竹焦油基泡沫炭的制备及性能研究

摘要

泡沫炭是二十世纪初兴起的一种多孔炭材料，由于其多孔，密度小，强度大，热导率和电导率的可调性，物理化学稳定性好等诸多优点而广泛用于催化剂载体，热交换器，隔热系统等材料，随着近些年的深入研究，泡沫炭逐渐应用到了军工国防和航空航天领域，如士兵综合防护系统，天文望远镜的镜架和基座等材料，但随着科学技术的不断发展，煤、石油等的石化能源不断消耗，这些珍贵的不可再生能源的不断枯竭迫使人们寻找一种新的可再生资源来代替这些加速消失的不可再生能源。
　　 竹焦油是竹子形成竹炭过程而产生的副产物，但由于其含有大量复杂的有机化合物而降低了自身可利用价值，随着竹炭的生产竹焦油的产量逐年增加，但堆弃的大量废置竹焦油不仅污染环境，同时还会威胁到人们的健康，经过对竹焦油成分的表征发现竹焦油内含有大量苯酚以及苯酚类化合物，另外还有其他一些烷烃和芳香烃类的小分子物质，这些成分与沥青中所含成分相似，为竹焦油制备COPNA树脂提供了一定的理论依据。而COPNA树脂是介于有机物质与炭素材料的中间物质，其多核缩合多环的组成与结构决定了其较高的炭化收率，有力的说明了COPNA树脂作为炭材料前躯体的可能性。这为竹焦油制备泡沫炭提供了非常有力的证明，使得竹焦油制备泡沫炭的思想有据可循。
　　 利用竹焦油基B阶COPNA树脂以及氧化A阶树脂通过限空间法发泡，经高温炭化制得泡沫炭，分别对树脂质量，交联剂比例，发泡温度，炭化温度以及树脂可溶成分的影响进行分析。研究发现树脂质量在12～20g时较为适宜，交联剂比例占竹焦油质量的60％～80％时制备的泡沫炭综合性能较好，在300～400℃内发泡效果较好，升高炭化温度可有效增加泡沫炭的压缩强度，另外对发泡机理探索发现树脂中的TS主要起到了造孔的作用，TS含量对孔的均匀程度以及孔径有较大影响，TI-PS主要作用是胶粘PI成分，而PI含量对泡沫炭的强度起到了主要的影响作用，只有当三者比例适当时才能形成综合性能较高的泡沫炭材料。优化上述条件后制备得到了密度为0.56g/cm3，孔径分布在50～100μm范围的泡沫炭，其压缩强度高达13.6MPa，热导率为0.54W/mK，是一种良好的高强度保温隔热材料。

目录

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摘要

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 泡沫炭介绍

1.2.1 泡沫炭分类

1.2.2 泡沫炭制备方法

1.2.3 泡沫炭制备原料

1.2.4 泡沫炭的性能和应用[1-3]

1.2.5 泡沫炭的研究进展及前景展望

1.3 竹焦油介绍

1.3.1 竹焦油来源

1.3.2 竹焦油的主要组成

1.3.3 竹焦油的主要应用

1.3.4 竹焦油研究进展及前景

1.4 COPNA树脂

1.4.1 COPNA树脂简介

1.4.2 COPNA树脂的合成机理

1.4.3 COPNA树脂的合成原料

1.4.4 制备条件对COPNA树脂的影响因素

1.4.5 COPNA树脂的应用

1.4.6 COPNA树脂的研究进展及前景展望

1.5 本论文的研究意义

1.6 技术方案

1.6.1 分析竹焦油的组

1.6.2 利用竹焦油制备COPNA树脂

1.6.3 COPNA树脂制备泡沫炭

第二章 实验部分

2.1 实验试剂与仪器设备

2.2 实验工艺流程

2.2.1 竹焦油分馏

2.2.2 合成COPNA树脂

2.2.3 泡沫炭的制备

2.3 性能测试

第三章 竹焦油基COPNA树脂的合成

3.1 竹焦油成分分析

3.1.1 竹焦油红外光谱

3.1.2 竹焦油分馏物红外光谱

3.2 合成COPNA树脂影响因素

2.3.3 COPNA树脂的TG分析

3.3 COPNA树脂合成机理分析

3.4 小结

第四章 泡沫炭的制备

4.1 泡沫炭的制备

4.2 制备工艺对泡沫炭的影响

4.2.1 树脂质量的影响

4.2.2 发泡温度的影响

4.2.3 炭化温度的影响

4.2.4 小结

4.3 微观分析

4.3.1 微观结构(SEM)

4.3.2 比表面积与孔径分布

4.3.3 XRD分析

4.3.4 小结

4.4 形成机理分析

4.5 小结

第五章 泡沫炭的物理性能分析

5.1 力学性能

5.1.1 压缩强度分析

5.1.2 与其他泡沫炭强度对比

5.1.3 小结

5.2 热性能分析

5.2.1 热导率

5.2.2 导热机理分析

5.2.3 与其他泡沫炭导热对比

5.2.4 热稳定性

5.2.5 小结

5.3 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及学术论文

作者及导师简介

硕士研究生学位论文答辩委员会决议书