CN110482522A - 一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法 - Google Patents

一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法 Download PDF

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汪宏强
张晨
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Abstract

本发明涉及一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法，以间苯二酚和甲醛为原料，在催化剂作用下制备间苯二酚‑甲醛溶胶；将所述间苯二酚‑甲醛溶胶浇注到套筒模具中，恒温保存使间苯二酚‑甲醛溶胶凝胶化，得到成型的间苯二酚‑甲醛湿凝胶套筒；所述间苯二酚‑甲醛湿凝胶套筒进经过溶剂替换、干燥处理得到所述间苯二酚‑甲醛气凝胶套筒；将所述间苯二酚‑甲醛气凝胶套筒在保护气氛下高温碳化，经过脱模得到所述超黑碳气凝胶套筒。与现有技术相比，本发明具有制作简单、使用范围广、尺度精确可控等优点。

Description

一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法
技术领域
本发明涉及气凝胶形状加工领域，尤其是涉及一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法。
背景技术
气凝胶作为具有纳米人工微结构的特殊功能材料，具有很多优异的性能。气凝 胶在吸附催化、吸音隔音、绝缘、储能、海水淡化、药物缓释、航天航空等领域的 应用具有广泛的空间。超黑碳气凝胶是一种无害材料，可用于载药、电极材料以及 吸附材料，超黑碳气凝胶在惰性气体氛围下可耐2800℃的高温。超黑碳气凝胶最 特殊之处在于对紫外、可见和近红外波段的光均具有很高的吸收能力，使得其可以 作为一种隐身材料和遮光材料。
低密度、多微孔的超黑碳气凝胶具有最好的吸光效果，但是由于低密度超黑碳 气凝胶具有较差的力学性能，使得其在生产和实际的应用中容易断裂和掉粉，其脆 性也使得超黑碳气凝胶不容易被加工成特殊的形状。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有特殊外 观形状的超黑碳气凝胶套筒的制备方法，尤其适用于作为遮光材料。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法，包括以下步骤：
(1)以间苯二酚和甲醛为原料，在催化剂作用下制备间苯二酚-甲醛溶胶；
(2)将所述间苯二酚-甲醛溶胶浇注到套筒模具中，恒温保存使间苯二酚-甲 醛溶胶凝胶化，得到成型的间苯二酚-甲醛湿凝胶套筒；
(3)所述间苯二酚-甲醛湿凝胶套筒进经过溶剂替换、干燥处理得到所述间苯 二酚-甲醛气凝胶套筒；
(4)将所述间苯二酚-甲醛气凝胶套筒在保护气氛下高温碳化，经过脱模得到 所述超黑碳气凝胶套筒。
本发明利用特殊的模具，用溶胶凝胶技术来制作特殊形状的超黑碳气凝胶，基 本思路是利用模具的支撑作用，采用溶胶凝胶技术制作间苯二酚-甲醛气凝胶，然 后将间苯二酚-甲醛气凝胶在惰性气氛下热分解为超黑碳气凝胶，最后去除模具， 从而得到套筒形状的超黑碳气凝胶；由于模具的支撑作用，超黑碳气凝胶在制作成 型的过程中也不容易变形和损坏。
所述套筒模具的内径为0.6～2.0mm。
所述套筒模具的材质选自普通玻璃、PVC塑料、有机玻璃或石英玻璃。
所述步骤(1)具体为将间苯二酚溶于其离子水中得到间苯二酚溶液，加入碳 酸钠水溶液作为催化剂，一次搅拌使间苯二酚充分水解，加入甲醛溶液，二次搅拌 得到间苯二酚-甲醛溶胶。
间苯二酚-甲醛溶胶制备过程中各个原料组分的选择可以按照现有技术中的组分配比，本发明中所述间苯二酚和甲醛的摩尔比为1:2；所述间苯二酚和碳酸钠水 溶中碳酸钠的摩尔比为200:1。所述碳酸钠水溶液的浓度为0.01～0.10mol/L，优选 为0.05mol/L；所述甲醛溶液的体积分数为37％。
所述步骤(2)中恒温保存为在25～90℃下保存1～5天，优选为85℃下保存3 天。
所述步骤(3)中，溶剂替换采用的溶剂为无水乙醇，干燥处理的方法为采用 二氧化碳超临界干燥。
所述步骤(4)中，保护气氛为氮气，高温碳化为在400～1200℃下分解2～4小 时，优选为1000℃下分解3小时。
本发明的工艺过程中，最关键的工艺过程为步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)。 首先，间苯二酚和甲醛进行反应，生成相应的间苯二酚-甲醛湿凝胶的过程中发生 的脱水缩合反应需要稳定且适宜的温度，本发明工艺所述步骤(2)中的反应温度 是最适合间苯二酚和甲醛进行反应的；同时，优选的反应时间能够保证反应完全且 不浪费材料制备时间。其次，要想获得性能优良的超黑碳气凝胶套筒，就必须先获 得没有裂纹、形状完整的间苯二酚-甲醛气凝胶套筒，而本发明工艺所述步骤(3) 所采用的溶剂替换方法和干燥方法能够保证样品的成品率。最后，为了获得光吸收 性能优良的超黑碳气凝胶套筒，高温碳化工艺是十分重要的；本发明工艺所述步骤(4)优选的碳化温度和时间能够使间苯二酚-甲醛气凝胶完全碳化为超黑碳气凝 胶，过低的温度会使得碳化不完全，过高的温度会使得样品收缩过大。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)使用特殊的模具和溶胶凝胶技术，使得在制作过程中模具对材料有一个 很好的支撑作用，因此材料不容易弯曲，破裂损坏；
(2)利用简单的模具制作套筒型的超黑碳气凝胶，也避免了超黑碳气凝胶在 机械加工时容易损坏的问题；
(3)使用模具可以精确控制超黑碳气凝胶套筒的内径，并且可以制作较小内 径的套筒，大大扩展的本发明的加工产品的尺寸范围；相比于采用机械加工小内径 的超黑碳气凝胶套筒，机械加工操作难度很高，并且容易损坏样品，精度也不容易 控制；而本发明很好的解决了小内径产品不易加工的问题。
(4)本发明制备得到的超黑碳气凝胶套筒保持了对光的强吸收性能，可以用 于光学仪器或者其他光学领域，用于吸收杂散光；
(5)本发明的制备方法过程简单，容易控制，容易扩大、批量生产。
附图说明
图1为本发明的浇筑过程示意图；
图2为本发明制备得到的超黑碳气凝胶套筒的实物照片；
图3为本发明制备得到的超黑碳气凝胶套筒的扫描电子显微镜照片；
图4为本发明制备得到的超黑碳气凝胶套筒的透射电子显微镜照片；
图5为本发明制备得到的超黑碳气凝胶套筒的吸收光谱图；
图6为本发明制备得到的超黑碳气凝胶套筒的遮光效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。 这些都属于本发明的保护范围。
实施例1～4
一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法，包括以下步骤：将3.235g间苯二酚溶于89.06mL去离子水中，再加入2.94mL浓度为0.05mol/L的碳酸钠水溶液，充分搅 拌2小时，使得间苯二酚充分水解，最后加入4.47mL甲醛溶液并充分搅拌，得到 间苯二酚-甲醛溶胶。将所得的间苯二酚-甲醛溶胶浇注到特制的模具中，如图1所 示，置于85℃保温箱中保存3天，使间苯二酚-甲醛溶胶凝胶化，得到浇注的间苯 二酚-甲醛湿凝胶套筒。将所得湿凝胶套筒置于无水乙醇中进行充分的溶剂替换， 然后经过二氧化碳超临界干燥得到间苯二酚-甲醛气凝胶套筒。将所得的间苯二酚- 甲醛气凝胶套筒在氮气气氛的保护下，置于管式炉中，从室温加热至1000℃，并 在1000℃下充分分解3小时，得到超黑碳气凝胶，最后将模具去除，得到超黑碳 气凝胶套筒。本实施例中各原料均为市售原料，无特殊说明纯度均为分析纯等级。
实施例1～4中的套筒模具的内径依次为0.6、1.0、1.5和2.0mm，对每个内径 的超黑碳气凝胶套筒制作了两个高度的产品，分别为1cm和2cm，如图2所示。
对本实施例制备得到的超黑碳气凝胶套筒进行结构表征，图3为材料的扫描电 子显微镜照片，从图中可以看出，本发明合成的材料具有纳米尺度的多孔结构和颗 粒尺寸；图4为材料的透射电子显微镜照片，从图中可以看出，本发明合成的材料 上的颗粒尺寸只有十几纳米；将超黑碳气凝胶套筒用于遮光，对其遮光性能进行测 试，发现该遮光用超黑碳气凝胶套筒在400～800nm波段具有很低的反射率，且反 射率低于0.75％，如图5所示；并且遮光用套筒具有很好的遮光效果和角分辨能力， 并且遮光用超黑碳气凝胶套筒的内径越小，角分辨能力越强，如图6所示，图中不 同曲线表示不同内径的遮光用套筒的遮光效果。
本实施例的方法具有简单、适用范围广、尺寸精确可控等特点。首先，使用特 殊的模具和溶胶凝胶技术，使得在制作过程中模具对材料有一个很好的支撑作用， 因此材料不容易弯曲，破裂损坏。其次，利用简单的模具制作套筒型的超黑碳气凝 胶，也避免了超黑碳气凝胶在机械加工时容易损坏的问题。最后，使用模具可以精 确控制超黑碳气凝胶套筒的内径，并且可以制作较小内径的套筒。对于机械加工小 内径的超黑碳气凝胶套筒，其操作难度很高，并且容易损坏样品，精度也不容易控 制。此套筒型的超黑碳气凝胶保持了对光的强吸收性能，可以用于光学仪器或者其 他光学领域，用于吸收杂散光。
实施例5
一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法，包括以下步骤：将3.235g间苯二酚溶于89.06mL去离子水中，再加入2.94mL浓度为0.05mol/L的碳酸钠水溶液，充分搅 拌2小时，使得间苯二酚充分水解，最后加入4.47mL甲醛溶液并充分搅拌，得到 间苯二酚-甲醛溶胶。将所得的间苯二酚-甲醛溶胶浇注到特制的模具中，如图1所 示，置于25℃保温箱中保存5天，使间苯二酚-甲醛溶胶凝胶化，得到浇注的间苯 二酚-甲醛湿凝胶套筒。将所得湿凝胶套筒置于无水乙醇中进行充分的溶剂替换， 然后经过二氧化碳超临界干燥得到间苯二酚-甲醛气凝胶套筒。将所得的间苯二酚- 甲醛气凝胶套筒在氮气气氛的保护下，置于管式炉中，从室温加热至600℃，并在 600℃下充分分解4小时，得到超黑碳气凝胶，最后将模具去除，得到超黑碳气凝 胶套筒。
实施例6
一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法，包括以下步骤：将3.235g间苯二酚溶于89.06mL去离子水中，再加入2.94mL浓度为0.05mol/L的碳酸钠水溶液，充分搅 拌2小时，使得间苯二酚充分水解，最后加入4.47mL甲醛溶液并充分搅拌，得到 间苯二酚-甲醛溶胶。将所得的间苯二酚-甲醛溶胶浇注到特制的模具中，如图1所 示，置于90℃保温箱中保存1天，使间苯二酚-甲醛溶胶凝胶化，得到浇注的间苯 二酚-甲醛湿凝胶套筒。将所得湿凝胶套筒置于无水乙醇中进行充分的溶剂替换， 然后经过二氧化碳超临界干燥得到间苯二酚-甲醛气凝胶套筒。将所得的间苯二酚- 甲醛气凝胶套筒在氮气气氛的保护下，置于管式炉中，从室温加热至1200℃，并 在1200℃下充分分解2小时，得到超黑碳气凝胶，最后将模具去除，得到超黑碳 气凝胶套筒。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以间苯二酚和甲醛为原料，在催化剂作用下制备间苯二酚-甲醛溶胶；
(2)将所述间苯二酚-甲醛溶胶浇注到套筒模具中，恒温保存使间苯二酚-甲醛溶胶凝胶化，得到成型的间苯二酚-甲醛湿凝胶套筒；
(3)所述间苯二酚-甲醛湿凝胶套筒进经过溶剂替换、干燥处理得到所述间苯二酚-甲醛气凝胶套筒；
(4)将所述间苯二酚-甲醛气凝胶套筒在保护气氛下高温碳化，经过脱模得到所述超黑碳气凝胶套筒。
2.根据权利要求1所述的一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法，其特征在于，所述套筒模具的内径为0.6～2.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法，其特征在于，所述套筒模具的材质选自普通玻璃、PVC塑料、有机玻璃或石英玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为将间苯二酚溶于其离子水中得到间苯二酚溶液，加入碳酸钠水溶液作为催化剂，一次搅拌使间苯二酚充分水解，加入甲醛溶液，二次搅拌得到间苯二酚-甲醛溶胶。
5.根据权利要求1所述的一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中恒温保存为在25～90℃下保存1～5天。
6.根据权利要求5所述的一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中恒温保存为85℃下保存3天。
7.根据权利要求1所述的一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，溶剂替换采用的溶剂为无水乙醇，干燥处理的方法为采用二氧化碳超临界干燥。
8.根据权利要求1所述的一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，保护气氛为氮气，高温碳化为在600～1200℃下分解2～4小时。
9.根据权利要求8所述的一种超黑碳气凝胶套筒的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，高温碳化为1000℃下分解3小时。
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