CN110258123B - 一种混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡及其制备方法和应用，属于储氢用混杂复合材料技术领域。本发明提供的混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡，包括：活性碳纤维毡基体；复合在所述活性碳纤维毡基体上的树脂基多孔碳涂层；以及，掺杂在所述树脂基多孔碳涂层中的中空玻璃微球。本发明制备得到的混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡储氢容量控制在10‑45％范围内。本发明提供的混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡将多种储氢方式进行有机结合，有效提高储氢装置的可循环利用和降低成本并提高储氢效率，因此具有良好的实际应用之价值。
Description
技术领域
本发明属于储氢用混杂复合材料技术领域，具体涉及一种混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡及其制备方法和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
在众多的新型能源中，氢能源由于具有资源丰富、无污染、可再生、能量密度高等优点，被认为是理想的能源。近年来，随着石油燃料短缺、环境要求严峻以及可持续发展的压力，氢能源的开发和利用显得日益重要，出于节能与环保的考虑，全球各个领域均在加大氢能源有效储存和应用的开发力度。有效的进行氢能源的储存，成为关键的科学问题。
目前，文献报道的储氢技术很多，主要有：加压气态储氢、络合物储氢、玻璃微球储氢、碳质材料储氢等等。对比不同储氢方式的优缺点，同时考虑工业化实际应用和成本降低要求，目前玻璃微球储氢技术的储氢量大、价格相对便宜，而碳质材料储氢的运输方便，储氢量相对较大。而目前为了提高储氢装置的可循环利用和降低成本并提高储氢效率，尝试进行多种储氢方法的联合运用是发展的新思路。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡及其制备方法和应用，本发明的混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡将多种储氢方式进行有机结合，有效提高储氢装置的可循环利用和降低成本并提高储氢效率，同时制备方法简单，因此具有良好的实际应用之价值。
本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明的第一个方面，提供一种混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡，包括：
活性碳纤维毡基体；
复合在所述活性碳纤维毡基体上的树脂基多孔碳涂层；以及，
掺杂在所述树脂基多孔碳涂层中的中空玻璃微球。
优选的，所述活性碳纤维毡基体表面孔径控制在不大于0.7nm，进一步优选控制在不大于0.55nm，更进一步优选控制在不大于0.45nm；
所述树脂基多孔碳涂层厚度为0.1-10mm；
所述中空玻璃微球粒度控制在10-250μm范围内，中空玻璃微球的壁厚在1-2μm范围内，其洛氏硬度在44-60HRC范围内，抗压强度在1.6-125MPa范围内；
所述混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡储氢容量不小于10％，进一步优选为10％-45％。
本发明的第二个方面，所述混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡按照以下方法进行制备：
S1、以高性能预氧化碳纤维毡为原料，同步进行碳化和活化处理，制备具有孔隙结构适宜于储氢应用的活性碳纤维毡状结构体；
S2、将混有玻璃微球粉体的有机树脂浸渍剂浸渍步骤S1制得的活性碳纤维毡状结构体；
S3、对步骤S2制得产物进行高温碳化处理。
本发明的第三个方面，上述混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡在制备储氢材料中的应用也在本发明的保护范围之内。
本发明有益效果：本发明提供一种混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡及其制备方法和应用，本发明首先制备具有孔隙结构适宜于储氢应用的活性碳纤维毡状结构；之后采用含有中空玻璃微球的浸渍剂对活性碳纤维毡进行浸渍复合并经过碳化复合处理；通过控制掺杂中空玻璃微球的比例，调节最终活性碳纤维毡单丝纤维内部的玻璃微球覆盖掺杂比例，从而形成一种中空玻璃微球、多孔树脂碳与活性碳纤维毡单丝多孔结构的混杂储氢吸附结构，最终制备得到的混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡储氢容量控制在10-45％范围内。
本发明将两种储氢方式进行有机结合，有效提高储氢装置的可循环利用和降低成本并提高储氢效率，因此具有良好的实际应用之价值。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。图1是本发明实施例1中的混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳毡结构示意图，其中1为活性碳纤维内部单丝结构，在单丝结构表面附着多孔树脂碳2和中空玻璃微球3。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
如前所述，为了提高储氢装置的可循环利用和降低成本并提高储氢效率，尝试进行多种储氢方法的联合运用是发展的新思路。
有鉴于此，本发明的一个具体实施方式中，提供一种混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡，包括：
活性碳纤维毡基体；
复合在所述活性碳纤维毡基体上的树脂基多孔碳涂层；以及，
掺杂在所述树脂基多孔碳涂层中的中空玻璃微球。
本发明的又一具体实施方式中，所述活性碳纤维毡基体表面孔径控制在不大于0.7nm，进一步优选控制在不大于0.55nm，更进一步优选控制在不大于0.45nm；
本发明的又一具体实施方式中，所述树脂基多孔碳涂层厚度为0.1-10mm；
本发明的又一具体实施方式中，所述中空玻璃微球粒度控制在10-250μm范围内，中空玻璃微球的壁厚在1-2μm范围内，其洛氏硬度在44-60HRC范围内，抗压强度在1.6-125MPa范围内；
本发明的又一具体实施方式中，所述混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡储氢容量不小于10％，进一步优选为10％-45％。
在本申请的某些实施例中，所述混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡按照以下方法进行制备：
S1、以高性能预氧化碳纤维毡为原料，同步进行碳化和活化处理，制备具有孔隙结构适宜于储氢应用的活性碳纤维毡状结构体；
S2、将混有玻璃微球粉体的有机树脂浸渍剂浸渍步骤S1制得的活性碳纤维毡状结构体；
S3、对步骤S2制得产物进行高温碳化处理。
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S1中，
高性能预氧化纤维毡可选用PAN基预氧化纤维毡体，预氧化毡内部的单丝纤维的抗拉强度在300MPa以上，抗拉模量在1.5GPa以上，纤维体密度在1.4g/cm3以上，纤维含碳量不低于60％；
所述碳化和活化处理具体方法包括：通入高纯度氮气，其纯度在99.99999％以上，通入压力不低于0.2Mpa进行保护处理；加热碳化升温速率控制在2-20℃/min范围内，碳化温度控制在1300-1500℃范围内，在碳化温度下通入水蒸气的速率控制在2-15g/min，活化时间控制在15-50min，活化处理完成后，在氮气保护下的冷却温度控制在150-200℃范围内。
最终得到的碳毡纤维的表面孔径控制在0.6-0.7nm范围内。
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S2中，
所述中空玻璃微球主成分为硼酸盐原料，粒度控制在10-250μm范围内，玻璃微球的壁厚为1-2μm范围，其洛氏硬度在44-60HRC范围内，抗压强度在1.6-125MPa范围内。
所述有机树脂浸渍剂中选用的有机树脂为环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、石油沥青或煤沥青中的任意一种，上述有机树脂浸渍剂具备高温裂解碳化的高残炭率量特性，残炭率控制在70％以上。
所述的含中空玻璃微球粉体以超声物理分散的方式混合到有机树脂浸渍剂中，一般的，所述有机树脂浸渍剂中还含有稀释剂，所用的稀释剂为有机溶剂，如丙酮、无水乙醇等，有机树脂的稀释后的固含量控制在30-50％范围内，而中空玻璃微球最终所占有机树脂浸渍剂的重量比控制在15-30％范围内。
所述的混有玻璃微球粉体的有机浸渍稀释剂浸渍活性碳纤维毡状结构体，采用液相浸渍的吸附方式进行。
具体的，首先将活性碳纤维毡状结构体采用100-120℃温度进行烘干处理，处理时间控制在30-60min，之后采用上述配置的混有玻璃微球粉体的有机浸渍稀释剂对活性碳毡进行浸渍，浸渍时间根据活性碳毡的体积以及最终树脂基多孔碳涂层厚度进行灵活调整。
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S3中，
碳化时间根据浸渍剂的吸附量进行灵活调整，碳化温度控制在900-1500℃范围内灵活调整，碳化过程中向活性碳毡碳化装置中通入上述高纯度氮气进行保护处理。
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S3还包括在对步骤S2制得产物进行高温碳化处理前先对其进行干燥处理，干燥温度控制在50-70℃范围内，干燥时间以最终样品减至恒定重量为准。
本发明的又一具体实施方式中，上述混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡在制备储氢材料中的应用也在本发明的保护范围之内。
以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡，制备方法如下：
活性碳纤维毡状结构体碳化和活化处理工序：
选用抗拉强度275MPa、抗拉模量1.55GPa、体密度0.09g/cm3、含碳量63％的聚丙烯腈预氧化纤维毡，放入活化炉膛中，通入压力不低于0.22MPa的纯度99.99999％以上的高纯度氮气，同步进行碳化和活化处理，首先将碳化温度设置在1300℃，升温速率为10℃/min，之后当达到碳化温度先通入速率为5g/min的水蒸气，在经过25min的活化处理后，在氮气保护下将温度降至140℃，之后自然冷却至室温，最终得到的碳毡纤维的表面孔径控制在0.5nm范围内。
掺杂中空玻璃微球的浸渍稀释剂的配制：
采用10μm粒度、壁厚1μm、44HRC洛氏硬度、1.6MP抗压强度的硼酸盐中空玻璃微球作为掺杂剂，选用残炭率70％的浸渍剂，其中浸渍剂采用丙酮进行稀释，稀释后的浸渍稀释剂的固含量控制在30％范围，采用超声物理分散将硼酸盐中空玻璃微球分散到上述浸渍稀释剂中，最终在浸渍稀释剂中的玻璃微球的比例在15％。
浸渍复合及混杂结构碳化处理：
首先将厚度10mm、长宽尺寸200×200mm的活性碳纤维毡进行100℃温度、35min的烘干处理，将干燥后的活性碳毡采用上述浸渍稀释剂进行浸渍处理，浸渍时间为20min，将浸渍后的活性碳毡在50℃进行干燥处理，待干燥后的样品降至恒重，之后置于压力不低于0.22MPa、纯度99.99999％以上的高纯度氮气气氛中进行900℃温度的碳化处理，碳化时间为30min。最终制备出储氢容量为15％的混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡样品。
实施例2
一种混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡，制备方法如下：
活性碳纤维毡状结构体碳化和活化处理工序：
选用抗拉强度250MPa、抗拉模量1.56GPa、体密度为0.075g/m3、含碳量65％的PAN基预氧化纤维毡放入活化炉膛中，通入压力不低于0.35MPa的纯度99.99999％以上的高纯度氮气，同步进行碳化和活化处理，首先将碳化温度设置在1350℃，升温速率为15℃/min，之后当达到碳化温度先通入速率为15g/min的水蒸气，在经过30min的活化处理后，在氮气保护下将温度降至120℃，之后自然冷却至室温，最终得到碳毡纤维的表面孔径控制在0.45nm范围内。
掺杂中空玻璃微球的浸渍稀释剂的配制：
采用250μm粒度、壁厚2μm、60HRC洛氏硬度、125MP抗压强度的硼酸盐中空玻璃微球作为掺杂剂，选用残炭率85％的酚醛树脂为浸渍剂，其中浸渍剂采用无水乙醇进行稀释，稀释后的浸渍稀释剂的固含量控制在45％，采用超声物理分散将硼酸盐中空玻璃微球分散到上述浸渍稀释剂中，最终在浸渍稀释剂中的玻璃微球的比例在20％。
浸渍复合及混杂结构碳化处理：
首先将厚度12mm、长宽尺寸250×250mm的活性碳纤维毡进行120℃温度、50min的烘干处理，将干燥后的活性碳毡采用上述浸渍稀释剂进行浸渍处理，浸渍时间为25min，将浸渍后的活性碳毡在60℃进行干燥处理，待干燥后的样品降至恒重，之后置于压力不低于0.2MPa、纯度99.99999％以上的高纯度氮气气氛中进行1500℃温度的碳化处理，碳化时间为35min。最终制备出储氢容量为45％的混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡样品。
实施例3
一种混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡，制备方法如下：
活性碳纤维毡状结构体碳化和活化处理工序：
选用抗拉强度270MPa、抗拉模量1.7GPa、体密度为0.09g/m3、含碳量75％的黏胶基预氧化纤维毡放入活化炉膛中，通入压力不低于0.3MPa的纯度99.99999％以上的高纯度氮气，同步进行碳化和活化处理，首先将碳化温度设置在1300℃，升温速率为12℃/min，之后当达到碳化温度先通入速率为12g/min的水蒸气，在经过30min的活化处理后，在氮气保护下将温度降至100℃，之后自然冷却至室温，最终得到碳毡纤维的表面孔径控制在0.65nm范围内。
掺杂中空玻璃微球的浸渍稀释剂的配制：
采用150μm粒度、壁厚1.5μm、55HRC洛氏硬度、98MP抗压强度的硼酸盐中空玻璃微球作为掺杂剂，选用残炭率80％的脲醛树脂为浸渍剂，其中浸渍剂采用丙酮进行稀释，稀释后的浸渍稀释剂的固含量控制在40％范围，采用超声物理分散将硼酸盐中空玻璃微球分散到上述浸渍稀释剂中，最终在浸渍稀释剂中的玻璃微球的比例在28％。
浸渍复合及混杂结构碳化处理：
首先将厚度12mm、长宽尺寸300×300mm的活性碳纤维毡进行110℃温度、39min的烘干处理，将干燥后的活性碳毡采用上述浸渍稀释剂进行浸渍处理，浸渍时间为25min，将浸渍后的活性碳毡在60℃进行干燥处理，待干燥后的样品降至恒重，之后置于压力不低于0.28MPa、纯度99.99999％以上的高纯度氮气气氛中进行1200℃温度的碳化处理，碳化时间为35min。最终制备出储氢容量为45％的混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡样品。
实施例4
一种混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡，制备方法如下：
活性碳纤维毡状结构体碳化和活化处理工序：
选用抗拉强度265MPa、抗拉模量1.35GPa、体密度为0.065g/m3、含碳量66％的黏胶基预氧化纤维毡放入活化炉膛中，通入压力不低于0.55MPa的纯度99.99999％以上的高纯度氮气，同步进行碳化和活化处理，首先将碳化温度设置在1260℃，升温速率为9℃/min，之后当达到碳化温度先通入速率为10g/min的水蒸气，在经过35min的活化处理后，在氮气保护下将温度降至150℃，之后自然冷却至室温，最终得到碳毡纤维的表面孔径控制在0.55nm范围内。
掺杂中空玻璃微球的浸渍稀释剂的配制：
采用240μm粒度、壁厚2μm、54HRC洛氏硬度、120MP抗压强度的硼酸盐中空玻璃微球作为掺杂剂，选用残炭率90％的石油沥青为浸渍剂，其中浸渍剂采用无水乙醇进行稀释，稀释后的浸渍稀释剂的固含量控制在45％范围，采用超声物理分散将硼酸盐中空玻璃微球分散到上述浸渍稀释剂中，最终在浸渍稀释剂中的玻璃微球的比例在28％。
浸渍复合及混杂结构碳化处理：
首先将厚度10mm、长宽尺寸400×400mm的活性碳纤维毡进行110℃温度、38min的烘干处理，将干燥后的活性碳毡采用上述浸渍稀释剂进行浸渍处理，浸渍时间为30min，将浸渍后的活性碳毡在70℃进行干燥处理，待干燥后的样品降至恒重，之后置于压力不低于0.22MPa、纯度99.99999％以上的高纯度氮气气氛中进行1500℃温度的碳化处理，碳化时间为40min。最终制备出储氢容量为45％的混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡样品。
应注意的是，以上实例仅用于说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照所给出的实例对本发明进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员可根据需要对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (12)
1.混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡在制备储氢材料中的应用，其特征在于，
所述混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡包括：
活性碳纤维毡基体；
复合在所述活性碳纤维毡基体上的树脂基多孔碳涂层；以及，
掺杂在所述树脂基多孔碳涂层中的中空玻璃微球；
所述活性碳纤维毡基体表面孔径控制在不大于0.7nm；
所述树脂基多孔碳涂层厚度为0.1-10mm；
所述中空玻璃微球粒度控制在10-250μm范围内，中空玻璃微球的壁厚为1-2μm范围，洛氏硬度在44-60HRC范围内，抗压强度在1.6-125MPa范围内；
所述混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡的制备方法包括：
S1、以高性能预氧化碳纤维毡为原料，同步进行碳化和活化处理，制备具有孔隙结构适宜于储氢应用的活性碳纤维毡状结构体；
S2、将混有玻璃微球粉体的有机树脂浸渍剂浸渍步骤S1制得的活性碳纤维毡状结构体；所述有机树脂浸渍剂中选用的有机树脂为环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、石油沥青或煤沥青中的任意一种；
S3、对步骤S2制得产物进行高温碳化处理；
所述有机树脂稀释后的固含量控制在30-50%范围内；
所述中空玻璃微球最终所占有机树脂浸渍剂的重量比控制在15-30%范围内。
2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述活性碳纤维毡基体表面孔径控制在不大于0.55nm。
3.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述活性碳纤维毡基体表面孔径控制在不大于0.45nm。
4.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述混杂中空玻璃微球的储氢用活性碳纤维毡的制备方法步骤S1中，
高性能预氧化纤维毡选用PAN基预氧化纤维毡体，预氧化毡内部的单丝纤维的抗拉强度在300MPa以上，抗拉模量在1.5GPa以上，纤维体密度在1.4g/cm3以上，纤维含碳量不低于60%。
5.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述步骤S1中，
所述碳化和活化处理具体方法包括：通入高纯度氮气，其纯度在99.99999%以上，通入压力不低于0.2Mpa进行保护处理；加热碳化升温速率控制在2-20℃/min范围内，碳化温度控制在1300-1500℃范围内，在碳化温度下通入水蒸气的速率控制在2-15g/min，活化时间控制在15-50min，活化处理完成后，在氮气保护下的冷却温度控制在150-200℃范围内。
6.如权利要求1所述的应用，其特征在于，
所述中空玻璃微球主成分为硼酸盐原料，粒度控制为10-250μm，玻璃微球的壁厚为1-2μm，洛氏硬度为44-60HRC，抗压强度为1.6-125MPa；
所述有机树脂浸渍剂中选用的有机树脂为环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、石油沥青或煤沥青中的任意一种；
所述的含中空玻璃微球粉体以超声物理分散的方式混合到有机树脂浸渍剂中。
7.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述有机树脂浸渍剂中还含有稀释剂，所用的稀释剂为有机溶剂，包括但不限于丙酮、无水乙醇。
8.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述混有玻璃微球粉体的有机树脂浸渍剂浸渍活性碳纤维毡状结构体，采用液相浸渍的吸附方式进行。
9.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述步骤S2为：将活性碳纤维毡状结构体采用100-120℃温度进行烘干处理，处理时间控制在30-60min，然后采用混有玻璃微球粉体的有机树脂浸渍剂对活性碳毡进行浸渍。
10.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述步骤S3中，
碳化温度控制在900-1500℃范围内灵活调整。
11.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述步骤S3中，
碳化过程中向活性碳毡碳化装置中通入高纯度氮气进行保护处理。
12.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述步骤S3还包括在对步骤S2制得产物进行高温碳化处理前先对其进行干燥处理，干燥温度控制在50-70℃范围内，干燥时间以最终样品减至恒定重量为准。
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