酚醛树脂基碳泡沫的制备及其结构控制

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碳泡沫是一种以碳原子为骨架,碳原子之间相互堆积形成的多孔网络结构的轻质固态碳材料。碳泡沫以其独特的微观结构,较大的比表面积,较高的孔隙率,优良的吸附性,较低的热膨胀系数及良好的抗压性等一系列显著的物理性质,在热管理材料、电池电极、超级电容器、催化剂载体等领域中均有着广泛的应用前景。 本文以甲醛,间苯二酚为原料合成出的液态甲阶酚醛树脂作为前驱体,采用物理发泡法,并通过搅拌分散与超声分散两种手段将发泡剂分散其中,分别制得酚醛树脂泡沫,通过非超临界干燥方法除去其中的液体后,将其在1000℃条件下碳化后成功得到碳泡沫。采用SEM,BET,XRD等技术对其进行了表征。该方法得到的碳泡沫是一种多孔网络结构的轻质固态材料,孔径尺寸在50~300μm之间,密度约0.32g/cm~3左右,比表面积在500~600m~2/g之间,且具有优异的开孔结构。将其在2000℃条件下继续锻烧,样品会从无定形状态逐渐向石墨晶型转变。通过改变甲阶酚醛树脂粘度,发泡剂或者表面活性剂用量,以及发泡温度等条件可以将所得碳泡沫的平均孔径尺寸控制在150~250μm之间。 采用乳液法成功得到了表观结构与前者具有较大差异的酚醛树脂基碳泡沫,且其结构与所用固化剂种类有很大的关联。当以氢氧化钠为固化剂时,得到的是具有明显孔洞结构的碳泡沫样品;而以氨水为固化剂时,得到的是由一个个直径在1μm左右的碳球堆积而成的具有蜂窝状结构的碳泡沫样品。并探讨了稳定乳液的形成条件,固化剂用量以及搅拌速率对最终得到的碳泡沫特征的影响。得出w(间苯二酚-甲醛)/w(石蜡油)为1.0,搅拌速率为2000rpm时得到的碳泡沫具有最为优异的结构。
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