CN100387517C - 一种高导热石墨泡沫材料的制造方法 - Google Patents

一种高导热石墨泡沫材料的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种高导热石墨泡沫材料的制备步骤：将石油沥青基中间相、合成中间相或煤焦油中间相沥青在反应器中，以1-5℃/min速率升温260-400℃，充压2-6MPa，再以1-2℃/min速率升温350-550℃，恒温15min-2小时，采用不同冷却和放气方式得到沥青泡沫体；升温950-1100℃，全程氮保护炭化得炭化沥青泡沫体；再在氩气保护下升温2600-3000℃进行石墨化，自然冷却，得高导热石墨泡沫材料；其孔径80-800μm，密度0.28-0.75g/cm3，气孔率55-85%，导热率68-140W/mk；可广泛用于散热器，热交换器，汽车、飞机刹车片，催化剂载体，气体吸附剂以及复合材料等。

Description

一种高导热石墨泡沫材料的制造方法
技术领域
本发明涉及一种高导热石墨泡沫(graphite foam)和高导热石墨泡沫的制造方法。
发明背景
炭泡沫已在各种应用中使用，所述应用包括用作绝热/隔热材料、用于聚合物或塑料的导电填料、电极及结构材料等。具有大表面积和高孔隙率的炭泡沫在很多这些应用和其它应用中得到体现。
已知有制造炭泡沫的各种方法，包括使用煤或沥青高压渗氮发泡，或使用煤、沥青、聚乙烯等原料借助发泡剂发泡等，然后将此多孔形式在高温下固化，以便得到炭泡沫。
以上炭泡沫及制备方法得到的炭泡沫的导热性极差，一般只能用做隔热材料或结构材料。
美国橡树岭实验室James.Klett等人1997年公布了利用中间相沥青加热过程中低分子化合物的挥发自反应发泡的方法制备石墨化的泡沫炭，泡沫炭的孔径平均为300um，且具有较高的比强度和导热能力(US Patent 6033506)。他们采用的是温度和压力同时降至室温和常压的方法，制备的泡沫炭气孔率较低，而密度较高。
2003年大连理工大学丘介山等人申请了利用煤焦油中温沥青和石油沥青制备了泡沫炭方法的专利，但所用原料均得采用金属盐改质，采用自然冷却的方法制备泡沫炭，没有具体放压方式公布。东华大学郁铭芳等2004年申请了一种利用机械挤出工艺制备泡沫炭的方法，但制备过程需要添加发泡剂。
本发明利用煤焦油中间相沥青、石油中间相沥青或合成沥青为原料，不需要进行改质，也不需要添加发泡剂，利用高压下自发泡原理制备高导热石墨泡沫。通过不同的气体释放方式，实现孔泡大小和孔壁厚度可控，最终得到可控密度、孔隙率的石墨泡沫，产品密度和孔隙率范围宽，能更好的适应不同用途的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高导热石墨泡沫材料，该高导热石墨泡沫材料具有较大表面积、较高机械强度，特别是具有高导热性能；
本发明的另一个的目的是提供一种高导热石墨泡沫材料的制备方法，该方法不需要对原料添加催化剂进行改质，发泡过程也无需发泡剂，制造成本低；通过不同的放气方式进行放压，实现密度和孔隙率可控，最终得到的炭素泡沫性能范围宽，用途广。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的高导热石墨泡沫材料，其特征在于，使用下述步骤制备：
(1)将石油沥青基中间相沥青粉末、合成中间相沥青颗粒或煤焦油中间相沥青粉末放入高温高压反应器中，以1-5℃/min的升温速率升温至260-400℃，充压至2-6.0Mpa，继续以1-2℃/min升温速率升温至350-550℃，恒温15min-2小时后，进行冷却和放气得到沥青泡沫体；
所述冷却和放气方式为三种，第一种冷却和放气方式为：以1-2℃/min降温速率冷却至室温后，匀速放掉气体至常压；第二种冷却和放气方式为：以1-2℃/min降温速率冷却至室温的同时，匀速放掉气体使温度降至原料的软化点时至常压；第三种冷却和放气方式为：在1-5min的时间内快速放气至常压后，再以1-2℃/min降温速率冷却至室温；
(2)将所得沥青泡沫体以不大于1℃/min的升温速率升温至950-1100℃，全程氮气保护下进行炭化，得到的炭化沥青泡沫体；
(3)将所得炭化沥青泡沫体再在氩气保护下，以不大于1℃/min的升温速率升温至2600-3000℃，经自然冷却，便得到高导热石墨泡沫材料。
所述步骤(1)中的所述石油沥青基中间相沥青粉末或合成中间相沥青粉末或煤焦油中间相沥青粉末放入高温高压反应器中之后，先抽真空至0.08-0.1Mpa，再升温。所述的高导热石墨泡沫材料的密度为0.28-0.75g/cm3，气孔率为55-85％，导热率为68-140W/mk。
本发明提供的高导热石墨泡沫材料及其制备方法，具有如下优点：不需要对原料添加催化剂进行改质，发泡过程也无需发泡剂，制造成本低；通过不同的放气方式进行放压，实现密度和孔隙率可控，工艺简单；最终得到的石墨泡沫材料性能范围宽，用途广。
附图说明
图1是本发明制备的高导热石墨泡沫材料的光学显微照片；
图2、图3是本发明的高导热石墨泡沫材料的扫描电子显微照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明：
将石油沥青基中间相沥青、合成中间相沥青或煤焦油中间相沥青放入高温高压反应器中，以1-5℃/min的升温速率升温至260-400℃，充压至2-6.0Mpa，继续以1-2℃/min升温速率升温至350-550℃，恒温15min-2小时后，进行冷却和放气得到沥青泡沫体；
放入高温高压反应器中的原料可以是粉末状，也可以是颗粒状。
原料放入高温高压反应器中后，需要先将反应器密封，并抽真空至0.08-0.1Mpa，再升温。
加热至最终温度后，系统需要恒温15min-2小时，不同的恒温时间得到的材料的性能也不相同。
采用不同的冷却和放气方式，得到的沥青泡沫体性能不同。采用第一种冷却和放气方式，即以1-2℃/min降温速率冷却至室温后，匀速放掉气体至常压，得到的泡沫体每个孔都与周围孔相通(如图2所示)。采用第二种冷却和放气方式，即以1-2℃/min降温速率冷却至室温的同时，匀速放掉气体使温度降至原料的软化点时至常压，得到的泡沫体孔壁较薄，密度较大，通孔较多。采用第三种冷却和放气方式，即在1-5min的时间内快速放气至常压后，再1-2℃/min降温速率冷却至室温，得到的泡沫体孔壁薄，通孔大，密度小。
将所得沥青泡沫体以不大于1℃/min的升温速率升温至950-1100℃，全程氮气保护下进行炭化，得到的炭化沥青泡沫体；再将所得炭化沥青泡沫体在氩气保护下，以不大于1℃/min的升温速率升温至2600-3000℃进行石墨化，经自然冷却，便得到高导热石墨泡沫材料。
所得高导热石墨泡沫材料的密度为0.28-0.75g/cm3，气孔率为55-85％，导热率为68-140W/mk。
实施例1
将一定量的石油中间相沥青粉末放入高温高压反应器中，抽真空至0.1Mpa，以4℃/min的升温速度加热至260℃，充压至6.0Mpa，再以2℃/min升温至温度350℃，恒温15min，冷却至室温后，匀速放掉气体至常压，得到沥青泡沫体；
将所得沥青泡沫体以1℃/min的升温速度升温至950℃，全程氮气保护下，进行炭化处理，得炭化沥青泡沫体；
将所得炭化沥青泡沫体再在氩气保护下，以1℃/min的升温速度升温至2600℃，经自然冷却，便得到如图2所示的高导热石墨泡沫材料；经测定，本实施例所制备的高导热石墨泡沫材料的密度为0.75g/cm3，气孔率为55％，导热率为68W/mk。
实施例2
取一定量经高温热处理后的煤焦油沥青粉末放入高温高压反应器中，抽真空至0.08Mpa，以5℃/min的升温速率加热至350℃，充压至4Mpa，再以1℃/min的升温速率升温至450℃，恒温1h后，以1-2℃/min降温速率冷却至室温的同时，匀速放掉气体使温度降至原料的软化点(即300℃完成)时至常压；得到沥青泡沫体；
将所得沥青泡沫体以1℃/min的升温速度升温至1050℃，全程氮气保护下，进行炭化处理，得炭化沥青素泡沫，
将所得炭化沥青泡沫体再在氩气保护下，以1℃/min的升温速度升温至2800℃，经自然冷却，便得到如图1所示的高导热石墨泡沫材料；测定所得此石墨泡沫的密度为0.57g/cm3，气孔率为68％，导热率为120W/mk。
实施例3
取一定量合成中间相沥青颗粒放入高温高压反应器中，抽真空至0.08Mpa，以1℃/min的升温速率加热至400℃，充压至2Mpa，继续以1℃/min的升温速率升温至550℃，恒温2h，快速匀速放气至常压后，以1℃/min降温至室温，得到沥青泡沫体；
将所得沥青泡沫体以1℃/min的升温速度升温至1100℃，全程氮气保护下，进行炭化处理，得炭化沥青泡沫体，
将所得炭化沥青泡沫体再在氩气保护下，以1℃/min的升温速度升温至3000℃，经自然冷却，便得到如图3所示的高导热石墨泡沫材料；经测定所得高导热石墨泡沫材料的密度为0.28g/cm3，气孔率为85％，导热率为140W/mk。
本发明所制造的高导热石墨泡沫可以用于包括散热器，热交换器，汽车、飞机的刹车片，催化剂载体，气体吸附剂等，也可通过复合其它材料制成复合材料，应用于船舶、医用、生物、核工业、军工以及许多民用工业等。

Claims (4)

1.一种高导热石墨泡沫材料的制备方法，其特征在于，其制备步骤如下：
(1)将石油沥青基中间相沥青、合成中间相沥青或煤焦油中间相沥青放入高温高压反应器中，以1-5℃/min的升温速率升温至260-400℃，充压至2-6.0Mpa，继续以1-2℃/min升温速率升温至350-550℃，恒温15min-2小时后，进行冷却和放气得到沥青泡沫体；
(2)将所得沥青泡沫体以不大于1℃/min的升温速率升温至950-1100℃，全程氮气保护下进行炭化，得到的炭化沥青泡沫体；
(3)将所得沥青炭泡沫体再在氩气保护下，以不大于1℃/min的升温速率升温至2600-3000℃，经自然冷却，便得到高导热石墨泡沫材料。
2.按权利要求1的高导热石墨泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述石油沥青基中间相沥青、合成中间相沥青或煤焦油中间相沥青为粉末状或者颗粒状，中间相沥青是以石油沥青、煤焦油沥青或合成沥青原料经热处理得到。
3.按权利要求1所述的高导热石墨泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的所述石油沥青基中间相沥青或合成中间相沥青或煤焦油中间相沥青放入高温高压反应器中之后，先抽真空至0.08-0.1Mpa，再升温。
4.按权利要求1所述的高导热石墨泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述冷却和放气方式为下述三种冷却和放气方式的任一种，所述三种冷却和放气方式是：第一种冷却和放气方式为：以1-2℃/min降温速率冷却至室温后，匀速放掉气体至常压；第二种冷却和放气方式为：以1-2℃/min降温速率冷却至室温的同时，匀速放掉气体至常压；第三种冷却和放气方式为：在1-5min的时间内快速放气至常压后，再以1-2℃/min降温速率冷却至室温。
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