一种纤维增强酚醛树脂基碳泡沫及其制备方法

本发明涉及碳泡沫制备，尤其涉及一种纤维增强酚醛树脂基碳泡沫及其制备方法。

背景技术：

1、本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、碳泡沫材料是一类以碳素为基础的多孔材料，具有轻质、高强度、高导热、耐高温和耐化学腐蚀等特性，适用于各种工业和科学应用。尽管碳泡沫材料具有许多优点，但也存在一些局限性和不足之处，其中最为显著的两个问题是制备成本高和产品强度与韧性不足。碳泡沫材料的韧性不足主要表现在其脆性和易碎性方面，这与其多孔结构和碳素组成有关。碳泡沫材料通常具有高度多孔的结构，这种多孔性质可能导致材料在承受外力时容易发生断裂或破碎。孔隙结构可能成为应力集中点，导致材料抗拉伸、抗弯曲等方面的韧性降低。此外，碳素是碳泡沫材料的主要组成部分，而碳素材料在某些情况下可能表现出较高的脆性，尤其是在受到突然的、较大的冲击或应力时，碳素材料可能会更容易发生断裂。

3、专利cn 113264771 b(授权公告日：2022.07.08)公开了一种快速制备高强度碳泡沫的方法，其以酚醛树脂作为前驱体、石英粉作为模板剂、hf作为刻蚀剂、苯磺酸作为固化剂，制备得到了具有较高压缩强度的碳泡沫。然而，该专利采用hf作为刻蚀剂的方法制备碳泡沫，hf对皮肤、眼睛和呼吸道有强烈的腐蚀作用，接触皮肤可能导致严重的化学灼伤，而吸入或飞溅到眼睛可能引起眼睛刺激和损伤。由于刻蚀过程持续的时间较长，hf可能会发生挥发，释放出有毒气体，对操作者的呼吸系统构成危险，废弃的刻蚀剂可能对环境造成污染，对水体和土壤产生负面影响。另外，此专利制备出的碳泡沫只具备较高压缩强度，关于其韧性大小并没有提及。

4、因此，如何提供一种同时具备高韧性和高强度且制备过程安全隐患较低的碳泡沫是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种纤维增强酚醛树脂基碳泡沫及其制备方法，相较于市面上的其他碳泡沫材料，本发明制备的碳泡沫不仅具有较高的压缩性能，还具备较高的抗拉强度。

2、第一方面，本发明提供了一种纤维增强酚醛树脂基碳泡沫的制备方法，包括如下步骤：

3、将热固性酚醛树脂与嵌段共聚物溶液搅拌混合得到混合液，向混合液中加入硼酸浸泡处理后的生物质纤维材料，超声混合均匀，得到前驱体溶液；将前驱体溶液转移到模具中，向其中加入表面活性剂、发泡剂和固化剂，然后梯度升温碳化，冷却至室温，即得。

4、优选的，所述热固性酚醛树脂的酚醛比为1:2～4；在热固性酚醛树脂与嵌段共聚物溶液搅拌混合前，还包括对所述热固性酚醛树脂在50～70℃下烘干预处理1～5h的步骤。

5、优选的，所述嵌段共聚物包括f127、p123中的一种或多种。

6、优选的，所述嵌段共聚物溶液的浓度为0.1～0.5wt％。

7、优选的，所述搅拌混合的搅拌转速为800～1200r/min，搅拌时间为0.5～2h。

8、优选的，所述热固性酚醛树脂、嵌段共聚物溶液、生物质纤维材料、表面活性剂、发泡剂和固化剂的用量比为2000～2500ml：800～1000ml：10～20g：100～300ml：80～150ml：20～60g。

9、优选的，所述生物质纤维材料包括羟乙基纤维素纤维、丝素蛋白纤维、木质纤维或竹浆纤维中的一种或多种。

10、优选的，所述硼酸浸泡处理时间为10～30h；所述硼酸的浓度为70～90wt％。

11、优选的，所述超声混合均匀中的超声处理时间为20～60min。

12、优选的，所述表面活性剂为吐温80、硅酮多元醇共聚物或脂肪醇类聚氧乙烯醚，所述发泡剂为正戊烷、乙醚或石油醚；所述固化剂为苯磺酸、硝基苯胺、乙酰胺或乙二胺。

13、优选的，所述梯度升温碳化步骤具体为：升温至350-400℃恒温反应20-30min，再升温至800-850℃恒温反应20-30min，最后升温至1000-1100℃反应50～70min，降温至室温；升温速率为1～8℃/min。

14、第二方面，本发明提供了上述制备方法制备得到的纤维增强酚醛树脂基碳泡沫。

15、与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

16、(1)本发明在制备过程中工艺路线简单，极大地缩短了现有技术的制备周期；

17、(2)本发明制备得到的碳泡沫冲击强度高于1.3mpa，压缩强度高于135mpa，具有良好的力学性能；

18、(3)本发明制备碳泡沫的过程中，不会产生对身体危害较大的副产品，相较于国内制备碳泡沫的工艺流程，本发明制备过程的安全隐患较低，危险系数较低。

技术特征：

1.一种纤维增强酚醛树脂基碳泡沫的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述嵌段共聚物包括f127、p123中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述嵌段共聚物溶液的浓度为0.1～0.5wt％。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述热固性酚醛树脂、嵌段共聚物溶液、生物质纤维材料、表面活性剂、发泡剂和固化剂的用量比为2000～2500ml：800～1000ml：10～20g：100～300ml：80～150ml：20～60g。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌混合的搅拌转速为800～1200r/min，搅拌时间为0.5～2h。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述生物质纤维材料包括羟乙基纤维素纤维、丝素蛋白纤维、木质纤维或竹浆纤维中的一种或多种。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硼酸浸泡处理时间为10～30h；所述硼酸的浓度为70～90wt％；所述超声混合均匀中的超声处理时间为20～60min。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂为吐温80、硅酮多元醇共聚物或脂肪醇类聚氧乙烯醚，所述发泡剂为正戊烷、乙醚或石油醚；所述固化剂为苯磺酸、硝基苯胺、乙酰胺或乙二胺。

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述梯度升温碳化步骤具体为：升温至350-400℃恒温反应20-30min，再升温至800-850℃恒温反应20-30min，最后升温至1000-1100℃反应50～70min，降温至室温；升温速率为1～8℃/min。

10.如权利要求1～9任一项所述的制备方法制备得到的纤维增强酚醛树脂基碳泡沫。

技术总结本发明公开了一种纤维增强酚醛树脂基碳泡沫及其制备方法，属于碳泡沫制备技术领域。本发明的制备方法包括如下步骤：将热固性酚醛树脂与嵌段共聚物溶液搅拌混合得到混合液，向混合液中加入硼酸浸泡处理后的生物质纤维材料，超声混合均匀，得到前驱体溶液；将前驱体溶液转移到模具中，向其中加入表面活性剂、发泡剂和固化剂，然后梯度升温碳化，冷却至室温，即得。通过本发明的制备方法得到的碳泡沫冲击强度和拉伸强度较高，具有良好的力学性能，且制备过程安全隐患较低。技术研发人员：张晶,张旭,伊希斌,刘思佳,刘晓婵,沈晓冬受保护的技术使用者：山东省科学院新材料研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/27