定量合成中間相瀝青顆粒放入高溫高壓反應(yīng)器中，抽真空至0.08Mpa，以1℃/min的升溫速率加熱至400℃，充壓至2Mpa，繼續(xù)以1℃/min的升溫速率升溫至550℃，恒溫2h，快速勻速放氣至常壓后，以1℃/min降溫至室溫，得到瀝青泡沫體；將所得瀝青泡沫體以1℃/min的升溫速度升溫至1100℃，全程氮?dú)獗Ｗo(hù)下，進(jìn)行炭化處理，得炭化瀝青泡沫體，將所得炭化瀝青泡沫體再在氬氣保護(hù)下，以1℃/min的升溫速度升溫至3000℃，經(jīng)自然冷卻，便得到如圖3所示的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料；經(jīng)測(cè)定所得高導(dǎo)熱石墨泡沫材料的密度為0.28g/cm3，氣孔率為85％，導(dǎo)熱率為140W/mk。
本發(fā)明所制造的高導(dǎo)熱石墨泡沫可以用于包括散熱器，熱交換器，汽車、飛機(jī)的剎車片，催化劑載體，氣體吸附劑等，也可通過(guò)復(fù)合其它材料制成復(fù)合材料，應(yīng)用于船舶、醫(yī)用、生物、核工業(yè)、軍工以及許多民用工業(yè)等。
權(quán)利要求
1.一種高導(dǎo)熱石墨泡沫材料，其特征在于，使用下述步驟制備(1)將石油瀝青基中間相瀝青、合成中間相瀝青或煤焦油中間相瀝青放入高溫高壓反應(yīng)器中，以1-5℃/min的升溫速率升溫至260-400℃，充壓至2-6.0Mpa，繼續(xù)以1-2℃/min升溫速率升溫至350-550℃，恒溫15min-2小時(shí)后，進(jìn)行冷卻和放氣得到瀝青泡沫體；(2)將所得瀝青泡沫體以不大于1℃/min的升溫速率升溫至950-1100℃，全程氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行炭化，得到的炭化瀝青泡沫體；(3)將所得瀝青炭泡沫體再在氬氣保護(hù)下，以不大于1℃/min的升溫速率升溫至2600-3000℃，經(jīng)自然冷卻，便得到高導(dǎo)熱石墨泡沫材料。
2.按權(quán)利要求1的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料，其特征在于，所述石油瀝青基中間相瀝青、合成中間相瀝青或煤焦油中間相瀝青為粉末狀或者顆粒狀，中間相瀝青是以石油瀝青、煤焦油瀝青或合成瀝青原料經(jīng)熱處理得到。
3.按權(quán)利要求1所述的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料，其特征在于，所述步驟(1)中的所述石油瀝青基中間相瀝青或合成中間相瀝青或煤焦油中間相瀝青放入高溫高壓反應(yīng)器中之后，先抽真空至0.08-0.1Mpa，再升溫。
4.按權(quán)利要求1所述的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料，其特征在于，所述冷卻和放氣方式為下述三種冷卻和放氣方式的任一種，所述三種冷卻和放氣方式是第一種冷卻和放氣方式為以1-2℃/min降溫速率冷卻至室溫后，勻速放掉氣體至常壓；第二種冷卻和放氣方式為以1-2℃/min降溫速率冷卻至室溫的同時(shí)，勻速放掉氣體至常壓；第三種冷卻和放氣方式為在1-5min的時(shí)間內(nèi)快速放棄至常壓后，再1-2℃/min降溫速率冷卻至室溫。
5.按權(quán)利要求1、2、3或4所述的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料，其特征在于，所述的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料的孔徑為80-800um，密度為0.28-0.75g/cm3，氣孔率為55-85％，導(dǎo)熱率為68-140W/mk。
6.一種權(quán)利要求1所述高導(dǎo)熱石墨泡沫材料的制備方法，其特征在于，其制備步驟如下(1)將石油瀝青基中間相瀝青、合成中間相瀝青或煤焦油中間相瀝青放入高溫高壓反應(yīng)器中，以1-5℃/min的升溫速率升溫至260-400℃，充壓至2-6.0Mpa，繼續(xù)以1-2℃/min升溫速率升溫至350-550℃，恒溫15min-2小時(shí)后，進(jìn)行冷卻和放氣得到瀝青泡沫體；(2)將所得瀝青泡沫體以不大于1℃/min的升溫速率升溫至950-1100℃，全程氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行炭化，得到的炭化瀝青泡沫體；(3)將所得瀝青炭泡沫體再在氬氣保護(hù)下，以不大于1℃/min的升溫速率升溫至2600-3000℃，經(jīng)自然冷卻，便得到高導(dǎo)熱石墨泡沫材料。
7.按權(quán)利要求6的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料的制備方法，其特征在于，所述石油瀝青基中間相瀝青、合成中間相瀝青或煤焦油中間相瀝青為粉末狀或者顆粒狀，中間相瀝青是以石油瀝青、煤焦油瀝青或合成瀝青原料經(jīng)熱處理得到。
8.按權(quán)利要求6所述的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中的所述石油瀝青基中間相瀝青或合成中間相瀝青或煤焦油中間相瀝青放入高溫高壓反應(yīng)器中之后，先抽真空至0.08-0.1Mpa，再升溫。
9.按權(quán)利要求6所述的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料的制備方法，其特征在于，所述冷卻和放氣方式為下述三種冷卻和放氣方式的任一種，所述三種冷卻和放氣方式是第一種冷卻和放氣方式為以1-2℃/min降溫速率冷卻至室溫后，勻速放掉氣體至常壓；第二種冷卻和放氣方式為以1-2℃/min降溫速率冷卻至室溫的同時(shí)，勻速放掉氣體至常壓；第三種冷卻和放氣方式為在1-5min的時(shí)間內(nèi)快速放棄至常壓后，再1-2℃/min降溫速率冷卻至室溫。
全文摘要
一種高導(dǎo)熱石墨泡沫材料，制備步驟將石油瀝青基中間相、合成中間相或煤焦油中間相瀝青在反應(yīng)器中，以1－5℃/min速率升溫260－400℃，充壓2－6Mpa，再以1－2℃/min速率升溫350－550℃，恒溫15min－2小時(shí)，采用不同冷卻和放氣方式得到瀝青泡沫體；升溫950－1100℃，全程氮保護(hù)炭化得炭化瀝青泡沫體；再在氬氣保護(hù)下升溫2600－3000℃進(jìn)行石墨化，自然冷卻，得高導(dǎo)熱石墨泡沫材料；其孔徑80－800μm，密度0.28－0.75g/cm
文檔編號(hào)C01B31/04GK1872677SQ20051007339
公開(kāi)日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2005年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月3日
發(fā)明者王永剛, 曹敏, 張書, 閔振華 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū))