CN108840331B - 一种高层间距人造石墨材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高层间距人造石墨材料及其制备方法。该材料是以沥青为原料,通过交联、缩聚、石墨化处理制备而成的人造石墨,具有明显的层状结构,层间距为0.34~0.38nm,且导电性能良好。本发明提供的高层间距人造石墨材料的制备方法:以沥青为原料,添加适量交联剂,通过高温高压条件下进行缩聚、交联反应得到具有交联中间相沥青,而后经低温处理、石墨化得到高层间距人造石墨材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨材料及其制备方法,尤其是一种高层间距人造石墨材料及其制备方法。
背景技术
高层间距石墨材料是一类应用较为广泛的功能型碳素材料,具有耐高温、耐腐蚀、导电性、柔软性、不渗透性等特性,在石油化工、密封、储能和节能等领域中均发挥着重要的作用。
传统的高层间距石墨材料均是以鳞片天然石墨为原料,通过氧化插层、洗涤、干燥、热膨化得到的一种蠕虫状物质,该材料在制备过程中,对鳞片天然石墨的很多特性均有明显的破坏作用,如材料的导电性明显降低,层间结构极不规则,PH值偏酸性等,这些破坏作用大大限制了高层间距石墨材料的应用领域与应用效果。此外,这种传统的制备方法要用到大量浓酸,制备过程污染度高。
由此,本发明另辟蹊径,从具有大量芳香环的沥青入手,通过绿色清洁工艺,制备了一种高层间距人造石墨材料,该石墨材料不仅层间距与传统高层间距石墨材料接近,还具有明显的层状结构,导电性能良好。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的不足,提供一种高层间距人造石墨材料及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案予以实现的:
一种高层间距人造石墨材料的制备方法,包括以下步骤:
(Ⅰ)将沥青与生物质焦油混合均匀,在惰性气氛、机械搅拌、温度350~550℃、压强1~20atm条件下进行缩聚、交联,得到交联中间相沥青。
(Ⅱ)将交联中间相沥青在惰性气氛下、低温下处理3~5h,自然降温至室温,再采用多轮磨对所得生焦进行解聚。
(Ⅲ)将解聚后的生焦在惰性气氛下升温至2400~3200℃,保温1~2h石墨化,得到高层间距人造石墨材料。
优选地,一种高层间距人造石墨材料的制备方法,包括以下步骤:
(Ⅰ)将沥青与生物质焦油按照10:1~3的比例固相混合均匀,在惰性气氛、机械搅拌、温度350~550℃、压强1~20atm条件下进行缩聚、交联10~48h得到交联中间相沥青。
(Ⅱ)将交联中间相沥青在惰性气氛下、600℃低温下处理3~5h,自然降温至室温,然后采用多轮磨对所得生焦进行解聚。
(Ⅲ)将解聚后的生焦在惰性气氛下升温至2400~3200℃,保温1~2h石墨化,得到高层间距人造石墨材料。
优选地,在步骤(Ⅰ)中,所述沥青为软化点为90℃、D50=3.4μm的石油沥青,所述生物质焦油的芳香烃占比21%,酚类占比45%,所述沥青与所述生物质焦油的质量比为10:2。
优选地,在步骤(Ⅰ)中,所述沥青为软化点为130℃、D50=4.1μm的煤沥青,所述生物质焦油的芳香烃占比32%,酚类占比40%,所述沥青与所述生物质焦油的质量比为10:3。
优选地,所述惰性气氛,为氮气、或氩气、或氮气与氩气的混合气体。
优选地,在步骤(Ⅰ)中,所述机械搅拌速度为300rpm。
一种高层间距人造石墨材料,其特征在于,所述高层间距人造石墨材料是采用上述制备方法制备的,所述高层间距人造石墨材料具有明显的层状结构,层间距为0.34~0.38nm,制成15μm微粉后其粉末电阻率为17~28 ×10-5 Ω·m。
实验发现,沥青是一种富含官能团的多芳香环有机混合物,而生物质焦油的组分中含有芳香烃与酚类物质,在类似中间相碳形成的条件下,沥青与生物质焦油中的芳香烃会发生缩聚反应,形成类似中间相碳微球的球形稠环物质,同时,沥青表面的官能团可以与生物质焦油中的酚类物质发生交联反应,使得芳香烃缩聚形成的稠环之间具有支撑作用,石墨化过程中这种交联支撑作用始终存在,可以阻止碳六角网面的间距缩小,从而最终既保持了石墨的层状结构和导电性,又使得其层间距保持在0.34~0.38nm。
与现有技术相比,本发明所具有以下有益效果:
(1)加工工艺温和,没有对石墨的结构产生破坏作用,因此材料具有导电性能良好和层间距较高的优点。
(2)加工工艺清洁,避免了强氧化性浓酸的使用。
附图说明
图1为实施例1制备的高层间距人造石墨材料的SEM图。
图2为实施例2制备的高层间距人造石墨材料的SEM图。
图3为对比例的高层间距石墨材料的SEM图。
具体实施方式
实施例1
1#高层间距人造石墨材料的制备方法,步骤如下:
(Ⅰ)以软化点为90℃、D50=3.4μm的石油沥青以及生物质焦油为原料,其中生物质焦油的芳香烃占比21%,酚类占比45%,沥青与生物质焦油的质量比为5:1。在氮气气氛、300rpm机械搅拌、400℃、5atm条件下进行缩聚、交联12h得到交联中间相沥青。
(Ⅱ)将交联中间相沥青在氮气气氛下、600℃低温下处理5h,自然降温至室温,得到生焦,然后采用多轮磨对所得生焦进行解聚。
(Ⅲ)将解聚后的生焦在氮气气氛下升温至2600℃,保温1h石墨化,得到高层间距人造石墨材料。
实施例2
2#高层间距人造石墨材料的制备方法,步骤如下:
(Ⅰ)以软化点为130℃、D50=4.1μm的煤沥青以及生物质焦油为原料,其中生物质焦油的芳香烃占比32%,酚类占比40%,沥青与生物质焦油的质量比为10:3。在氩气气氛、300rpm机械搅拌、450℃、16atm条件下进行缩聚、交联36h得到交联中间相沥青。
(Ⅱ)将交联中间相沥青在氩气气氛下、600℃低温下处理3h,自然降温至室温,得到生焦,然后采用多轮磨对所得生焦进行解聚。
(Ⅲ)将解聚后的生焦在氩气气氛下升温至3000℃,保温2h石墨化,得到高层间距人造石墨材料。
对比例:市售高层间距石墨材料。
对实施例1、实施例2和对比例制作的材料进行检测,结果如下表所示:
从上表可以看出,本发明方法制备的高层间距人造石墨材料,具有以下特征:材料为层状结构,层间距为0.34~0.38nm,制成15μm微粉后,其粉末电阻率为17~28 mΩ·cm,即17~28×10-5 Ω·m。
Claims (5)
1.一种高层间距人造石墨材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(Ⅰ)将沥青与生物质焦油按照10:1~3的比例固相混合均匀,在惰性气氛、机械搅拌、温度350~550℃、压强1~20atm条件下进行缩聚、交联,得到交联中间相沥青;
(Ⅱ)将交联中间相沥青在惰性气氛下、600℃低温下处理3~5h,自然降温至室温,再采用多轮磨对所得生焦进行解聚;
(Ⅲ)将解聚后的生焦在惰性气氛下升温至2400~3200℃,保温1~2h石墨化,得到高层间距人造石墨材料。
2.如权利要求1所述的一种高层间距人造石墨材料的制备方法,其特征在于:在步骤(Ⅰ)中,所述沥青为软化点为90℃、D50=3.4μm的石油沥青,所述生物质焦油的芳香烃占比21%,酚类占比45%,所述沥青与所述生物质焦油的质量比为10:2。
3.如权利要求1所述的一种高层间距人造石墨材料的制备方法,其特征在于:在步骤(Ⅰ)中,所述沥青为软化点为130℃、D50=4.1μm的煤沥青,所述生物质焦油的芳香烃占比32%,酚类占比40%,所述沥青与所述生物质焦油的质量比为10:3。
4.如权利要求1所述的一种高层间距人造石墨材料的制备方法,其特征在于:所述惰性气氛,为氮气、或氩气、或氮气与氩气的混合气体。
5.如权利要求1所述的一种高层间距人造石墨材料的制备方法,其特征在于:在步骤(Ⅰ)中,所述机械搅拌速度为300rpm。
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