[发明专利]碳纤维增强酚醛气凝胶复合材料及其制备方法和碳纤维增强炭气凝胶复合材料

说明书

本发明公开了一种碳纤维增强酚醛气凝胶复合材料及其制备方法和碳纤维增强炭气凝胶复合材料，属于气凝胶复合材料制备领域。以碳纤维毡体作为增强体，将预先配好的工业酚醛、乙二醇、六次甲基四胺、去离子水混合溶液浸渍碳纤维毡体，加热经过相分离得到复合材料湿凝胶，经过常压干燥得到碳纤维增强酚醛气凝胶复合材料，在高温下炭化得到碳纤维增强炭气凝胶复合材料，通过添加不同含量的去离子水可以在不改变树脂和溶剂配比基础上有效调控密度。本发明制备基体气凝胶的原料为工业酚醛树脂，来源广泛且价格低廉；制备周期短，本发明中经相分离得到的湿凝胶不用经过溶剂置换，直接常压干燥即可得到碳纤维增强酚醛气凝胶复合材料。

技术领域

本发明涉及气凝胶复合材料制备技术领域，具体涉及一种碳纤维增强酚醛气凝胶复合材料及其制备方法和碳纤维增强炭气凝胶复合材料。

背景技术

气凝胶作为一种具有独特三维网络结构的纳米多孔材料，具有许多优良的性能，如极高的孔隙率、高比表面积、低密度、高隔热性能等，在吸附领域、超级电容器、分子筛、催化领域以及隔热领域有极大的应用前景。但是现阶段气凝胶在实际应用时仍面临许多问题，如制备成本较高、制备周期长、工艺复杂等，而且纯炭气凝胶本身强度低、韧性差，难以获得大尺寸。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种碳纤维增强酚醛气凝胶复合材料及其制备方法和碳纤维增强炭气凝胶复合材料，本发明中碳纤维增强体可预先制备成各种需要的形状，通过浸渍、固化得到需要的结构材料，制备的气凝胶复合材料结构可设计易成型、加工，且本发明制备方法降低了成本，缩短了制备周期，优化了制备工艺，具有广阔的应用前景。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种碳纤维增强酚醛气凝胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将工业酚醛树脂、乙二醇和六次甲基四胺按照一定比例混合，搅拌10～50min后得混合液；向混合液中加入一定量的去离子水，继续搅拌，得到前驱体溶液；

(2)将步骤(1)所得的前驱体溶液注入放有碳纤维增强体的模具中，液面没过碳纤维毡体，使其充分浸渍；

(3)将步骤(2)中装有碳纤维增强体的模具放入烘箱，经加热反应后得到碳纤维增强酚醛湿凝胶；

(4)将步骤(3)所得的碳纤维增强酚醛湿凝胶脱模后放入干燥箱中，在50～170℃条件下进行干燥，干燥时间为3～30h，干燥完成后得到所述碳纤维增强酚醛气凝胶复合材料。

所述碳纤维增强体为碳纤维针刺毡体，所述碳纤维针刺毡体为短切粘胶基碳纤维、短切聚丙烯晴基碳纤维、粘胶基碳纤维长纤维、聚丙烯晴碳纤维长纤维的一种。

上述步骤(1)所述混合液中，工业酚醛树脂、乙二醇和六次甲基四胺的重量比例为(10～100)∶(10～1000)∶(1～15)；所加入的去离水重量为所述混合液重量的1％～20％。

上述步骤(3)中，所述加热反应的温度范围为50～250℃，反应时间为5～40h。

上述步骤(3)中，模具放入烘箱后，优选的加热方式为：先在50～80℃时保温3～10h，再在85～165℃时保温10～25h，最后在170～250℃时保温2～5h；前驱体溶液发生相分离后得到碳纤维增强酚醛湿凝胶。

所制备的碳纤维增强酚醛气凝胶复合材料是由三维网状结构的酚醛气凝胶基体填充于碳纤维增强体的孔隙内形成，所述碳纤维增强酚醛气凝胶复合材料的密度范围为0.2～0.75g/cm³。

将所述碳纤维增强酚醛气凝胶复合材料置于炭化炉内，在氩气气氛中，炭化炉按照升温速度2～10℃/min升温至炭化终温600～900℃，在600～900℃保温2～5h后，即获得所述碳纤维增强炭气凝胶复合材料。