CN1628489A - 碳泡沫的微波辅助处理 - Google Patents

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Abstract

通过利用微波和/或感应加热设备，实现对碳泡沫材料的加速加热。根据本发明的不同优选实施例，通过单独使用微波/感应加热设备或者结合更传统的基于辐射或对流的加热设备使用，获得了该微波/感应加热加速。本发明的方法可以较快并均匀地加热碳泡沫材料，特别是在例如该材料的碳化和/或石墨化处理过程中。

Description

碳泡沫的微波辅助处理
发明领域
本发明涉及碳泡沫材料的处理，即碳泡沫材料的碳化和/或石墨化，并且尤其涉及利用微波和感应加热设备以加速这种加热处理。
发明背景
碳泡沫的处理在传统上是指本领域中公知的碳化和石墨化，并且包括在大约1000℃以上的高温下对这些泡沫的处理，从而去除泡沫中残留的所有挥发性物质。这些处理通过使这些材料更加热绝缘和/或电绝缘、更加抗磨损等，能够并且通常会影响这些材料的性质。
当这些处理十分理想地控制碳泡沫的前述和类似性质时，它们往往需要包括大约数小时到数天的长期加热周期，这取决于在传统的基于辐射或对流的加热设备中进行处理的特定碳泡沫以及其进行处理的样本的物理形状和厚度。该长期处理时间在所需能量和设备利用率方面可以并且显著地影响该碳泡沫生产过程的经济情况。
虽然由于需要关注在加热周期(同样在冷却周期)中碳泡沫未受到过量应力而需要一部分加热时间，但是由于碳泡沫的固有热绝缘性质以及对流和辐射加热设备仅仅将受处理的碳泡沫的外表面暴露给热能，该热能继而必须经由该热绝缘碳泡沫传导到经受处理的形状的内部，这就需要大量时间。因此，碳泡沫的固有热绝缘性质抑制了更快地加热碳泡沫以实现碳化和/或石墨化。
因此，非常需要提供一种用于加热碳泡沫的方法，其可以加速加热周期并且因此减少获得碳泡沫的碳化和/或石墨化所需的全部处理时间。
发明目的
因此，本发明的目的是提供一种用于在诸如碳化和石墨化过程中加快碳泡沫加热速率的方法。
本发明的另一个目的是提供一种处理方法，其在这种被加速的加热期间不会对碳泡沫的物理或结构性质产生不利影响。
发明概述
根据本发明，当碳泡沫处于惰性气氛中时，通过利用微波和感应加热设备可实现对碳泡沫材料的加速加热。根据本发明的不同优选实施方案，通过单独利用微波/感应加热设备或者将其与更传统的基于辐射或对流的加热设备协同使用，可获得了这种微波/感应加热加速作用。本发明的方法和装置可以较快速地加热碳泡沫材料，特别是在诸如其碳化和/或石墨化过程中。
详细描述
2001年7月10日提交的、名为“蜂窝状煤炭产品和加工方法”(“Cellular CoalProduct and Processes”)的美国专利申请No.09/902,828描述了基于煤炭的碳泡沫的生产，该碳泡沫的密度优选在约0.1g/cm3到0.8g/cm3之间，通过在非氧化气氛中在“模”中受控加热优选高挥发性烟煤微粒来生产该碳泡沫，其中烟煤微粒的直径优选达到1/4英寸。根据特别优选实施例，起始材料煤炭的自由膨胀率为前述ASTM D720测试所确定的在约3.5到约5.0之间，优选在约3.75到4.5之间。由此生成的多孔产品/碳泡沫，优选为网状或接近网状，该多孔产品/碳泡沫可以经过机械加工、胶着和其它处理以生成多种低成本、低密度产品，或者将多孔产品/碳泡沫用于如过滤器、热绝缘体或电绝缘体等的其预制形状中。这种没有经过进一步处理和/或添加加固添加剂的碳泡沫所表现出的压缩应力达到大约4000psi(磅/平方英寸)。经过碳化或石墨化进一步处理生产出的碳泡沫，可以用作导电体或导热体。
该美国专利申请中描述的生产方法包括：1)在“模”中、在非氧化气氛下加热煤炭微粒，以约1-20℃的速率加热到约300-700℃之间的某个温度，其中煤炭微粒优选为小的，即小于约1/4英寸粒径；2)在大约300-700℃的温度下浸泡大约10分钟到12小时，从而形成预制体或成品；3)可控制地将预制体或成品冷却到低于约100℃的温度，从而生成“未焙烧泡沫”(“green foam”)。通过将惰性或非氧化气体以约0psi(即没有流动气体)到约500psi的压强引入“模”中，可以提供非氧化气氛。所使用的惰性气体可以是任何常用的惰性或非氧化气体，例如氮气、氦气、氩气、CO2等等。
生成了刚才所述的“未焙烧泡沫”之后；可以根据传统的处理方法对该“未焙烧泡沫”进行碳化和/或石墨化，从而获得特定用途所需的特定性质。
碳化有时也称作焙烧，传统上是通过这样实施的：在适当的惰性气体中加热“未焙烧泡沫”，以小于约每分钟5℃的加热速率将其加热到约800℃到约1200℃之间的某个温度，并且浸泡约1小时到约3小时或更多时间。上述的适当的惰性气体就是指能耐受这些高温的气体。惰性气氛以约0psi到几个大气压的压强提供。碳化/焙烧处理用于充分地去除“未焙烧泡沫”中存在的全部非碳挥发性元素，例如硫、氧、氢等等。
石墨化通常包括在碳化之前或之后在氦气或者氩气的气氛中加热“未焙烧泡沫”，以小于约每分钟10℃的加热速率将其加热到约1700℃到约3000℃之间的某个温度，并且浸泡小于约1小时，其中加热速率优选为约每分钟1℃到5℃。同样，惰性气体以约0psi到几个大气压的压强提供。
很明显，在约1000℃到约3000℃的温度下以1-5℃/分钟的加热速率进行碳化和石墨化会占用极长的处理时间，有时要以天来计算。这样的处理时间是内在需要的，其部分原因是由于需要避免过快加热造成的“未焙烧泡沫”的分裂，但主要原因是由于“未焙烧碳泡沫”固有的热绝缘性质，该性质阻碍了在碳泡沫团中从结构外部向其内部的热量传递。当然，根据进行处理的特定碳泡沫结构的形状、厚度等等，加热速率和总加热时间将有所不同，但是，作为常规，在传统辐射能或对流烤炉或烤箱中的加热时间过长，并且消耗了大量的能量和宝贵的设备使用时间。此外，在这些设备中进行碳泡沫的高温处理通常会导致接近结构表面的部分的不同处理，这是因为该部分比结构的“核心”或中心处的部分经历了更长时间的高温，该结构的“核心”或中心处的部分可能多个小时都没有达到碳化或石墨化所需要的温度，并且保持在该温度的时间仅为获得所需结果的最小时间。这种加热差别可以导致从碳泡沫结构外部向内部的“定向焦化”。
微波加热单元的优点在于比传统的辐射能或对流烤箱和烤炉更加节能并且加热更加均匀。微波烤箱或烤炉产生电磁波，该电磁波使微波烤箱或烤炉中容纳的物体的分子移动并旋转从而造成分子间的摩擦。这种分子之间的摩擦导致内部生成热量。然而如下面所示，这种“内部”“摩擦”加热更加迅速，同样更加均匀，这是因为整个团都被加热使得温度趋向以较均匀的速率升高。因此，被加热结构的团的外部和内部部分之间存在相对较少的不一致。而这种相对更加均匀的加热在使被加热物体的结构内产生更加均匀的性质的同时，还更少地产生热分裂的倾向，这种热分裂是由于在加热过程中碳结构不同部分获得显著不同的温度而造成的。微波室内的空气或惰性气体气氛不会加热，这是因为气体分子过于稀疏以至于不能产生很多摩擦或者吸收很多电磁能量，因此如果使用任意的辐射或对流加热则气体生热很少。
由于微波而施加到样本的热量的数量可以通过改变功率设置的百分比而改变。在用于下述研究的设备的情况下，功率设置实际上仅仅是相对于校正实际功率设定微波的加热时间。例如，如果功率设定为40％，那么微波加热40％的时间，而不是用40％的功率。具有可调整功率设定的微波烤炉/烤箱在市场上可以买到，该功率设定改变了施加到所容纳的样本上的功率，这些微波烤炉/烤箱同样有效并且可能作为对于这类系统的首选，以降低的功率级别连续而均匀地加热。
根据本发明的方法，“未焙烧泡沫”，即通过对上文所述的基于煤炭的微粒进行受控起泡而产生的材料，在美国专利申请No.09/902,828中(在此一并作为参考)更为详细地进行了描述，利用微波能量可对该材料进行碳化和/或石墨化，从而获得更快和均匀地加热，以此减少了碳泡沫热分裂的可能性，并显著地缩短了碳化和/或石墨化处理周期。
本发明的基于微波的加热方法可以单独使用或者结合更传统的基于辐射能或对流的加热设备使用，这对于技术人员来讲是显而易见的。此外，当结合由煤炭微粒制成的碳泡沫的碳化/石墨化而对此处所述的微波加热方法主要进行描述时，应当认识到这些方法同样可以用于由其他起始材料制成的碳泡沫的碳化/石墨化，这些起始材料例如石油或合成沥青(synthetic pitch)，以及对煤炭微粒和石油或合成沥青的混和物进行受控起泡而产生的碳泡沫。
因此，本发明的方法包括利用微波能量在惰性气氛中对未经过碳化或石墨化的“未焙烧泡沫”结构，即碳泡沫团，进行碳化和/或石墨化，以获得较快和均匀的加热。
根据本发明所使用的微波设备的功率容量不是特别关键，但是其应当具有足够的功率容量以在缩短的时间周期内实现对碳泡沫结构的加热。
当施加的微波功率、通电的持续时间和变更根据碳泡沫材料的不同以及根据团块的不同(即碳泡沫的厚度、密度等)而变化时，通过反复试验或者实验可以很容易地确定功率参数，并且从而功率参数可以根据前述的碳泡沫性质而大范围的变化。如以下实施例所示，已经发现进行加热时增加功率级别是有利的。同样可以通过实验很容易地确定功率增加的量。
实施例
在以下所述的所有情况中，在6英寸厚的“未焙烧泡沫”样本上钻出三个洞，然后将该样本置于1500瓦特微波烤炉中的惰性气氛下，随时间增长的功率如以下表1、2和3中所示。表中表示了在特定功率级别时的停留时间。当关闭微波时并且在所示时间处，通过将热电偶插入预先钻好的孔中，进行温度测量。在实施例1中(表1所示)，将“未焙烧泡沫”样本直接放置在微波烤炉的转盘上。在实例2中(表2所示)，将该样本放置在位于烤炉转盘之上的耐火砖上。在实例3中(表3所示)，将该样本放置在烤炉砖上并且将该样本包裹在绝缘材料中。
实施例1
表1
    时间(分钟)     温度(C)     功率(％)     电流(A)
5 66.8 10
    10     146.2     20     11
    15     166.4     30     10.8
    20     239.8     40     10.7
    25     335.3     50     10.6
    30     792     60     10.5
    35     848.7     60     10.5
实施例2
表2
    总时间(分钟)     温度(C)     单独时间(分钟)     功率(％)     电流(A)
    131     166.8     10     10     10.6
    120.8     10     10     10.6
    351.9     15     20     10.8
    360     10     20     10.8
    480     5     30     10.6
    445     5     30     10.7
    5     40     10.7
    353     5     40     10.7
    341     10     40     10.7
    450     10     50     10.5
    680     10     50     10.6
    783     10     50     10.6
    826     10     50     10.6
    3     60     10.8
    7     70
实施例3
表3
总时间(分钟)   单独时间(分钟)   功率(％)     温度(C)
    85     10     10
    10     10
    15     20
    10     20
    5     30
    5     30
    5     40
    5     40
    10     40
    10     50     800-900
这样示出了微波对于加热碳泡沫非常有效——能够在几十分钟内使样本达到1000℃。在用于这些测试的试验装置中需要使用绝缘覆盖层，这是因为需要接近样本以获得温度测量。位于样本中的热电偶位置可以从微波设备的外部接近该样本，这就消除了对于绝缘覆盖层的需求。当不在惰性气氛中时，样本(未示出)将被氧化并且在某些情况下会燃烧，因此这种惰性气氛是必要的。
这个实验表示具有可编程功率/温度控制器的受控气氛微波加热单元能够充分地减少生产焙烧/石墨化碳泡沫所需的时间、能源和成本。
同样也示出了利用微波加热而顺利加热到2600℃时完全石墨化泡沫的样本。这表明微波可以用于从1000℃焙烧温度时的部分焙烧到至少2600℃的完全石墨化的碳泡沫加热处理的范围。
尽管前述的实施例证明了微波加热在减少使微波设备中形成并继而分别进行处理的未焙烧碳泡沫碳化和/或石墨化所需的处理时间方面的有效性，但同样可以通过将该微波设备结合到前述美国专利申请No.09/902,828所述的高压锅或者“模”中，来完成这种操作，因此通过将微波加热用于完成起泡所使用的相同设备中，就可以完成石墨化和/或碳化。
此外，在某种情况下，也可以利用微波加热和对流或辐射加热的结合，从而确保完全而均匀地处理未焙烧碳泡沫。
尽管本文中所描述的本发明在上下文中很大程度上利用了微波加热，但是应当注意感应加热同样可以提供相似的结果，这是因为出于加热相同结构的目的，感应加热包括将磁能引入未焙烧碳泡沫结构中，其也是十分有效的。如同利用微波设备一样，利用感应加热设备，其应用的功率级别和持续时间将根据特定碳泡沫的密度、厚度、组成等等随着其受到的处理不同而变化，但是适当的处理参数很容易由实验确定。
如本发明所述，对于本领域技术人员显而易见的是可以有多种变化，而均不背离本发明的精神和范围。任何以及所有修改均被认为包含在所附权利要求的范围之内。

Claims (8)

1.一种用于使未焙烧碳泡沫碳化和/或石墨化的方法，包括在微波或感应加热设备中、在惰性气氛下加热未焙烧碳泡沫，加热时间为足够实现碳化和/或石墨化的处理周期。
2.根据权利要求1所述的方法，其中利用了微波加热设备。
3.根据权利要求2所述的方法，其中通过使小粒径高挥发性烟煤微粒受控起泡，来产生所述的未焙烧碳泡沫。
4.根据权利要求2所述的方法，其中通过使小粒径高挥发性烟煤微粒和石油沥青的混和物受控起泡，来产生所述的未焙烧碳泡沫。
5.根据权利要求2所述的方法，其中通过使选自合成沥青、石油沥青、高挥发性烟煤微粒和这些物质的组合和混和物的物质起泡，来产生所述的未焙烧碳泡沫。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述微波设备的功率的功率级别或者施加时间在处理周期中变化。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述的功率或功率施加时间的变化包括在处理周期中功率的增加。
8.根据权利要求2所述的方法，其中所述惰性气体选自氦气、氩气、氮气和CO2。
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