專利名稱：一種粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料的制備方法，屬于炭基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
泡沫炭材料是一種具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型多孔材料，由于其密度低、耐溫度高、熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率分布范圍廣等特點(diǎn)，在熱控材料、高溫隔熱和航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。酚醛樹(shù)脂因其在熱解后 具有殘?zhí)悸矢叩奶攸c(diǎn)，成為熱解制備泡沫炭材料較為理想的炭前驅(qū)體物質(zhì)，但是，以此制得的泡沫炭材料力學(xué)性能低，這使其應(yīng)用范圍受到很大限制。研究者嘗試通過(guò)向泡沫炭中引入不同類(lèi)型添加劑以提高其力學(xué)性能。羅瑞盈等通過(guò)向液態(tài)甲階酚醛樹(shù)脂中添加短切碳纖維制備出具有較高力學(xué)性能炭泡沫預(yù)制體增強(qiáng)炭基復(fù)合材料，專利公開(kāi)號(hào)為CN101671192。但是，作為隔熱材料使用時(shí)，我們希望泡沫炭材料的力學(xué)性能得到提升的同時(shí)熱導(dǎo)率要降低。粉煤灰是工業(yè)固體廢棄物的一種，又稱為飛灰，是煤炭在燃煤鍋爐中燃燒所殘留的固體廢物，粉煤灰的化學(xué)成分與粘土類(lèi)似主要為Si02、Al203。該物質(zhì)經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后強(qiáng)度和耐火度均很高，并且當(dāng)燒結(jié)達(dá)到一定溫度后會(huì)發(fā)生炭熱還原等化學(xué)反應(yīng)生成如莫來(lái)石等新的物相。由于莫來(lái)石在高溫下具有較高的強(qiáng)度和隔熱性能，因此，本發(fā)明考慮向泡沫炭中添加一定量的粉煤灰作為增強(qiáng)體有望提高泡沫炭材料的強(qiáng)度，同時(shí)降低其熱導(dǎo)率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料及制備方法，具體是一種成本低、強(qiáng)度高的以熱固性酚醛樹(shù)脂為前軀體，粉煤灰為添加劑的炭基復(fù)合材料的制備方法。其中制備酚醛泡沫所用的該樹(shù)脂是液態(tài)的熱固性酚醛樹(shù)脂。其中制備酚醛泡沫所用的該表明活性劑是吐溫-80。其中制備酚醛泡沫所用的該發(fā)泡劑是碳酸氫鈉。其中制備酚醛泡沫所用的該固化劑是對(duì)甲苯磺酸。其中制備酚醛泡沫所用的添加劑是粉煤灰，粒徑在20 30 μ m。本發(fā)明一種粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料及制備方法，其優(yōu)點(diǎn)及功效在于該材料密度低、熱導(dǎo)率低、強(qiáng)度高和成本低。


圖I粉煤灰含量為6wt %的泡沫炭材料在低放大倍數(shù)下的SEM照片圖2粉煤灰含量為6wt %的泡沫炭材料在高放大倍數(shù)下的SEM照片圖3粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料XRD圖譜圖4粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料應(yīng)力應(yīng)變曲線圖5粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料密度、壓縮強(qiáng)度和壓縮模量的隨粉煤灰含量的變化關(guān)系曲線
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明的特點(diǎn)做進(jìn)一步描述，但并非僅僅局限于下述實(shí)施例。實(shí)施例一:首先將粉煤灰放入振動(dòng)磨中研磨15 20s，然后放入球磨機(jī)中球磨I 2h，處理后粉煤灰的粒徑小于200目。將粉煤灰添加到酚醛樹(shù)脂中，添加比例為酚醛樹(shù)脂質(zhì)量的3wt%，利用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，為了避免顆粒的聚集，粉煤灰的加入采用少量多次的方法，然后依次加入碳酸氫鈉、吐溫-80和對(duì)甲苯磺酸，三者的添加比例分別為酚醛樹(shù)脂質(zhì)量的7wt%, 5wt%和25wt%,攪拌3 5min,將混合物放入烘箱中在80°C下干燥30min,發(fā)泡，制得粉煤灰增強(qiáng)酚醛泡沫。對(duì)粉煤灰增強(qiáng)酚醛泡沫進(jìn)行炭化預(yù)處理，具體如下將樣品在氮?dú)鉅t中500°C燒結(jié)3h，然后，將樣品在900°C下再燒結(jié)3h，取出。將炭化預(yù)處理后的樣品放 入氮?dú)鉅t中，在1200°C下4h燒成，為了減少樣品在熱膨脹過(guò)程中由于粉煤灰與酚醛樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)不同引起的裂紋、驟縮及破裂要求升溫速率為O. 5°C /min，然后進(jìn)行自然冷卻，得到粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭樣品。其中制備酚醛泡沫所用的該樹(shù)脂是液態(tài)的熱固性酚醛樹(shù)脂。其中制備酚醛泡沫所用的該表明活性劑是吐溫-80，其中制備酚醛泡沫所用的該發(fā)泡劑是碳酸氫鈉，其中制備酚醛泡沫所用的該固化劑是對(duì)甲苯磺酸，其中制備酚醛泡沫所用的添加劑是粉煤灰，粒徑在20 30 μ m。對(duì)這種粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料進(jìn)行性能測(cè)試材料的密度為O. 0554g cm_3，壓縮強(qiáng)度為I. OOMPa，彈性模量為4. 13MPa。實(shí)施例二 :首先將粉煤灰放入振動(dòng)磨中研磨15 20s，然后放入球磨機(jī)中球磨I 2h，處理后粉煤灰的粒徑小于200目。將粉煤灰添加到酚醛樹(shù)脂中，添加比例為酚醛樹(shù)脂質(zhì)量的6wt%，利用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，為了避免顆粒的聚集，粉煤灰的加入采用少量多次的方法，然后依次加入碳酸氫鈉、吐溫-80和對(duì)甲苯磺酸，三者的添加比例分別為酚醛樹(shù)脂質(zhì)量的7wt%, 5wt%和25wt%,攪拌3 5min,將混合物放入烘箱中在80°C下干燥30min,發(fā)泡，制得粉煤灰增強(qiáng)酚醛泡沫。對(duì)粉煤灰增強(qiáng)酚醛泡沫進(jìn)行炭化預(yù)處理，具體如下將樣品在氮?dú)鉅t中500°C燒結(jié)3h，然后，將樣品在900°C下再燒結(jié)3h，取出。將炭化預(yù)處理后的樣品放入氮?dú)鉅t中，在1200°C下4h燒成，為了減少樣品在熱膨脹過(guò)程中由于粉煤灰與酚醛樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)不同引起的裂紋、驟縮及破裂要求升溫速率為O. 5°C /min，然后進(jìn)行自然冷卻，得到粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭樣品。其中制備酚醛泡沫所用的該樹(shù)脂是液態(tài)的熱固性酚醛樹(shù)脂。其中制備酚醛泡沫所用的該表明活性劑是吐溫-80，其中制備酚醛泡沫所用的該發(fā)泡劑是碳酸氫鈉，其中制備酚醛泡沫所用的該固化劑是對(duì)甲苯磺酸，其中制備酚醛泡沫所用的添加劑是粉煤灰，粒徑在20 30 μ m。對(duì)這種粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料進(jìn)行性能測(cè)試材料的密度為O. 1139g cm—3，壓縮強(qiáng)度為2. 88MPa，彈性模量為14. 78MPa。實(shí)施例三:首先將粉煤灰放入振動(dòng)磨中研磨15 20s，然后放入球磨機(jī)中球磨I 2h，處理后粉煤灰的粒徑小于200目。將粉煤灰添加到酚醛樹(shù)脂中，添加比例為酚醛樹(shù)脂質(zhì)量的9wt%，利用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，為了避免顆粒的聚集，粉煤灰的加入采用少量多次的方法，然后依次加入碳酸氫鈉、吐溫-80和對(duì)甲苯磺酸，三者的添加比例分別為酚醛樹(shù)脂質(zhì)量的7wt%, 5wt%和25wt%,攪拌3 5min,將混合物放入烘箱中在80°C下干燥30min,發(fā)泡，制得粉煤灰增強(qiáng)酚醛泡沫。對(duì)粉煤灰增強(qiáng)酚醛泡沫進(jìn)行炭化預(yù)處理，具體如下將樣品在氮?dú)鉅t中500°C燒結(jié)3h，然后，將樣品在900°C下再燒結(jié)3h，取出。將炭化預(yù)處理后的樣品放入氮?dú)鉅t中，在1200°C下4h燒成，為了減少樣品在熱膨脹過(guò)程中由于粉煤灰與酚醛樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)不同引起的裂紋、驟縮及破裂要求升溫速率為O. 5°C /min，然后進(jìn)行自然冷卻，得到粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭樣品。其中制備酚醛泡沫所用的該樹(shù)脂是液態(tài)的熱固性酚醛樹(shù)脂。其中制備酚醛泡沫所用的該表明活性劑是吐溫-80，其中制備酚醛泡沫所用的該發(fā)泡劑是碳酸氫鈉，其中制備酚醛泡沫所用的該固化劑是對(duì)甲苯磺酸，其中制備酚醛泡沫所用的添加劑是粉煤灰，粒徑在20 30 μ m。對(duì)這種粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料進(jìn)行性能測(cè)試材料的密度為O. 1427g cnT3，壓縮強(qiáng)度為I. 90MPa，彈性模量為5. 36MPa。實(shí)施例四 首先將粉煤灰放入振動(dòng)磨中研磨15 20s，然后放入球磨機(jī)中球磨I 2h，處理后粉煤灰的粒徑小于200目。將粉煤灰添加到酚醛樹(shù)脂中，添加比例為酚醛樹(shù)脂質(zhì)量的12wt %，利用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，為了避免顆粒的聚集，粉煤灰的加入采用少量多次的方法，然后依次加入碳酸氫鈉、吐溫-80和對(duì)甲苯磺酸，三者的添加比例分別為酚醛樹(shù)脂質(zhì)量的7wt%, 5wt%和25wt%,攪拌3 5min,將混合物放入烘箱中在80°C下干燥30min,發(fā)泡，制得粉煤灰增強(qiáng)酚醛泡沫。對(duì)粉煤灰增強(qiáng)酚醛泡沫進(jìn)行炭化預(yù)處理，具體如下將樣品在氮?dú)鉅t中500°C燒結(jié)3h，然后，將樣品在900°C下再燒結(jié)3h，取出。將炭化預(yù)處理后的樣品放入氮?dú)鉅t中，在1200°C下4h燒成，為了減少樣品在熱膨脹過(guò)程中由于粉煤灰與酚醛樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)不同引起的裂紋、驟縮及破裂要求升溫速率為O. 5°C /min，然后進(jìn)行自然冷卻，得到粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭樣品。其中制備酚醛泡沫所用的該樹(shù)脂是液態(tài)的熱固性酚醛樹(shù)脂。其中制備酚醛泡沫所用的該表明活性劑是吐溫-80，其中制備酚醛泡沫所用的該發(fā)泡劑是碳酸氫鈉，其中制備酚醛泡沫所用的該固化劑是對(duì)甲苯磺酸，其中制備酚醛泡沫所用的添加劑是粉煤灰，粒徑在20 30 μ m。對(duì)這種粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料進(jìn)行性能測(cè)試材料的密度為O. 2012g cm_3，壓縮強(qiáng)度為O. 67MPa，彈性模量為3. 07MPa。
權(quán)利要求
1.一種粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料及其制備方法，其特征在于該方法包括如下幾個(gè)步驟 (1)粉煤灰的預(yù)處理 首先，將粉煤灰放入振動(dòng)磨中研磨15 20s，然后放入球磨機(jī)中球磨I 2h，處理后粉煤灰的粒徑小于200目。
(2)粉煤灰增強(qiáng)酚醛泡沫的制備 將粉煤灰添加到酚醛樹(shù)脂中，添加比例為酚醛樹(shù)脂質(zhì)量的3 12wt%，利用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，為了避免顆粒的聚集，粉煤灰的加入采用少量多次的方法，然后依次加入碳酸氫鈉、吐溫-80和對(duì)甲苯磺酸，三者的添加比例分別為酚醛樹(shù)脂質(zhì)量的7wt %，5wt %和25wt %，攪拌3 5min，將混合物放入烘箱中在80°C下干燥30min，發(fā)泡，制得粉煤灰增強(qiáng)酚醛泡沫。
(3)炭化熱處理 首先，對(duì)粉煤灰增強(qiáng)酚醛泡沫進(jìn)行炭化預(yù)處理，具體如下將樣品在氮?dú)鉅t中500°C燒結(jié)3h，然后，將樣品在900°C下再燒結(jié)3h，取出。將炭化預(yù)處理后的樣品放入氮?dú)鉅t中，在1200°C下4h燒成，為了減少樣品在熱膨脹過(guò)程中由于粉煤灰與酚醛樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)不同引起的裂紋、驟縮及破裂要求升溫速率為O. 5°C /min，然后進(jìn)行自然冷卻，得到粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭樣品。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料及其制備方法，其特征在于制備酚醛泡沫所用的該樹(shù)脂是液態(tài)的熱固性酚醛樹(shù)脂。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料及其制備方法，其特征在于制備酚醛泡沫所用的該表明活性劑是吐溫-80。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料及其制備方法，其特征在于制備酚醛泡沫所用的該發(fā)泡劑是碳酸氫鈉。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料及其制備方法，其特征在于制備酚泡沫所用的該固化劑是對(duì)甲苯磺酸。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料及其制備方法，其特征在于制備酚醛泡沫所用的添加劑是粉煤灰，粒徑在20 30 μ m。
全文摘要
本發(fā)明系一種粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭材料及制備方法，具體包括如下幾個(gè)步驟(1)將粉煤灰放入振動(dòng)磨中研磨，然后放入球磨機(jī)中球磨，處理后粉煤灰的粒徑小于200目。(2)將步驟(1)處理后的粉煤灰添加到酚醛樹(shù)脂中，磁力攪拌，然后依次加入碳酸氫鈉、吐溫-80和對(duì)甲苯磺酸，攪拌，將混合物放入烘箱中在80℃下干燥30min，發(fā)泡，制得粉煤灰增強(qiáng)酚醛泡沫。(3)對(duì)步驟(2)得到的粉煤灰增強(qiáng)酚醛泡沫進(jìn)行炭化預(yù)處理，具體如下將樣品在氮?dú)鉅t中500℃燒結(jié)3h，然后，將樣品在900℃下再燒結(jié)3h，取出，再在1200℃下4h燒成，升溫速率為0.5℃/min，自然冷卻，得到粉煤灰增強(qiáng)泡沫炭樣品。該材料具有密度低、熱導(dǎo)率低、強(qiáng)度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C04B32/00GK102898118SQ201210411928
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者吳小文, 羅炳程 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)