一种轻质高强多孔生物质基泡沫炭的制备方法与流程

本发明涉及泡沫炭材料领域，具体涉及一种轻质高强多孔生物质基泡沫炭的制备方法。

背景技术：

泡沫炭是一种以碳原子为骨架的多孔高分子材料，其具有耐腐蚀、耐高温、密度小、比表面积大、热导率和电导率可调等优点,可用于制备吸附材料、电极材料、储热材料、催化剂载体、绝热材料及吸波材料等。它除具有炭材料的常规性能外，泡沫炭还具有密度小、强度高、抗热震、易加工等特性和良好的导电、导热、吸波等物理和化学性能，通过与金属或非金属复合，可以获得高性能的结构材料。这些优异的性能使泡沫炭在化工、航空航天、电子等诸多技术领域极具应用潜力。泡沫炭材料的研究内容涉及新原料的选择与调变、制备工艺技术的开发和优化、产品的微观结构、材料的力学性能、热性能的揭示和调控以及最佳应用途径的拓展等各个方面。

中国专利cn108483443a公开了一种高吸附多孔生物质基泡沫炭的制备方法。该发明以改性猪皮粉末和改性柚子皮颗粒为基材，改性亚麻纤维作为促进改性剂，并辅以碳酸氢铵和磷酸铵等制备得到高吸附多孔生物质基泡沫炭，首先利用碳酸氢钠溶液对猪皮进行化学处理，再利用碱性溶液对柚子皮进行改性，增加有效的比表面积，提高生物质基泡沫炭的吸附性，利用碱溶液和硅烷偶联剂kh-550对亚麻纤维进行表面改性，改性后促使其纤维素的结晶度提高，有利于亚麻纤维的力学性能得到提高，同时提高了基材与亚麻纤维的界面强度，促进了亚麻纤维与基材的相容性，有利于生物质基泡沫炭的强度得到提高，具有广泛的应用前景。

中国专利cn108358185a公开了一种增韧高导热泡沫炭的制备方法。该发明将丝瓜络棉体浸入自制悬浮液中，得到负载聚四氟乙烯的丝瓜络棉体，向丝瓜络棉体中滴入铝熔体，将填充铝的丝瓜络棉体放入马弗炉中，得到丝状泡沫铝模板，将丝状泡沫铝模板作为阳极，石墨棒作为阴极，电解氧化得到阳极氧化铝泡沫模板，将膨胀石墨酸液、沥青、环氧树脂混合得到混合树脂，将混合树脂熔体浇注于阳极氧化铝泡沫模板上，得到泡沫炭预成型体，将泡沫炭预成型体放入管式炉中，得到增韧高导热泡沫炭，该发明通过向丝瓜络棉体中负载聚四氟乙烯提高丝瓜络作为模板的耐热性能，膨胀石墨酸液对混合树脂炭化过程有促进作用，应用前景广阔。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种轻质高强多孔生物质基泡沫炭的制备方法。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种轻质高强多孔生物质基泡沫炭的制备方法，包括以下步骤：

(1)将水葫芦洗净粉碎过80目筛干燥后加入到正己烷-丙酮混合溶液中，回流脱脂处理8-12h，抽滤后烘箱烘干加入到苯乙醇中升温至40-45℃浸渍处理2-5h再放入烘箱中烘干，用盐酸调节二氧六环-水混合溶液的ph至4.5-5.5，再将烘干后的水葫芦粉体加入，搅拌加热至50-60℃提取15-20h后过滤，加入乙醇溶液室温搅拌5-10h后过滤，滤液减压浓缩至呈粘稠状，加入稀硫酸后搅拌10-30min，5-10℃静置20-40min后析出固体，抽滤，固体烘干研磨，得到木质素粉体；

(2)将木质素粉体、甲醛、三乙胺混合搅匀后升温回流反应1-3h，自然降温至60-65℃，将苯酚、聚乙烯醇、十八醇加入，再升温至回流反应1-3h后自然降温至70-75℃，加入hmta，再升温至回流反应4-8h，自然降温至室温加入稀盐酸调节体系ph至1-2，升温至30-40℃反应1-3h后加入去离子水，1000-1200r/min搅拌20-40min，抽滤，干燥后得到木质素酚醛树脂；

(3)将木质素酚醛树脂加入到平板硫化剂上模压成型，得到胚体，将胚体用适量乙醇浸渍1-5h后取出置于高压釜内，再加入适量乙醇将其没过，打开气瓶通入co2并同时升温，至反应釜内温度为80-100℃，压力为22-25mpa，保温保压一段时间后打开泄压阀门，迅速泄压，将胚体取出；

(4)将所得到的胚体放入管式炉中氮气保护下进行炭化处理，先一次升温至350-380℃，保温1-5h，再二次升温至800-900℃，保温2-4h，最后冷却至室温即可得到所述轻质高强多孔生物质基泡沫炭。

进一步地，步骤(1)中正己烷-丙酮混合溶液中正己烷、丙酮的质量比为1-5:1-5。

进一步地，步骤(1)浸渍处理浸渍处理时水葫芦粉体与苯乙醇的固液质量比为1：6-12。

进一步地，步骤(1)中二氧六环-水混合溶液中二氧六环、水的质量比为10-18:1。

进一步地，步骤(1)中乙醇溶液的质量份数为90-98％。

进一步地，步骤(3)中模压成型的温度为80-100℃，压力为1.5-2mpa。

进一步地，步骤(3)中乙醇浸渍温度为30-50℃。

进一步地，步骤(3)中保温保压时间为10-15min。

进一步地，步骤(4)中一次升温速度为20-30℃/min，二次升温速度为10-15℃/min。

进一步地，步骤(4)中冷却方式为随炉空冷。

(三)有益效果

本发明提供了一种轻质高强多孔生物质基泡沫炭的制备方法，具有以下有益效果：

水葫芦属于外来生物，对生态平衡与环境安全造成威胁，资源化利用是解决水葫芦问题的根本方法，本发明中对水葫芦中的木质素粉体进行提取，所提取的水葫芦木质素粉体的完整性好，提取率高，孔隙结构较为发达，作为原料较为廉价，是一种优良的泡沫炭制备原料，而且其分子中含有大量苯丙烷基结构单元,在三乙胺催化剂作用下会与甲醛反应形成大量酚类衍生物,提高反应活度和吸附性能，也能够减少苯酚的用量，另外，相比于传统的利用发泡剂进行发泡，本发明采用超临界乙醇-co2复合发泡的方法，更加简单方便，便于操作，由泡沫炭的表面形貌图可以看到所形成的孔隙均匀丰富，由于发泡过程中超临界乙醇的作用，使孔隙内壁富含羟基、羧基等活性基团，提高了负载吸附能力，本发明所制备的多孔生物质基泡沫炭孔隙率高，孔径均匀，比表面积高达18000cm²·g-1以上，而且力学强度高，是一种优秀的新型多孔材料。

附图说明

图1为本发明实施例1所制备的泡沫炭的表面形貌图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种轻质高强多孔生物质基泡沫炭的制备方法如下：

将水葫芦洗净粉碎过80目筛干燥后加入到正己烷、丙酮的质量比为5:1的混合溶液中，回流脱脂处理10h，抽滤后烘箱烘干加入到苯乙醇中升温至42℃浸渍处理2.5h再放入烘箱中烘干，浸渍处理时水葫芦粉体与苯乙醇的固液质量比为1：6，用盐酸调节二氧六环、水质量比为15:1的混合溶液的ph至4.5-5.5，再将烘干后的水葫芦粉体加入，搅拌加热至55℃提取18h后过滤，加入质量份数为95％的乙醇溶液室温搅拌8h后过滤，滤液减压浓缩至呈粘稠状，加入稀硫酸后搅拌20min，8℃静置25min后析出固体，抽滤，固体烘干研磨，得到木质素粉体；将木质素粉体、甲醛、三乙胺混合搅匀后升温回流反应2h，自然降温至62℃，将苯酚、聚乙烯醇、十八醇加入，再升温至回流反应3h后自然降温至74℃，加入hmta，再升温至回流反应6h，自然降温至室温加入稀盐酸调节体系ph至1-2，升温至35℃反应2h后加入去离子水，1100r/min搅拌40min，抽滤，干燥后得到木质素酚醛树脂；将木质素酚醛树脂加入到平板硫化剂上模压成型，得到胚体，模压成型的温度为85℃，压力为2mpa，将胚体用适量乙醇35℃浸渍5h后取出置于高压釜内，再加入适量乙醇将其没过，打开气瓶通入co2并同时升温，至反应釜内温度为80℃，压力为24mpa，保温保压10min后打开泄压阀门，迅速泄压，将胚体取出；将所得到的胚体放入管式炉中氮气保护下进行炭化处理，先一次升温至360℃，保温5h，一次升温速度为25℃/min,再二次升温至850℃，保温4h，二次升温速度为12℃/min,最后随炉空冷至室温即可得到所述轻质高强多孔生物质基泡沫炭。

实施例2：

一种轻质高强多孔生物质基泡沫炭的制备方法如下：

将水葫芦洗净粉碎过80目筛干燥后加入到正己烷、丙酮的质量比为1:1的混合溶液中，回流脱脂处理8h，抽滤后烘箱烘干加入到苯乙醇中升温至40℃浸渍处理2h再放入烘箱中烘干，浸渍处理时水葫芦粉体与苯乙醇的固液质量比为1：6，用盐酸调节二氧六环、水质量比为10:1的混合溶液的ph至4.5-5.5，再将烘干后的水葫芦粉体加入，搅拌加热至50℃提取15h后过滤，加入质量份数为90％的乙醇溶液室温搅拌5h后过滤，滤液减压浓缩至呈粘稠状，加入稀硫酸后搅拌10min，5℃静置20min后析出固体，抽滤，固体烘干研磨，得到木质素粉体；将木质素粉体、甲醛、三乙胺混合搅匀后升温回流反应1h，自然降温至60℃，将苯酚、聚乙烯醇、十八醇加入，再升温至回流反应1h后自然降温至70℃，加入hmta，再升温至回流反应4h，自然降温至室温加入稀盐酸调节体系ph至1-2，升温至30℃反应1h后加入去离子水，1000r/min搅拌20min，抽滤，干燥后得到木质素酚醛树脂；将木质素酚醛树脂加入到平板硫化剂上模压成型，得到胚体，模压成型的温度为80℃，压力为1.5mpa，将胚体用适量乙醇30℃浸渍1h后取出置于高压釜内，再加入适量乙醇将其没过，打开气瓶通入co2并同时升温，至反应釜内温度为80℃，压力为22mpa，保温保压10min后打开泄压阀门，迅速泄压，将胚体取出；将所得到的胚体放入管式炉中氮气保护下进行炭化处理，先一次升温至350℃，保温1h，一次升温速度为20℃/min,再二次升温至800℃，保温2h，二次升温速度为10℃/min,最后随炉空冷至室温即可得到所述轻质高强多孔生物质基泡沫炭。

实施例3：

一种轻质高强多孔生物质基泡沫炭的制备方法如下：

将水葫芦洗净粉碎过80目筛干燥后加入到正己烷、丙酮的质量比为5:1的混合溶液中，回流脱脂处理12h，抽滤后烘箱烘干加入到苯乙醇中升温至45℃浸渍处理5h再放入烘箱中烘干，浸渍处理时水葫芦粉体与苯乙醇的固液质量比为1：12，用盐酸调节二氧六环、水质量比为18:1的混合溶液的ph至4.5-5.5，再将烘干后的水葫芦粉体加入，搅拌加热至60℃提取20h后过滤，加入质量份数为98％的乙醇溶液室温搅拌10h后过滤，滤液减压浓缩至呈粘稠状，加入稀硫酸后搅拌30min，10℃静置40min后析出固体，抽滤，固体烘干研磨，得到木质素粉体；将木质素粉体、甲醛、三乙胺混合搅匀后升温回流反应3h，自然降温至65℃，将苯酚、聚乙烯醇、十八醇加入，再升温至回流反应3h后自然降温至75℃，加入hmta，再升温至回流反应8h，自然降温至室温加入稀盐酸调节体系ph至1-2，升温至40℃反应3h后加入去离子水，1200r/min搅拌40min，抽滤，干燥后得到木质素酚醛树脂；将木质素酚醛树脂加入到平板硫化剂上模压成型，得到胚体，模压成型的温度为100℃，压力为2mpa，将胚体用适量乙醇50℃浸渍5h后取出置于高压釜内，再加入适量乙醇将其没过，打开气瓶通入co2并同时升温，至反应釜内温度为100℃，压力为25mpa，保温保压15min后打开泄压阀门，迅速泄压，将胚体取出；将所得到的胚体放入管式炉中氮气保护下进行炭化处理，先一次升温至380℃，保温5h，一次升温速度为30℃/min,再二次升温至900℃，保温4h，二次升温速度为15℃/min,最后随炉空冷至室温即可得到所述轻质高强多孔生物质基泡沫炭。

实施例4：

一种轻质高强多孔生物质基泡沫炭的制备方法如下：

将水葫芦洗净粉碎过80目筛干燥后加入到正己烷、丙酮的质量比为2:1的混合溶液中，回流脱脂处理10h，抽滤后烘箱烘干加入到苯乙醇中升温至40℃浸渍处理3h再放入烘箱中烘干，浸渍处理时水葫芦粉体与苯乙醇的固液质量比为1：10，用盐酸调节二氧六环、水质量比为15:1的混合溶液的ph至4.5-5.5，再将烘干后的水葫芦粉体加入，搅拌加热至50℃提取18h后过滤，加入质量份数为92％的乙醇溶液室温搅拌8h后过滤，滤液减压浓缩至呈粘稠状，加入稀硫酸后搅拌10-30min，5℃静置25min后析出固体，抽滤，固体烘干研磨，得到木质素粉体；将木质素粉体、甲醛、三乙胺混合搅匀后升温回流反应1h，自然降温至62℃，将苯酚、聚乙烯醇、十八醇加入，再升温至回流反应1h后自然降温至70℃，加入hmta，再升温至回流反应6h，自然降温至室温加入稀盐酸调节体系ph至1-2，升温至30℃反应3h后加入去离子水，1000r/min搅拌30min，抽滤，干燥后得到木质素酚醛树脂；将木质素酚醛树脂加入到平板硫化剂上模压成型，得到胚体，模压成型的温度为100℃，压力为2mpa，将胚体用适量乙醇40℃浸渍1h后取出置于高压釜内，再加入适量乙醇将其没过，打开气瓶通入co2并同时升温，至反应釜内温度为85℃，压力为22mpa，保温保压15min后打开泄压阀门，迅速泄压，将胚体取出；将所得到的胚体放入管式炉中氮气保护下进行炭化处理，先一次升温至350℃，保温2h，一次升温速度为20℃/min,再二次升温至900℃，保温3h，二次升温速度为15℃/min,最后随炉空冷至室温即可得到所述轻质高强多孔生物质基泡沫炭。

实施例5：

一种轻质高强多孔生物质基泡沫炭的制备方法如下：

将水葫芦洗净粉碎过80目筛干燥后加入到正己烷、丙酮的质量比为4:1的混合溶液中，回流脱脂处理8h，抽滤后烘箱烘干加入到苯乙醇中升温至45℃浸渍处理3h再放入烘箱中烘干，浸渍处理时水葫芦粉体与苯乙醇的固液质量比为1：8，用盐酸调节二氧六环、水质量比为12:1的混合溶液的ph至4.5-5.5，再将烘干后的水葫芦粉体加入，搅拌加热至52℃提取16h后过滤，加入质量份数为90％的乙醇溶液室温搅拌10h后过滤，滤液减压浓缩至呈粘稠状，加入稀硫酸后搅拌25min，6℃静置25min后析出固体，抽滤，固体烘干研磨，得到木质素粉体；将木质素粉体、甲醛、三乙胺混合搅匀后升温回流反应1h，自然降温至60℃，将苯酚、聚乙烯醇、十八醇加入，再升温至回流反应3h后自然降温至70℃，加入hmta，再升温至回流反应8h，自然降温至室温加入稀盐酸调节体系ph至1-2，升温至30℃反应3h后加入去离子水，1000r/min搅拌40min，抽滤，干燥后得到木质素酚醛树脂；将木质素酚醛树脂加入到平板硫化剂上模压成型，得到胚体，模压成型的温度为88℃，压力为1.6mpa，将胚体用适量乙醇35℃浸渍2h后取出置于高压釜内，再加入适量乙醇将其没过，打开气瓶通入co2并同时升温，至反应釜内温度为85℃，压力为25mpa，保温保压12min后打开泄压阀门，迅速泄压，将胚体取出；将所得到的胚体放入管式炉中氮气保护下进行炭化处理，先一次升温至380℃，保温4h，一次升温速度为20℃/min,再二次升温至900℃，保温3h，二次升温速度为15℃/min,最后随炉空冷至室温即可得到所述轻质高强多孔生物质基泡沫炭。

实施例6：

一种轻质高强多孔生物质基泡沫炭的制备方法如下：

将水葫芦洗净粉碎过80目筛干燥后加入到正己烷、丙酮的质量比为5:2的混合溶液中，回流脱脂处理12h，抽滤后烘箱烘干加入到苯乙醇中升温至44℃浸渍处理5h再放入烘箱中烘干，浸渍处理时水葫芦粉体与苯乙醇的固液质量比为1：10，用盐酸调节二氧六环、水质量比为15:1的混合溶液的ph至4.5-5.5，再将烘干后的水葫芦粉体加入，搅拌加热至50℃提取18h后过滤，加入质量份数为92％的乙醇溶液室温搅拌10h后过滤，滤液减压浓缩至呈粘稠状，加入稀硫酸后搅拌10min，5℃静置25min后析出固体，抽滤，固体烘干研磨，得到木质素粉体；将木质素粉体、甲醛、三乙胺混合搅匀后升温回流反应1.8h，自然降温至62℃，将苯酚、聚乙烯醇、十八醇加入，再升温至回流反应3h后自然降温至75℃，加入hmta，再升温至回流反应6h，自然降温至室温加入稀盐酸调节体系ph至1-2，升温至30℃反应3h后加入去离子水，1200r/min搅拌40min，抽滤，干燥后得到木质素酚醛树脂；将木质素酚醛树脂加入到平板硫化剂上模压成型，得到胚体，模压成型的温度为100℃，压力为1.5mpa，将胚体用适量乙醇35℃浸渍5h后取出置于高压釜内，再加入适量乙醇将其没过，打开气瓶通入co2并同时升温，至反应釜内温度为90℃，压力为25mpa，保温保压15min后打开泄压阀门，迅速泄压，将胚体取出；将所得到的胚体放入管式炉中氮气保护下进行炭化处理，先一次升温至360℃，保温5h，一次升温速度为25℃/min,再二次升温至900℃，保温3h，二次升温速度为12℃/min,最后随炉空冷至室温即可得到所述轻质高强多孔生物质基泡沫炭。

实施例7：

一种轻质高强多孔生物质基泡沫炭的制备方法如下：

将水葫芦洗净粉碎过80目筛干燥后加入到正己烷、丙酮的质量比为1:5的混合溶液中，回流脱脂处理12h，抽滤后烘箱烘干加入到苯乙醇中升温至40℃浸渍处理5h再放入烘箱中烘干，浸渍处理时水葫芦粉体与苯乙醇的固液质量比为1：6，用盐酸调节二氧六环、水质量比为10:1的混合溶液的ph至4.5-5.5，再将烘干后的水葫芦粉体加入，搅拌加热至60℃提取15h后过滤，加入质量份数为95％的乙醇溶液室温搅拌5h后过滤，滤液减压浓缩至呈粘稠状，加入稀硫酸后搅拌10min，10℃静置40min后析出固体，抽滤，固体烘干研磨，得到木质素粉体；将木质素粉体、甲醛、三乙胺混合搅匀后升温回流反应1h，自然降温至62℃，将苯酚、聚乙烯醇、十八醇加入，再升温至回流反应1h后自然降温至75℃，加入hmta，再升温至回流反应5h，自然降温至室温加入稀盐酸调节体系ph至1-2，升温至30℃反应1h后加入去离子水，1000r/min搅拌25min，抽滤，干燥后得到木质素酚醛树脂；将木质素酚醛树脂加入到平板硫化剂上模压成型，得到胚体，模压成型的温度为80℃，压力为2mpa，将胚体用适量乙醇50℃浸渍1h后取出置于高压釜内，再加入适量乙醇将其没过，打开气瓶通入co2并同时升温，至反应釜内温度为80℃，压力为25mpa，保温保压12min后打开泄压阀门，迅速泄压，将胚体取出；将所得到的胚体放入管式炉中氮气保护下进行炭化处理，先一次升温至350℃，保温2h，一次升温速度为20℃/min,再二次升温至880℃，保温2h，二次升温速度为12℃/min,最后随炉空冷至室温即可得到所述轻质高强多孔生物质基泡沫炭。

实施例8：

一种轻质高强多孔生物质基泡沫炭的制备方法如下：

将水葫芦洗净粉碎过80目筛干燥后加入到正己烷、丙酮的质量比为1:1的混合溶液中，回流脱脂处理10h，抽滤后烘箱烘干加入到苯乙醇中升温至40℃浸渍处理5h再放入烘箱中烘干，浸渍处理时水葫芦粉体与苯乙醇的固液质量比为1：9，用盐酸调节二氧六环、水质量比为10:1的混合溶液的ph至4.5-5.5，再将烘干后的水葫芦粉体加入，搅拌加热至50℃提取20h后过滤，加入质量份数为90％的乙醇溶液室温搅拌5h后过滤，滤液减压浓缩至呈粘稠状，加入稀硫酸后搅拌30min，10℃静置40min后析出固体，抽滤，固体烘干研磨，得到木质素粉体；将木质素粉体、甲醛、三乙胺混合搅匀后升温回流反应3h，自然降温至60℃，将苯酚、聚乙烯醇、十八醇加入，再升温至回流反应1h后自然降温至70℃，加入hmta，再升温至回流反应5h，自然降温至室温加入稀盐酸调节体系ph至1-2，升温至30℃反应1h后加入去离子水，1000r/min搅拌25min，抽滤，干燥后得到木质素酚醛树脂；将木质素酚醛树脂加入到平板硫化剂上模压成型，得到胚体，模压成型的温度为85℃，压力为1.6mpa，将胚体用适量乙醇35℃浸渍2h后取出置于高压釜内，再加入适量乙醇将其没过，打开气瓶通入co2并同时升温，至反应釜内温度为85℃，压力为24mpa，保温保压10min后打开泄压阀门，迅速泄压，将胚体取出；将所得到的胚体放入管式炉中氮气保护下进行炭化处理，先一次升温至350℃，保温1h，一次升温速度为25℃/min,再二次升温至900℃，保温4h，二次升温速度为12℃/min,最后随炉空冷至室温即可得到所述轻质高强多孔生物质基泡沫炭。

下表1为本发明实施例1-3轻质高强多孔生物质基泡沫炭的性能测试结果：

表1：

由上表1可知，本发明所制备的多孔生物质基泡沫炭孔隙率高，孔径均匀，比表面积高达18000cm²·g-1以上，而且力学强度高，是一种优秀的新型多孔材料。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。