专利名称：生产用于纳米工程碳材料的前体溶液和溶胶凝胶的方法以及由其形成的纳米工程碳材料的制作方法
技术领域：
本申请以及在此的披露内容总体上讨论并且涉及用于生产纳米工程碳材料(例如碳气凝胶和碳干凝胶)的方法。
背景技术：
许多年来，纳米工程碳材料(如碳气凝胶和碳干凝胶)已经用在多种产品中以便改进一些特性(包括但不限于电导率和例如超级电容器应用中的能量储存)。纳米工程碳材料(例如碳气凝胶、碳干凝胶、碳泡沫、碳滤纸)的一些性质一诸如电导率、低密度、高表面积、可控的孔径大小、以及高纯度一在许多申请中是令人希望的，因而具有这些性质的纳米工程碳材料通常在市场中具有高工业价值。
用于以实验室规模合成纳米工程碳材料(如碳气凝胶和碳干凝胶)的方法是本领域中已知的。这些方法可能涉及，例如使用间苯二酚和甲醛用于生产前体溶液(例如“溶胶”，它是一种溶液或颗粒在液体中的胶态分散体)，用于进一步处理成为溶胶凝胶(例如在一连续液相或一颗粒的胶态悬浮体中的网络，该网络胶化以形成固体)，该溶胶凝胶用于生产纳米工程碳材料。然而，为了形成该前体溶液，在一种催化剂以及热量的存在下将该间苯二酚(及其所有衍生物)与甲醛进行混合所释放的化学能的量迄今为止已阻碍纳米工程碳材料(如碳气凝胶和干凝胶)的大规模生产。带有储存能量的释放能力的不受控制的化学反应可能代表增加的工业爆炸危险，从而危及员工和环境，并且提高生产聚合物的成本。因此，对于以下方法存在一种需要，该方法足以控制在前体溶液以及溶胶凝胶生产中的化学能(例如在放热量中所测量的)释放，这样使得纳米工程碳材料的大规模生产是有可能的。与用于形成目前市场上的纳米工程碳材料的常规方法相比，通过控制化学能的释放可以实现的生产效率的提高和安全性的增加(例如降低容器破裂或爆炸的风险)将是改进。附图
简要说明图I是一个表明在催化剂存在下在绝热条件下间苯二酚与甲醛之间的反应的放热量(BTU/lb-min)的曲线图。图2是一个表明在催化剂存在下在冷却下间苯二酚与甲醛之间的反应的放热量(BTU/lb-hr)的曲线图。图3是一个表明在催化剂存在下在冷却下使用甲醛的程序加入的间苯二酚与甲醛之间的反应的放热量(BTU/lb-hr)的曲线图。发明概述本申请以及在此的披露内容总体上涉及生产纳米工程碳材料(如碳气凝胶和碳干凝胶)的方法，以及生产用于制备该纳米工程碳材料的前体溶液和溶胶凝胶的方法。在一个实施方案中，一种用于大规模(例如大致10，OOOlbs)安全地生产前体溶液的方法包括将交联剂程序地加入到一个包含间苯二酚化合物的组分混合物中。在另一个实施方案中，一种用于生产溶胶凝胶的方法包括对在此传授的前体溶液进行至少一种热处理。总体上还在此披露了用于由在此传授的前体溶液以及溶胶凝胶生产纳米工程碳材料的方法。还披露了用于使用这些纳米工程碳材料的方法。本披露内容的纳米工程碳材料可以在一系列产品(包括但不限于超级电容应用、高表面积电极、燃料电池、和脱盐系统)中使用。本发明的详细说明制备用于纳米工程碳材料的前体溶液的方法在此披露了用于制造纳米工程碳材料的前体溶液的方法。在一个实施方案中，使用一种前体溶液来制备一种纳米工程碳材料。在另一个实施方案中，使用一种前体溶液来自制备一种碳气凝胶。在一个进一步的实施方案中，使用一种前体溶液来制备一种碳气凝胶。在又一个实施方案中，纳米工程碳材料是具有主要包括有机聚合物的框架的任何气凝胶或干凝胶。在再另一个实施方案中，使用一种前体溶液来制备一种碳泡沫。在再又另一个实施方案中，使用一种前体溶液来制备碳滤纸。本领域的普通技术人员将容易理解关于在此传授的前体溶液的用途以及应用。 形成该组分混合物根据本披露内容的前体溶液可以使用溶胶凝胶化学方法而形成。在这些在此披露的用于制备前体溶液的方法的某些实施方案中，形成了至少一种组分混合物。在一个实施方案中，该至少一种组分混合物包含至少一种间苯二酚化合物以及水。在另一个实施方案中，该至少一种组分混合物包含至少一种间苯二酚化合物、水、以及至少一种催化剂。在又一个实施方案中，该至少一种组分混合物包含至少一种间苯二酚化合物、水、至少一种催化齐U、以及至少一种添加剂。本领域的普通技术人员将容易理解用于制备在此传授的前体溶液的组分混合物。该至少一种间苯二酚化合物可以是目前已知的或以下发现的任何间苯二酚化合物或衍生物。该至少一种间苯二酚化合物还可以是任何化合物，由其可以衍生出间苯二酚或任何间苯二酚衍生物。在一个实施方案中，该至少一种间苯二酚化合物是间苯二酚(例如,苯-1，3- 二醇，1，3- 二轻基苯)。在另一个实施方案中，该至少一种间苯二酹化合物是一种间苯二酚衍生物。在又一个实施方案中，该至少一种间苯二酚化合物是任何化合物，由其可以衍生出间苯二酚。适合用于在此披露的这些方法中的间苯二酚化合物对于本领域的普通技术人员将是容易明白的。在一个实施方案中，该至少一种间苯二酚化合物是多羟基苯。在另一个实施方案中，该至少一种间苯二酚化合物是二羟基苯。在又一个实施方案中，该至少一种间苯二酚化合物是三羟基丁烷。在再另一个实施方案中，该至少一种间苯二酚化合物是一种间苯二酚的取代的形式。在一个实施方案中，该至少一种间苯二酚化合物由化学式(I)表示
权利要求
1.一种生产前体溶液的方法，该方法包括 形成至少一种组分混合物，该组分混合物包含水、至少一种间苯二酚化合物、以及至少一种催化剂； 将该至少一种组分混合物加热至范围从30°c至99°C的温度以便形成一种经加热的组分混合物；并且 通过一种程序加入法将至少一种交联剂加入到该经加热的组分混合物中，该程序加入法包括 一个任选的划分步骤，其中将该至少一种交联剂划分为多个批次； 一个混合步骤，其中通过将该至少一种交联剂的多个批次中的一个加入到该经加热的组分混合物中来形成一种溶液； 一个冷却步骤，其中将该溶液冷却到范围从30°C至99 V的温度； 一个任选的重复步骤，其中必须重复这些混合以及冷却步骤以消耗所有的剩余的多个批次的该至少一种交联剂以便形成一种最终溶液；并且 其中每个批次包括一个量的该至少一种交联剂，其足以防止由于该混合步骤中发生的反应而引起的最大的温度升高超过10°C /分钟； 将该最终溶液的温度保持在范围从45°C至55°C的温度下持续范围从15分钟至480分钟的一个量的时间；并且 将该最终溶液冷却到小于40 V的温度。
2.如权利要求I所述的方法，其中将该至少一种组分混合物在范围从20°C至25°C的温度下混合。
3.如权利要求I所述的方法，其中该至少一种间苯二酚化合物是由化学式(I)表示
4.如权利要求3所述的方法，其中该至少一种间苯二酚化合物是苯-1，3-二醇。
5.如权利要求I所述的方法，其中该至少一种间苯二酚化合物是选自苯酚、苯酚的衍生物、或者苯酚及其衍生物。
6.如权利要求I所述的方法，其中该至少一种催化剂是乙酸。
7.如权利要求I所述的方法，其中该至少一种交联剂是选自下组，该组由下列各项组成 甲醛、多聚甲醛、三噁烷、甲基甲醛(methyl formcel)、乙醛、丙醛、丁醛、巴豆醛、肉桂醛、苯甲醛、糠醛、丙酮、甲基乙基酮、以及其混合物。
8.如权利要求7所述的方法，其中该至少一种交联剂是甲醛。
9.如权利要求I所述的方法，其中该至少一种间苯二酚化合物与该至少一种交联剂的摩尔比范围从1:1至1:3。
10.如权利要求I所述的方法，其中将该组分混合物加热到至少40°C。
11.如权利要求10所述的方法，其中将该组分混合物加热到50°C。
12.如权利要求11所述的方法，其中将该组分混合物加热到至少60°C。
13.如权利要求I所述的方法，其中在该混合步骤中将该至少一种交联剂作为连续原料加入。
14.如权利要求I所述的方法，其中在该混合步骤中将该至少一种交联剂多步骤分批加入。
15.如权利要求I所述的方法，进一步包括加入至少一种醇。
16.如权利要求15所述的方法，其中该至少一种醇是甲醇。
17.如权利要求I所述的方法，进一步包括照射一种光到该反应器内以便通过测量这些材料的折射率来监控该反应的完成。
18.一种制备溶胶凝胶的方法，该方法包括 根据权利要求I制备一种前体溶液；并且 对该前体溶液进行在范围从60°C至99°C的温度下的范围从12小时至96小时的一个量的时间的至少一种热处理。
19.如权利要求18所述的方法，其中该至少一种热处理包括将该前体溶液加热24至48小时到范围从60°C至99°C的温度，所述至少一种热处理引起介孔的溶胶凝胶的形成。
20.如权利要求18所述的方法，其中该至少一种热处理包括 将该前体溶液保持在范围从10°C至40°C的温度持续I至30天；并且 将该前体/预胶化的溶液加热24至96小时到范围从60°C至99°C的温度，所述至少一种热处理引起介孔的溶胶凝胶的形成。
21.一种用于制备纳米工程碳材料的方法，该方法包括 根据权利要求18制备一种溶胶凝胶； 对该溶胶凝胶进行至少附加处理。
22.如权利要求21所述的方法，其中该至少一种附加处理包括研磨、冷冻干燥、低温干燥、超临界干燥、真空干燥、蒸发干燥、热解、或其组合。
23.如权利要求22所述的方法，其中所得到的纳米工程碳材料是一种碳气凝胶。
24.如权利要求22所述的方法，其中所得到的纳米工程碳材料是一种碳干凝胶。
全文摘要
在此提供了制造纳米工程碳材料(如碳气凝胶和碳干凝胶)的方法，以及制造用于制备该纳米工程碳材料的前体溶液和溶胶凝胶的方法。一种用于制备前体溶液的方法包括将一种交联剂程序地加入到一种包含间苯二酚化合物的组分混合物中。一种用于制备溶胶凝胶的方法包括对前体溶液进行至少一种热处理。还提供了用于由前体溶液以及溶胶凝胶生产纳米工程碳材料的方法。还披露了用于使用这些纳米工程碳材料的方法。所得到的纳米工程碳材料可以在一系列产品(包括超级电容器应用、高表面积电极、燃料电池、和脱盐系统)中使用。
文档编号H01B1/04GK102947221SQ201180031652
公开日2013年2月27日 申请日期2011年6月9日 优先权日2010年6月9日
发明者S·M·穆利克, J·F·路德维克, R·W·弗里明, C·M·李 申请人:佐治亚-太平洋化工品有限公司