本發(fā)明涉及一種炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭高溫隔熱材料的制備方法。本發(fā)明中的炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭高溫隔熱材料具有耐溫高、熱導(dǎo)率低、壓縮強度高的特點。

背景技術(shù)：

泡沫炭是一種具有交聯(lián)網(wǎng)狀韌帶結(jié)構(gòu)的剛性多孔材料，具有低密度、高導(dǎo)電性、耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)可調(diào)等一系列優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于工程材料領(lǐng)域。 1964年，美國科學(xué)家Ford首次利用熱固性樹脂制備得到一種網(wǎng)狀玻璃全泡沫炭（RVC）[Ford W. Method of making cellular refractory thermal insulating material [P].US patent 3121050.1964],這種泡沫炭為非石墨化泡沫炭，具有優(yōu)異的絕熱性能但機械強度較低。20世紀(jì)90年代，美國橡樹嶺實驗室的Klett [J.W.Klett. Pitch-based Carbon Foam and Composites [P]. US patent 6261485.2001]利用中間相瀝青為原料，通過自發(fā)泡法得到具有球形氣孔狀結(jié)構(gòu)的石墨化泡沫炭，這種泡沫炭具有熱導(dǎo)率可調(diào)的性質(zhì)，但在石墨化過程中，由于熱應(yīng)力的作用孔壁上容易出現(xiàn)開裂而形成裂痕，在一定程度上影響泡沫炭的機械性能。近年，專利CN 101955179 A 公開了一種使用生物質(zhì)焦油制備泡沫炭的方法，首先使用生物焦油合成出縮合多環(huán)芳烴樹脂，然后經(jīng)發(fā)泡、炭化制備得到具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的樹脂基泡沫炭，具有良好的熱穩(wěn)定性和隔熱性能。

氣凝膠是一類多孔隔熱材料，其骨架由納米顆粒交聯(lián)而成，孔徑在幾納米至幾十納米之間，具有很高的比表面積。氣凝膠因其獨特的納米結(jié)構(gòu)，具有極低的熱導(dǎo)率，SiO₂氣凝膠的室溫?zé)釋?dǎo)率可低至0.012W/m W。但氣凝膠的密度很低而且固相骨架在高溫下容易燒結(jié)，限制了其在高溫隔熱材料上的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭復(fù)合材料的制備方法，按下列方法制得：

第一步，按交聯(lián)劑對苯二甲醇與竹焦油按質(zhì)量比0.2-1.0，加入焦油與交聯(lián)劑總質(zhì)量5%-9%的催化劑對甲苯磺酸，在120-150℃惰性氣氛下加熱攪拌，反應(yīng)2-6h，制備得到竹焦油基縮合多環(huán)芳香烴樹脂；

第二步，將第一步制得的竹焦油基縮合多環(huán)芳香烴樹脂置于發(fā)泡容器內(nèi)發(fā)泡0.5-2h，制備得到竹焦油基樹脂泡沫；

將間苯二酚、甲醛（按摩爾比1：2），溶于去離子水中（間苯二酚與去離子水的摩爾比為0.1-0.5：1），加入催化劑碳酸鈉（間苯二酚與碳酸鈉的摩爾比為100-1000：1），攪拌均勻后制備得到RF有機溶膠；

第四步，將第三步得到的RF有機溶膠浸漬第二步得到的竹焦油基樹脂泡沫，浸漬時間為1-4h，然后在35-80℃環(huán)境中熟化12-48h，得到RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料；

第五步，將第四步得到的RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在丙酮中老化12-72h；

第六步，將第五步老化后的RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在CO₂超臨界干燥系統(tǒng)中干燥，得到RF有機氣凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料；

第七步，將第六步得到的RF有機氣凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在炭化爐中炭化，炭化爐中氣氛為氮氣，炭化溫度為600-1200℃，炭化時間為2-6h，得到炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭復(fù)合材料。

本發(fā)明方法是優(yōu)點在于泡沫炭原料為生物質(zhì)焦油，原料廣泛且價廉，發(fā)泡工藝簡便、無需發(fā)泡劑；另外，炭氣凝膠本身熱導(dǎo)率較低，它的填充可以增強復(fù)合材料的隔熱性能。此炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭復(fù)合材料具有隔熱性能優(yōu)異、機械強度高的特點。

附圖說明

圖1為炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭高溫隔熱材料的SEM照片

圖2為炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭高溫隔熱材料的熱失重曲線（空氣）。

具體實施方式

實施例1

第一步，按交聯(lián)劑對苯二甲醇與竹焦油按質(zhì)量比0.4，加入焦油與交聯(lián)劑總質(zhì)量5%的催化劑對甲苯磺酸，在130℃惰性氣氛下加熱攪拌，反應(yīng)3h，制備得到竹焦油基縮合多環(huán)芳香烴樹脂；

第二步，將第一步制得的竹焦油基縮合多環(huán)芳香烴樹脂置于發(fā)泡容器內(nèi)發(fā)泡0.5h，制備得到竹焦油基樹脂泡沫；

第三步，將3.08g間苯二酚、4.54g甲醛，溶于13mL去離子水中，加入0.0030g催化劑碳酸鈉，攪拌均勻后制備得到RF有機溶膠；

將第三步得到的竹焦油基泡沫，浸漬時間為2h，然后在40℃環(huán)境中熟化24h，得到RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料；

第五步，將第四步得到的RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在丙酮中老化24h；

第六步，將第五步老化后的RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在CO₂超臨界干燥系統(tǒng)中干燥，得到RF有機氣凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料；

第七步，將第六步得到的RF有機氣凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在炭化爐中炭化，炭化爐中氣氛為氮氣，炭化溫度為600℃，炭化時間為6h，得到炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭復(fù)合材料。

根據(jù)國標(biāo)GB8813-88，測量得到的炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為0.070W/m·K。

實施例2

第一步，按交聯(lián)劑對苯二甲醇與竹焦油按質(zhì)量比0.5，加入焦油與交聯(lián)劑總質(zhì)量6%的催化劑對甲苯磺酸，在120℃惰性氣氛下加熱攪拌，反應(yīng)4h，制備得到竹焦油基縮合多環(huán)芳香烴樹脂；

第二步，將第一步制得的竹焦油基縮合多環(huán)芳香烴樹脂置于發(fā)泡容器內(nèi)發(fā)泡1h，制備得到竹焦油基樹脂泡沫；

第三步，將3.08g間苯二酚、4.54g甲醛溶于21mL去離子水中，加入0.0037g催化劑碳酸鈉，攪拌均勻，制備得到RF有機溶膠；

第四步，將第三步得到的RF有機溶膠浸漬第二步得到的竹焦油基樹脂泡沫，浸漬時間為2.5h，然后在50℃環(huán)境中熟化30h，得到RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料；

第五步，將第四步得到的RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在丙酮中老化36h；

第六步，將第五步老化后的RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在CO₂超臨界干燥系統(tǒng)中干燥，得到RF有機氣凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料；

第七步，將第六步得到的RF有機氣凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在炭化爐中炭化，炭化爐中氣氛為氮氣，炭化溫度為700℃，炭化時間為5h，得到炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭復(fù)合材料。

根據(jù)國標(biāo)GB8813-88，測量得到的炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為0.067W/m·K。

實施例3

第一步，按交聯(lián)劑對苯二甲醇與竹焦油按質(zhì)量比0.6，加入焦油與交聯(lián)劑總質(zhì)量7%的催化劑對甲苯磺酸，在140℃惰性氣氛下加熱攪拌，反應(yīng)5h，制備得到竹焦油基縮合多環(huán)芳香烴樹脂；

第二步，將第一步制得的竹焦油基縮合多環(huán)芳香烴樹脂置于發(fā)泡容器內(nèi)發(fā)泡1.5h，制備得到竹焦油基樹脂泡沫；

第三步，將3.08g間苯二酚、4.54g甲醛溶于29mL去離子水中，加入0.0049g催化劑碳酸鈉，攪拌均勻，制備得到RF有機溶膠；

第四步，將第三步得到的RF有機溶膠浸漬第二步得到的竹焦油基樹脂泡沫，浸漬時間為3h，然后在60℃環(huán)境中熟化36h，得到RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料；

第五步，將第四步得到的RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在丙酮中老化48h；

第六步，將第五步老化后的RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在CO₂超臨界干燥系統(tǒng)中干燥，得到RF有機氣凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料；

第七步，將第六步得到的RF有機氣凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在炭化爐中炭化，炭化爐中氣氛為氮氣，炭化溫度為800℃，炭化時間為4h，得到炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭復(fù)合材料。

根據(jù)國標(biāo)GB8813-88，測量得到的炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為0.081W/m·K。

實施例4

第一步，按交聯(lián)劑對苯二甲醇與竹焦油按質(zhì)量比0.7，加入焦油與交聯(lián)劑總質(zhì)量8%的催化劑對甲苯磺酸，在150℃惰性氣氛下加熱攪拌，反應(yīng)3h，制備得到竹焦油基縮合多環(huán)芳香烴樹脂；

第二步，將第一步制得的竹焦油基縮合多環(huán)芳香烴樹脂置于發(fā)泡容器內(nèi)發(fā)泡2h，制備得到竹焦油基樹脂泡沫；

第三步，將3.08g間苯二酚、4.54g甲醛溶于11mL去離子水中，加入0.0074g催化劑碳酸鈉，攪拌均勻，制備得到RF有機溶膠；

第四步，將第三步得到的RF有機溶膠浸漬第二步得到的竹焦油基樹脂泡沫，浸漬時間為3.5h，然后在70℃環(huán)境中熟化42h，得到RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料；

第五步，將第四步得到的RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在丙酮中老化60h；

第六步，將第五步老化后的RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在CO₂超臨界干燥系統(tǒng)中干燥，得到RF有機氣凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料；

第七步，將第六步得到的RF有機氣凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在炭化爐中炭化，炭化爐中氣氛為氮氣，炭化溫度為900℃，炭化時間為3h，得到炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭復(fù)合材料。

根據(jù)國標(biāo)GB8813-88，測量得到的炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為0.083W/m·K。

實施例5

第一步，按交聯(lián)劑對苯二甲醇與竹焦油按質(zhì)量比0.8，加入焦油與交聯(lián)劑總質(zhì)量9%的催化劑對甲苯磺酸，在130℃惰性氣氛下加熱攪拌，反應(yīng)4h，制備得到竹焦油基縮合多環(huán)芳香烴樹脂；

第二步，將第一步制得的竹焦油基縮合多環(huán)芳香烴樹脂置于發(fā)泡容器內(nèi)發(fā)泡2h，制備得到竹焦油基樹脂泡沫；

第三步，將3.08g間苯二酚、4.54g甲醛溶于16mL去離子水中，加入0.0148g催化劑碳酸鈉，攪拌均勻，制備得到RF有機溶膠；

第四步，將第三步得到的RF有機溶膠浸漬第二步得到的竹焦油基樹脂泡沫，浸漬時間為4h，然后在80℃環(huán)境中熟化48h，得到RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料；

第五步，將第四步得到的RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在丙酮中老化72h；

第六步，將第五步老化后的RF有機凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在CO₂超臨界干燥系統(tǒng)中干燥，得到RF有機氣凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料；

第七步，將第六步得到的RF有機氣凝膠-竹焦油基樹脂泡沫復(fù)合材料在炭化爐中炭化，炭化爐中氣氛為氮氣，炭化溫度為1000℃，炭化時間為2h，得到炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭復(fù)合材料。

根據(jù)國標(biāo)GB8813-88，測量得到的炭氣凝膠-竹焦油基泡沫炭復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為0.064W/m·K。

以上已對本發(fā)明的較佳實施例進行了具體說明，但本發(fā)明并不限于所述實施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可作出種種的等同的變型或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。