[发明专利]一种聚丙烯腈基三维大孔碳块的制备方法

说明书

本发明提供一种聚丙烯腈基三维大孔碳块制备方法，其工艺路线是，先将聚丙烯腈完全溶解于有机溶剂中，然后经烘干、裁剪、热压和冲裁后得到发泡前驱体，再通过超临界二氧化碳间歇式发泡法制备泡孔结构可控的聚丙烯腈泡沫，最后经预氧化和碳化处理后得到聚丙烯腈基三维大孔碳块。本发明的聚丙烯腈基三维大孔碳块的制备方法简单、控制容易、环境友好、成本低，有利于实现规模化生产。所制备的聚丙烯腈基三维大孔碳块具有孔结构均匀、可控的特点，具有良好的导电性，应用前景广阔。步骤简单、操作方便、实用性强。

技术领域

本发明涉及一种多孔碳的制备方法，尤其涉及一种聚丙烯腈基三维大孔碳块的制备方法。

背景技术

多孔碳材料具有丰富的孔道结构、大比表面、低密度、优良的化学稳定性和导电性以及较低的生产成本等优点，被广泛应用于燃料电池电极材料、双电层电容器和锂离子电池电极材料、催化剂载体、电磁屏蔽材料、水源净化过滤、吸音材料等领域。孔的结构是影响多孔碳材料应用的关键因素。其中，大孔的可控制备是获得三维整体结构碳块的关键。然而，目前制备的大孔碳材料大都存在孔尺寸、孔径分布及空间排列极其不均匀，或仅表面存在一定的有序孔结构等问题，很难获得三维整体大孔结构材料，目前制备的大孔碳材料孔结构混乱和加工成本高的问题限制了三维大孔碳块的进一步研究和应用。

在众多的碳材料前驱体中，聚丙烯腈分子结构简单、碳化程度可控、碳收率高、力学性能优良、原料成本较低，占目前碳纤维市场总量的90％以上，是一种优秀的碳前驱体。但其软化温度和分解温度十分接近，且熔点高，粘度大，现有加工方法十分局限。

迄今为止，为获得结构可控的聚丙烯腈基三维大孔碳块，研究者们提出了多种不同的方法。这些方法分为模板法和无模板法两大类。模板法根据模板牺牲相的不同，又分为硬模板法和软模板法。无模板法主要包括热至相分离法和间歇式发泡法。

硬模板法能较好地复制模板的结构，但工艺路线繁琐，加工成本高且不环保，因而极大地限制了该方法的规模化应用。同时，由于聚丙烯腈粘度高，在模板中的分散性不好，难以填满块状材料的整个体积空间，尤其是模板之间的狭窄缝隙处，导致获得的多孔碳材料存在许多缺陷。因此，硬模板法难以适用于聚丙烯腈块状材料的制备。软模板法相对硬模板法工艺简单，但孔结构的可控性明显低于硬模板法。同时，粘度高的聚丙烯腈较难与牺牲相合成嵌段共聚物，且聚丙烯腈与聚合物的相分离机制目前也仍不明确。因此，无论从可控程度、生产成本还是环保角度考虑，硬模板法和软模板法均不是制备聚丙烯腈基三维大孔碳块的有效方法。

田辞关于《碳泡沫的发泡法和模板法制备及其表征》的研究公开了采用中间相沥青、聚丙烯腈、聚氯乙烯以及某些树脂为前驱体的物理发泡法。将前驱体放入模具中做成模压制品，然后将此模压制品放入高压釜中，在惰性气氛与高压下加热使沥青融化，同时不断地通入惰性气体，然后缓慢地放空，就得到了一个多孔的沥青泡沫，最后经预氧化和碳化处理得到碳泡沫。但其前驱体是以沥青为主体材料制备模压制品的，而且需要在沥青的熔融温度以上压制成型，也未涉及纯聚丙烯腈的热压工艺。由于聚丙烯腈的软化温度和分解温度十分接近，当加热至220℃以上时，即开始软化并同时分解，其熔点为317℃。因此，为保障聚丙烯腈不发生分解，其热压温度不能超过其分解温度。所以，无法通过该方法制备聚丙烯腈的模压制品。