專(zhuān)利名稱(chēng)：基于摻合的瀝青/煤的碳泡沫材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低密度、高強(qiáng)度的碳泡沫材料，它是通過(guò)石油瀝青和煤顆粒摻合物的受控發(fā)泡過(guò)程制備的。
背景技術(shù)：
ASTM標(biāo)準(zhǔn)DD 5515-97，即“煙煤膨脹性質(zhì)測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法”和D 720-91，即“煤炭自由膨脹指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法”兩者規(guī)定了在非受控燃燒情況下加熱時(shí)測(cè)量煤炭“膨脹”固有性質(zhì)的條件。因此，在原有技術(shù)中煤炭膨脹的自然傾向是眾所周知的。然而，盡我們所知，還沒(méi)有人試圖通過(guò)受控“膨脹”煤炭產(chǎn)品來(lái)利用煤炭的這一性質(zhì)，以獲得高度有用的、低密度、多孔碳產(chǎn)品。
2001年7月7日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列編號(hào)09/902,828中描述了一種基于煤炭的蜂窩狀或多孔的產(chǎn)品，其密度優(yōu)選在約0.1克/厘米3和約0.8克/厘米3之間，它是通過(guò)在非氧化氛圍中在一種“模具”中控制性地加熱直徑優(yōu)選在大約1/4英寸的煤炭顆粒來(lái)制備的。按照其中具體的優(yōu)選實(shí)施方案，原料煤炭所具有的自由膨脹指數(shù)用上述ASTM D 720試驗(yàn)測(cè)定在約3.5至約5.0之間。用這種方法產(chǎn)生的多孔產(chǎn)品，優(yōu)選以網(wǎng)狀形式或接近網(wǎng)狀的形式，可被機(jī)加工、粘合或組裝來(lái)生產(chǎn)多種低值、低密度的產(chǎn)品，或以它成型的形式用作濾器、熱或電的絕緣體等。這種蜂窩狀產(chǎn)品無(wú)需進(jìn)一步處理和/或加入強(qiáng)化添加劑，即已呈現(xiàn)出高至大約4,000psi的壓縮強(qiáng)度。用適當(dāng)材料浸漬或并入各種增進(jìn)強(qiáng)度的添加劑可進(jìn)一步增加這類(lèi)蜂窩狀材料的壓縮、拉伸及其它性質(zhì)。通過(guò)碳化或石墨化的進(jìn)一步處理，可以產(chǎn)生能被用作電或熱導(dǎo)體的蜂窩狀產(chǎn)品。
通過(guò)石油瀝青的發(fā)泡，主要是通過(guò)使用氣流吹入或發(fā)泡劑，已經(jīng)生產(chǎn)出多種碳泡沫材料。雖然這些材料、即碳泡沫材料呈現(xiàn)出比用上述美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中所述方法產(chǎn)生的基于煤炭的碳泡沫材料更高的導(dǎo)熱性，但它們的強(qiáng)度弱得多，因而不宜被用于這樣的領(lǐng)域，其中諸如壓縮、拉伸和剪切強(qiáng)度這類(lèi)物理性質(zhì)以及對(duì)撞擊的耐受性等都具有相當(dāng)?shù)闹匾浴?br> 這樣，雖然在上述美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中描述的產(chǎn)品和方法以及那些由石油瀝青通過(guò)一些競(jìng)爭(zhēng)性方法產(chǎn)生的產(chǎn)品對(duì)某些特定目的已是完全滿(mǎn)意的，這些特定目的或者是要求產(chǎn)品具有高強(qiáng)度而可不顧及其導(dǎo)熱性，或者是反過(guò)來(lái)，但仍然相信有必要提供具有更低密度、即低于約0.4克/厘米3量級(jí)并具有各種孔眼大小和增加的導(dǎo)熱性的泡沫材料，后者呈現(xiàn)的強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到上述基于煤炭的碳泡沫材料。另外，還高度希望它具有更好的調(diào)整上述性質(zhì)的能力以滿(mǎn)足特定的需要。
發(fā)明目的這樣，本發(fā)明的一個(gè)目的是，提供由一些原料所生產(chǎn)的碳泡沫材料，這些原料允許對(duì)產(chǎn)品的下列性質(zhì)如泡沫密度、更大的孔眼大小范圍和增進(jìn)的導(dǎo)熱性等進(jìn)行更好的控制和改變，以滿(mǎn)足特定的最終應(yīng)用需要。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是，提供這樣的材料和方法，所用原料至少部分地不同于在上述美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列編號(hào)09/902,808中所描述的那些。
發(fā)明概要按照本發(fā)明，主要按照上述美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列編號(hào)09/902,808中所描述的方法來(lái)生產(chǎn)碳泡沫材料，但是所用的原料包含按重量計(jì)約10至約90％的磨碎的石油瀝青以及由按重量計(jì)約90至約10％的煙煤顆粒，后者呈現(xiàn)的自由膨脹指數(shù)約3.5至約5.0。石油焦炭相對(duì)較低的熔點(diǎn)允許這種材料環(huán)繞煤炭顆粒流動(dòng)，從而在煤炭顆粒發(fā)泡開(kāi)始以前包封這些煤炭顆粒，于是使得呈現(xiàn)出更大泡沫或孔眼大小的碳泡沫材料得以生產(chǎn)出來(lái)，并因而比使用單獨(dú)的煤炭顆粒原料以普通方法生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品具有更低的密度。石油瀝青的存在允許生產(chǎn)出呈現(xiàn)增進(jìn)導(dǎo)熱性的碳泡沫材料。在碳泡沫材料生產(chǎn)工藝中改變摻合物中石油瀝青和煤炭顆粒的相對(duì)數(shù)量允許配制出定制的碳泡沫材料，后者在原料中煤炭顆粒提供的強(qiáng)度和石油瀝青提供的導(dǎo)熱性之間表現(xiàn)出合適的平衡。
發(fā)明詳述按照本發(fā)明，是在非氧化氛圍中通過(guò)在“模具”中控制性加熱粉狀煤炭/石油瀝青摻合物而生產(chǎn)出預(yù)制的低密度、即密度為約0.1克至約0.5克/厘米3并優(yōu)選約0.1至0.4克/厘米3的蜂窩狀產(chǎn)品，該粉狀煤炭顆粒摻合物優(yōu)選直徑小于約1/4英寸并摻合有按重量計(jì)約10至約90％的磨碎的石油瀝青(其顆粒大小也優(yōu)選直徑小于1/4英寸)。
原料煤炭可包括含地瀝青的煤、無(wú)煙煤或甚至是褐煤，或這些煤炭的摻合物，只要它按ASTM D720方法測(cè)定的“自由膨脹指數(shù)”在約3.5至約5.0之間，優(yōu)選在3.75至4.5之間，但是優(yōu)選已粉碎到適當(dāng)顆粒大小、優(yōu)選低于約-60至-80篩目的粉細(xì)顆粒的含瀝青的燒結(jié)煤。最優(yōu)選的煤原料是所謂“高揮發(fā)性”的含瀝青煤，如下面要描述的。按照本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方案，原料煤炭應(yīng)呈現(xiàn)出以下一系列特性中的一項(xiàng)或多項(xiàng)，最好是所有各項(xiàng)，即1)揮發(fā)性物質(zhì)含量(基于干燥、無(wú)灰份的)在約35和45％之間，這是按ASTM D3175，即“煤和焦炭分析中揮發(fā)性物質(zhì)的試驗(yàn)方法”測(cè)定的，即所謂“高揮發(fā)性”煤炭；2)固定碳含量(基于干燥物)在約50和60％之間，這是按ASTM D3172，即“煤和焦炭的組份分析實(shí)驗(yàn)”測(cè)定的；3)Gieseler初始軟化溫度在大約380℃至約400℃之間，這是按ASTM D2639，即“用恒定轉(zhuǎn)矩Gieseler塑性計(jì)測(cè)定煤炭塑性的試驗(yàn)方法”測(cè)定的；4)塑性溫度范圍在約50℃以上，這是用ASTM D 2639方法測(cè)定的；5)最大流動(dòng)性至少為300ddpm(每分鐘的刻度盤(pán)刻度)并優(yōu)選大于2000ddpm，如用ASTM D 2639方法所測(cè)定的那樣；6)膨脹大于約20％，優(yōu)選大于約100％，如用Armu膨脹試驗(yàn)所測(cè)定的那樣；7)煤榆膠反射度為約0.80至約0.95范圍內(nèi)，如用ASTM D 2798方法所測(cè)定的那樣，該方法稱(chēng)為“拋光的煤樣品中煤榆膠反射度的顯微鏡測(cè)定方法”；8)低于約30％的惰性的煤中礦物組分細(xì)微組織材料，諸如半不透明碳化細(xì)胞構(gòu)造、暗色煤、不透明碳化細(xì)胞構(gòu)造以及礦物質(zhì)，如用ASTM D 2798方法所測(cè)定的那樣；9)沒(méi)有明顯的煤炭氧化發(fā)生(0.0體積％的中度至嚴(yán)重的氧化)，如用ASTM D 2798方法以及非煤中礦物組分的細(xì)微組織分析方法所測(cè)定的那樣。
低的軟化點(diǎn)(380-400℃)是很重要的，從而使材料在揮發(fā)和結(jié)焦發(fā)生之前即軟化并且是塑性的。大的塑性工作范圍或“塑性范圍”的重要性在于它允許煤炭塑性流動(dòng)，同時(shí)由于揮發(fā)和結(jié)焦而失去質(zhì)量。煤榆膠反射度、固定碳含量和揮發(fā)性物質(zhì)含量的重要性在于可把這些煤炭原料分類(lèi)為“高揮發(fā)性”的瀝青煤炭，它在本發(fā)明的工藝中可提供最佳結(jié)果，并因此使碳泡沫材料在按照這里描述并申請(qǐng)專(zhuān)利的方法制備時(shí)表現(xiàn)出最佳的一些性質(zhì)的結(jié)合。存在氧化會(huì)傾向于阻礙流動(dòng)性，結(jié)果也阻礙了泡沫形成。
這樣，按照本發(fā)明各種優(yōu)選的實(shí)施方案，一種煤炭顆粒原料，其特征為含有按重量計(jì)約35％至45％(基于干燥、無(wú)灰份計(jì))的揮發(fā)性物質(zhì)這種高揮發(fā)性瀝青煙煤，如用ASTM D3175方法所測(cè)定的那樣，是用本發(fā)明獲得最佳結(jié)果的碳泡沫材料形式的基本需要。由Gieseler塑性評(píng)估衍生的各種參數(shù)形成了為獲得最佳結(jié)果所需的第二套重要的原料煤炭特性。例如，要求軟化點(diǎn)在大約380至400℃范圍內(nèi)，塑性范圍至少為大約50℃并優(yōu)選在約75℃和100℃之間，最大流動(dòng)性至少為數(shù)百并優(yōu)選大于2000ddpm(每分鐘標(biāo)度盤(pán)的標(biāo)度數(shù))，對(duì)于成功地優(yōu)化本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)是高度重要的。按此，為了獲得這里描述的表現(xiàn)出優(yōu)良性能的碳泡沫材料，重要的是所用的煤炭原料是高揮發(fā)性的煙煤，其軟化點(diǎn)應(yīng)如上所述，塑性范圍在約50℃以上的量級(jí)，所有的這些性質(zhì)都和Gieseler流動(dòng)性數(shù)值指示的一致。當(dāng)把具有Arnu膨脹值大于約20％并優(yōu)選大于100％以上這一特性和上述特性結(jié)合起來(lái)，就提供了所需高度優(yōu)選的高揮發(fā)性煙煤原料的特性指標(biāo)。
在上述參數(shù)范圍內(nèi)選擇原料，可通過(guò)評(píng)估大量特性為高揮發(fā)性到低揮發(fā)性的煤炭來(lái)決定。一般，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所謂“高揮發(fā)性”的煙煤，即那些包含按重量計(jì)約35至約45重量％揮發(fā)性物質(zhì)并因此呈現(xiàn)出自由膨脹指數(shù)在上述特定范圍以?xún)?nèi)的煙煤，能提供最佳的泡沫材料產(chǎn)品，后者以最低煅燒的泡沫密度和最高煅燒的泡沫比強(qiáng)度(壓縮強(qiáng)度/密度)的形態(tài)存在。具有低于這些優(yōu)選范圍的自由膨脹指數(shù)的煤炭可能即使在有石油瀝青存在的條件下也不能夠適當(dāng)?shù)責(zé)Y(jié)并留下粉狀物質(zhì)或多孔狀物質(zhì)，但不會(huì)膨脹或發(fā)泡；可燃頁(yè)巖呈現(xiàn)出的自由膨脹指數(shù)比上述優(yōu)選范圍要高，它可能在發(fā)泡時(shí)脹起并在自身上皺縮，留下密實(shí)的緊壓物質(zhì)。
石油瀝青可以是任何合適的石油瀝青，只要它的熔點(diǎn)低于上述顆粒狀的煤炭熔點(diǎn)即可，即一般在約50℃和約300℃之間，并且它能在下面描述的使煤炭/石油瀝青摻合物發(fā)泡的處理?xiàng)l件下經(jīng)受起泡過(guò)程。按照后面描述的加工方法，石油瀝青相類(lèi)似地被磨碎成相對(duì)細(xì)小的顆粒物，其粒徑小于約1/4英寸，并在開(kāi)始加工形成本發(fā)明的碳泡沫之前與煤炭顆粒摻合。
這里描述的碳泡沫材料是半結(jié)晶體，或更精確地說(shuō)是湍層有序的并主要是各向同性的，即在所有方向驗(yàn)證的物理性質(zhì)近似相等。這種基于蜂窩狀煤的本發(fā)明產(chǎn)品呈現(xiàn)出300微米或更大的孔徑大小，雖然在所述加工過(guò)程的操作參數(shù)條件下，孔徑大小達(dá)500微米或更大也是可能的。這種基于蜂窩煤產(chǎn)品的導(dǎo)熱性一般會(huì)大于約1.0W/m/°k。典型地，本發(fā)明的碳泡沫材料當(dāng)密度為大約0.4至大約0.5克/厘米3時(shí)，表明的壓縮強(qiáng)度在約3000至約6000psi量級(jí)。為了成功實(shí)踐本發(fā)明，關(guān)鍵的是煤炭原料要有前面指定的約3.5至約5.0的自由膨脹指數(shù)，并優(yōu)選該值在3.75和4.5之間。與適當(dāng)?shù)牟牧弦坏澜n或并入各種強(qiáng)度增進(jìn)添加劑可以進(jìn)一步增加這些蜂窩狀材料的壓縮、拉伸和其它性質(zhì)。通過(guò)碳化或石墨化的進(jìn)一步處理。產(chǎn)生的蜂窩狀產(chǎn)品可被用作電或熱的導(dǎo)體。
本發(fā)明的生產(chǎn)方法包括1)摻合煤炭顆粒和石油瀝青顆粒以形成一種煤炭顆粒/石油瀝青顆粒摻合物，它含有約10至約90重量％的石油瀝青和相應(yīng)平衡至100％的煤炭顆粒，每種顆粒最好具有小的尺寸，即，粒徑小于約1/4英寸；2)把這種煤炭顆粒/石油瀝青顆粒摻合物加熱到適當(dāng)溫度，允許石油瀝青顆粒軟化并“包封”煤炭顆粒從而形成一種“生摻合物”，一般這一溫度值在50°和300℃之間，所需“包封”時(shí)間在軟化發(fā)生后數(shù)分鐘左右；3)在非氧化氛圍中，在“模具”中加熱“生摻合物”，加熱速率為約每分鐘1℃至約20℃，使摻合物溫度達(dá)到約300℃和約700℃之間；4)在約300℃至約700℃之間的溫度下裂化約10分鐘至約12小時(shí)以形成“生泡沫”；5)控制性地冷卻“生泡沫”至低于約100℃的溫度。非氧化氛圍可通過(guò)引入惰性或非氧化性的氣體到模具中來(lái)實(shí)施，所用自由流動(dòng)氣體的壓力為大約0psi，至大約500psi。惰性氣體可以是任何一種普通使用的惰性或非氧化性氣體，諸如氮、氦、氬、CO2等。
煤和石油瀝青顆粒的摻合，可用任何通常的摻合設(shè)備來(lái)實(shí)施，本領(lǐng)域中這類(lèi)設(shè)備一般用來(lái)獲得均勻的顆粒材料摻合物。
“包封”或處理煤炭/石油瀝青顆粒混合物，使煤炭顆粒被軟化的石油瀝青“膜”所環(huán)繞這一過(guò)程，應(yīng)在石油瀝青的軟化范圍的溫度下實(shí)施，要求石油瀝青的軟化溫度低于開(kāi)始膨脹所需的溫度。一般這一溫度在約50℃和約300℃之間，這依賴(lài)于所使用的具體的石油瀝青種類(lèi)。因?yàn)樵谶@一溫度條件下沒(méi)有膨脹或發(fā)泡過(guò)程能被引發(fā)，所以加熱速率并不是特別關(guān)鍵性的。裂化時(shí)間或顆粒混合物在石油瀝青的軟化溫度或稍高于軟化溫度條件下的停留時(shí)間，類(lèi)似地也不具有關(guān)鍵性的重要性，只要軟化的石油瀝青“膜”能包封煤炭顆粒就行。這一包封過(guò)程一般在數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí)期間即可完成，并且還可以通過(guò)提供“翻滾”或增加煤炭顆粒和軟化的石油瀝青之間的接觸這類(lèi)方法來(lái)加速。
像本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的那樣，如上所述的把煤炭顆粒用軟化的石油瀝青在“生摻合物”中“包封”的過(guò)程可以在模具之外來(lái)完成，并隨后把“生摻合物”再放入模具中，或者“包封”操作可以在模具中進(jìn)行，隨后進(jìn)行加熱并達(dá)到碳泡沫材料形成的目的。
術(shù)語(yǔ)“模具”，像這里所使用的那樣，是意指一種為使擴(kuò)漲的煤炭形成受控尺寸的機(jī)構(gòu)。這樣，為本發(fā)明的目的，任何槽室，在加熱前或加熱過(guò)程中可把煤炭/石油瀝青顆粒沉積在其中，并且在“生摻合物”達(dá)到適當(dāng)?shù)摹鞍狻焙团蛎洔囟葧r(shí)，能包含這種擴(kuò)漲的多孔煤炭并使之成型為某些預(yù)定的構(gòu)造諸如平的片狀；彎曲的片狀；成型的物體；建筑部件；棒；管或任何其它需要的固體形狀產(chǎn)品的，都可被認(rèn)為是一種“模具”。
一般在加熱和裂化操作過(guò)程中，不希望反應(yīng)槽室或模具有通氣口或泄漏存在。槽室的壓力和增加其中揮發(fā)性物質(zhì)的含量?jī)A向于阻礙進(jìn)一步的揮發(fā)，同時(shí)碳泡沫在指定的升高溫度條件下燒結(jié)。如果在裂化過(guò)程中熔爐漏氣或泄漏，則可能只有不夠充分?jǐn)?shù)量的揮發(fā)性物質(zhì)存在，來(lái)允許煤炭顆粒的顆粒之間的燒結(jié)，于是導(dǎo)致形成燒結(jié)的粉末，而不是所需的蜂窩狀產(chǎn)物。這樣，按照本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案，非氧化氣體和產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)的漏氣或泄漏被抑制將有利于生產(chǎn)出一種可接受的蜂窩狀產(chǎn)物或泡沫材料。
其它更多的普通發(fā)泡劑可在膨脹以前加到這種顆粒摻合物中去，以增進(jìn)或者修飾形成孔隙的操作。
像熟悉加壓氣體釋出反應(yīng)的技術(shù)人員已知的那樣，當(dāng)反應(yīng)容器、在目前情況下是模具中壓力增加，即由非氧化氣體施加而從0psi增加到500psi時(shí)，反應(yīng)時(shí)間會(huì)增加，并且產(chǎn)生的多孔性煤的密度也將增加，因?yàn)樵谂蛎浀拿褐兴a(chǎn)生的“泡沫”或微孔的尺寸減小了。類(lèi)似地，在例如大約400℃的低燒結(jié)溫度下會(huì)得到較大的微孔或泡沫尺寸，結(jié)果，就得到密度比在大約600℃下燒結(jié)時(shí)所得的煤炭要低的膨脹煤炭。進(jìn)一步，加熱速率也將會(huì)影響孔徑大小，更快的加熱速率導(dǎo)致較小的孔徑大小，于是形成比較緩慢加熱速率條件下更為密實(shí)的膨脹煤炭產(chǎn)物。當(dāng)然，這些現(xiàn)象是由于揮發(fā)物釋出反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)所導(dǎo)致的，這類(lèi)反應(yīng)如剛才所描述那樣，會(huì)受到環(huán)境壓力、溫度以及該溫度下能達(dá)到的反應(yīng)速率的影響。這些工藝變量可被用來(lái)定制生產(chǎn)本發(fā)明的碳泡沫材料，使之具有寬廣范圍的受控制的密度、強(qiáng)度等性質(zhì)。
燒結(jié)后生泡沫的冷卻不是特別關(guān)鍵性的，除非由于不希望有的熱應(yīng)力發(fā)展的結(jié)果導(dǎo)致生泡沫的裂解。典型的冷卻速度小于10℃/分，一直冷卻到大約100℃，用來(lái)防止由于熱沖擊產(chǎn)生的裂解。但稍為更高些但要小心控制的冷卻速率可被用來(lái)在產(chǎn)物的開(kāi)放蜂窩結(jié)構(gòu)上獲得“密封的表層”，如下所述。低于100℃以下的冷卻速率已沒(méi)有任何重要性。
在高揮發(fā)性煙煤/石油瀝青顆粒摻合物像剛才描述的那樣膨脹并形成生泡沫以后，這種多孔或泡沫型產(chǎn)物是一種開(kāi)放的蜂窩化材料。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一些技術(shù)來(lái)“密封”開(kāi)放蜂窩結(jié)構(gòu)的表面，以改進(jìn)它的粘合能力，以便進(jìn)一步制造和組裝一些部件。例如，可將一層市售石墨粘合劑涂布在其表面并在升高的溫度下熟成，或在室溫熟成以提供一層粘合劑表層。另外，膨脹操作可通過(guò)冷卻膨脹后的煤炭產(chǎn)物、或在膨脹后快速地，例如以10℃/分或更快的冷卻速率進(jìn)行預(yù)制來(lái)進(jìn)行修飾。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種工藝修飾可導(dǎo)致在預(yù)制物或產(chǎn)物上形成更密實(shí)的表層，它為預(yù)制物或產(chǎn)物的外面提供了封閉了微孔的表面。在這些冷卻速率條件下，必須實(shí)施熟成操作以避免預(yù)制物或產(chǎn)物的裂解。
膨脹之后，按本發(fā)明方法產(chǎn)生的生泡沫可容易地進(jìn)行機(jī)加工，可鋸開(kāi)，并可用普通的組裝技術(shù)容易地進(jìn)行組裝。
像剛才所描述那樣生產(chǎn)出生泡沫以后，可按普通工藝將其置于碳化和/或石墨化操作以獲得后面描述的具體應(yīng)用中所需的特定性質(zhì)。也可以實(shí)施臭氧化，如果生泡沫的活化在最終產(chǎn)物的應(yīng)用諸如作為空氣過(guò)濾時(shí)是有用的話(huà)。另外，在膨脹操作之前或以后，可往煤炭/石油瀝青摻合物中加入各種添加劑和結(jié)構(gòu)增強(qiáng)劑來(lái)增進(jìn)特定的力學(xué)性質(zhì)，諸如斷裂應(yīng)力、斷裂韌性、和沖擊耐受性。例如，顆粒、須晶、纖維、板片等合適的碳質(zhì)或陶瓷的組合物可被并入生泡沫中去以增進(jìn)其機(jī)械性能。
本發(fā)明的碳泡沫材料可另外地用，例如，其它的石油瀝青、環(huán)氧樹(shù)脂或其它聚合物，通過(guò)真空協(xié)助的樹(shù)脂轉(zhuǎn)移工藝類(lèi)型來(lái)浸漬。并入這類(lèi)添加劑提供了類(lèi)似于那些在碳復(fù)合物材料中顯示的負(fù)重轉(zhuǎn)移優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上是產(chǎn)生了三維復(fù)合物，后者顯示出增進(jìn)的沖擊耐受力和負(fù)重轉(zhuǎn)移性質(zhì)。
在膨脹過(guò)程中的冷卻步驟會(huì)導(dǎo)致低于約5％、一般在大約2％至大約3％量級(jí)的某種相對(duì)小的收縮。這種收縮在生產(chǎn)具有特定維度的接近網(wǎng)狀形態(tài)的碳泡沫時(shí)必須考慮在內(nèi)，并且根據(jù)具體使用的煤炭/石油瀝青原料通過(guò)嘗試法很容易測(cè)定它。通過(guò)加入某些惰性的固體材料諸如焦炭顆粒、陶瓷顆粒、來(lái)自煤膨脹工藝的磨碎的廢料等，就像在陶瓷制作中通常的實(shí)踐那樣，可使這種收縮進(jìn)一步減小。
碳化，有時(shí)被稱(chēng)為煅燒，一般是在合適的惰性氣體中以小于每分鐘5℃的加熱速率把生泡沫加熱到大約800℃至大約1200℃之間的溫度，并裂化大約1小時(shí)至大約3小時(shí)或更多小時(shí)來(lái)實(shí)施的。合適的惰性氣體是上面描述過(guò)的那些能耐受這種高溫的氣體。惰性氣體提供的氣壓為大約0psi至幾個(gè)大氣壓。這種碳化/煅燒工藝是用來(lái)除去存在于生泡沫中的所有非碳元件，諸如硫、氧、氫等。
石墨化，一般涉及在碳化之前或以后，在氦氣或氬氣氛中，以每分鐘低于10℃、優(yōu)選每分鐘約1℃至約5℃的加熱速率，把生泡沫材料加熱到大約1700℃和大約3000℃之間的溫度，并進(jìn)行裂化不到約1小時(shí)的時(shí)間。再一次，提供的惰性氣體的壓力范圍為約0psi到幾個(gè)大氣壓。
按照上述實(shí)驗(yàn)操作程序加工得到的碳泡沫材料可被用于范圍寬廣的產(chǎn)品應(yīng)用中，其中的一些，但不是所有的應(yīng)用將被進(jìn)一步概括地描述。
或許能用本發(fā)明碳泡沫材料制造的最簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，是各種輕質(zhì)片材產(chǎn)品，它們?cè)诮ㄖI(yè)中是有用的。這類(lèi)產(chǎn)品可包括把各種貼面材料層壓到使用適當(dāng)粘合劑的預(yù)制材料的平面片材表面上。例如，一種很輕并相對(duì)廉價(jià)的壁板可簡(jiǎn)單地把紙層壓到它對(duì)面的平面表面上制成，而一種更高級(jí)的簾壁產(chǎn)品則往其中層壓有鋁片、高聚物或用纖維增強(qiáng)的高聚物片或甚至是不銹鋼片。具有輕質(zhì)、低值并有適當(dāng)強(qiáng)度的各式各樣的這類(lèi)產(chǎn)品可容易地展望會(huì)用于壁板、建筑用壁板、隔板等。本發(fā)明的材料呈現(xiàn)出隔音和對(duì)振動(dòng)的耐受性，因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)良的對(duì)聲音和振動(dòng)的衰減性質(zhì)。由于在最初的顆粒摻合物中存在石油瀝青，因此受控制的導(dǎo)熱性也可以被設(shè)計(jì)到碳泡沫材料中。
這些材料的層壓物甚至可被用來(lái)生產(chǎn)并入構(gòu)件中的加熱元件，因?yàn)槭男静漠?dāng)連接到合適的電能源時(shí)可以用作電熱元件。
類(lèi)似的基于表面層壓碳泡沫芯材的產(chǎn)品在運(yùn)輸工業(yè)中也能找到用處，因?yàn)檫\(yùn)輸工業(yè)總是需要較輕的、并特別是防火的壁材、隔板、容器等。這類(lèi)產(chǎn)品如果需要具有防火性或阻燃性，當(dāng)然要求碳泡沫材料在應(yīng)用于外部表面之前按上面描述的方法碳化。
本發(fā)明的碳泡沫材料還有另外的產(chǎn)品用途，即作為目前普遍應(yīng)用于熔融金屬諸如鋁的過(guò)濾操作中的陶瓷泡沫濾器的替代物，以除去熔融金屬中的污染物，后者也被稱(chēng)為包合物。流行的陶瓷泡沫濾器比較昂貴并且極易破碎，使用上述制造工藝，可能容易地生產(chǎn)出具有適當(dāng)孔徑大小、并和陶瓷泡沫濾器具有同樣大小和形狀的由這里的敘述的碳泡沫類(lèi)型的材料的濾器，用于這種型式的熔融金屬過(guò)濾。這種更結(jié)實(shí)、即較不容易破碎的濾器的成本，將大大低于可比較的陶瓷泡沫濾器。
本發(fā)明的碳泡沫材料在熱交換領(lǐng)域還有其它的產(chǎn)品應(yīng)用。在這種用途中，石墨化的碳泡沫材料的傳熱性質(zhì)可被開(kāi)發(fā)來(lái)生產(chǎn)一種熱交換器，后者能夠從流經(jīng)多孔泡沫的被加熱的流體(氣體或液體)中提取熱量。在這種情況下，碳泡沫材料是被結(jié)合到適當(dāng)?shù)膫鳠釞C(jī)件諸如鋁表層上。
像已經(jīng)提到的那樣，本發(fā)明的碳泡沫材料可被生產(chǎn)成任何固體的幾何形狀。用任何數(shù)量的經(jīng)修飾的普通工藝技術(shù)諸如擠壓、注模法等，這樣的生產(chǎn)是可能的。在每個(gè)這樣的實(shí)例中，當(dāng)然必須修改工藝以適應(yīng)原料煤炭的加工特性。例如，在擠壓這類(lèi)產(chǎn)品時(shí)，像下面要敘述的那樣，煤粉原料是用螺旋推運(yùn)器進(jìn)料到膨脹室中，在其中原料被膨脹并在它仍然是粘滯狀態(tài)、即在顆粒摻合物的“塑性范圍”時(shí)，就把它從膨脹室中擠出。在從擠出模板出料時(shí)，材料被冷卻以提供具有所需要的和預(yù)定尺寸的固體形狀。當(dāng)然，“包封”可以通過(guò)把生摻合物加熱到低于膨脹點(diǎn)的溫度，即低于大約300℃來(lái)達(dá)成，把“包封的摻合物”進(jìn)料到螺旋推進(jìn)器中，在那里有另外的熱量被賦予顆粒狀摻合物來(lái)引發(fā)膨脹，并正好在擠壓通過(guò)擠出模板之前達(dá)成最終的加熱和膨脹。
可以預(yù)期會(huì)有類(lèi)似的、較小的工藝修飾，以注模法、鑄塑法等其它類(lèi)似的普通材料制造工藝可用來(lái)制造本發(fā)明的碳泡沫材料。
如本發(fā)明已經(jīng)描述過(guò)的那樣，顯然本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以許多方法對(duì)同一方法進(jìn)行改變而無(wú)需偏離本發(fā)明的精神和范圍，任何以及所有的這類(lèi)改變都打算被包括在所附的權(quán)利要求范圍以?xún)?nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用如下?lián)胶衔飦?lái)生產(chǎn)的半結(jié)晶、主要呈現(xiàn)各向同性的碳泡沫材料，該摻合物包含1)約10至約90％重量百分?jǐn)?shù)的高揮發(fā)性煙煤顆粒，后者的自由膨脹指數(shù)在大約3.5和大約5.0之間；和2)約90至約10重量百分?jǐn)?shù)的石油瀝青顆粒；所說(shuō)的碳泡沫材料具有約0.1至約0.6克/厘米3之間的密度。
2.權(quán)利要求1中的碳泡沫材料，其中所說(shuō)煙煤的自由膨脹指數(shù)在約3.75至約4.5之間。
3.權(quán)利要求2的碳泡沫材料，它具有低于約6,000psi的壓縮強(qiáng)度。
4.權(quán)利要求2的碳泡沫材料，它已被碳化。
5.權(quán)利要求2的碳泡沫材料，它已被石墨化。
6.權(quán)利要求1的半結(jié)晶、主要呈現(xiàn)各向同性的碳泡沫材料，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤包含按重量計(jì)約35％和45％之間的揮發(fā)性物質(zhì)。
7.權(quán)利要求6的半結(jié)晶、主要呈現(xiàn)各向同性的碳泡沫材料，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤具有約380℃以上的Gieseler初始軟化溫度。
8.權(quán)利要求7的半結(jié)晶、主要呈現(xiàn)各向同性的碳泡沫材料，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤具有約380℃至約400℃之間的Gieseler初始軟化溫度。
9.權(quán)利要求6的半結(jié)晶、主要呈現(xiàn)各向同性的碳泡沫材料，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤具有至少約50℃的塑性范圍。
10.權(quán)利要求9的半結(jié)晶、主要呈現(xiàn)各向同性的碳泡沫材料，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤具有約75℃至約100℃的塑性范圍。
11.權(quán)利要求9的半結(jié)晶、主要呈現(xiàn)各向同性的碳泡沫材料，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤具有按ASTM D 2639所測(cè)定的、至少數(shù)百ddpm的最大流動(dòng)性。
12.權(quán)利要求9的半結(jié)晶、主要呈現(xiàn)各向同性的碳泡沫材料，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤具有按ASTM D 2639所測(cè)定的、大于2000ddpm的最大流動(dòng)性。
13.權(quán)利要求9的半結(jié)晶、主要呈現(xiàn)各向同性的碳泡沫材料，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤呈現(xiàn)按Arnu膨脹試驗(yàn)所測(cè)定的、至少約20％的膨脹。
14.權(quán)利要求13的半結(jié)晶、主要呈現(xiàn)各向同性的碳泡沫材料，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤呈現(xiàn)按Arnu膨脹試驗(yàn)所測(cè)定的、至少約100％的膨脹。
15.權(quán)利要求13的半結(jié)晶、主要呈現(xiàn)各向同性的碳泡沫材料，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤1)包含；A)按重量計(jì)約50至約60％的固定碳；和B)按重量計(jì)低于約30％的惰性煤中礦物組份細(xì)微組織材料；2)呈現(xiàn)出按ASTM D 2798所測(cè)定的、約0.80和約0.95范圍內(nèi)的煤榆膠反射度；以及3)呈現(xiàn)出按ASTM D 2798所測(cè)定的、0.0體積％中等或嚴(yán)重的氧化。
16.權(quán)利要求1的半結(jié)晶、主要呈現(xiàn)各向同性的碳泡沫材料，它具有約0.2克/厘米3至約0.6克/厘米3之間的密度。
17.權(quán)利要求6的碳泡沫材料，它已被碳化。
18.一種由摻合物生產(chǎn)碳泡沫材料的方法，該摻合物包含1)約10至約90重量％的具有約3.5和約5.0之間的自由膨脹指數(shù)的高揮發(fā)性煙煤顆粒；2)約90至約10重量％的具有約50和約300℃之間的軟化溫度的石油瀝青；該方法包括A.把所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤的粉細(xì)顆粒和所說(shuō)石油瀝青的粉細(xì)顆粒進(jìn)行摻合以形成一種生摻合物；B.在一定溫度加熱所說(shuō)的生摻合物適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，以使所說(shuō)的顆粒狀煤封裝到所說(shuō)的石油瀝青中，形成被封裝的煤顆粒；C.在非氧化氛圍中，在模具中加熱所說(shuō)的被封裝的煤顆粒，使溫度達(dá)到約300℃至約700℃之間，并在此溫度下進(jìn)行裂化約10分鐘至約12小時(shí)，以形成所說(shuō)的碳泡沫材料；D.控制地冷卻所說(shuō)的碳泡沫材料。
19.權(quán)利要求18的方法，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤呈現(xiàn)約3.75至約4.5之間的自由膨脹指數(shù)。
20.權(quán)利要求18的方法，其中所說(shuō)的惰性氛圍的壓力為約0psi至約500psi。
21.權(quán)利要求18的方法，其中所說(shuō)的溫度是用每分鐘約1℃至約20℃之間的加熱速率來(lái)達(dá)到的。
22.權(quán)利要求18的方法，其中所說(shuō)的控制冷卻是通過(guò)低于約10℃/分鐘的冷卻速率冷卻到約100℃來(lái)實(shí)施的。
23.權(quán)利要求18的方法，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤包含按重量計(jì)約35％和45％之間的揮發(fā)性物質(zhì)。
24.權(quán)利要求23的方法，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤具有約380℃以上的Gieseler初始軟化溫度。
25.權(quán)利要求24的方法，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤具有約380℃至約400℃之間的Gieseler初始軟化溫度。
26.權(quán)利要求18的方法，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤具有至少約50℃的塑性范圍。
27.權(quán)利要求26的方法，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤具有約75℃至約100℃的塑性范圍。
28.權(quán)利要求26的方法，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤具有按ASTM D26 39所測(cè)定的、至少數(shù)百ddpm的最大流動(dòng)性。
29.權(quán)利要求26的方法，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤具有按ASTM D2639所測(cè)定的、大于2000ddpm的最大流動(dòng)性。
30.權(quán)利要求26的方法，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤呈現(xiàn)出按Arnu膨脹試驗(yàn)所測(cè)定的、至少約20％的膨脹。
31.權(quán)利要求30的方法，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤呈現(xiàn)出按Arnu膨脹試驗(yàn)所測(cè)定的、至少約100％的膨脹。
32.權(quán)利要求30的方法，其中所說(shuō)的高揮發(fā)性煙煤1)包含A)按重量計(jì)約50至約60％的固定碳；以及B)按重量計(jì)低于約30％的惰性的煤中礦物組份細(xì)微組織材料；2)呈現(xiàn)出按ASTM D 2798所測(cè)定的、約0.80和0.95范圍內(nèi)的煤榆膠反射度；以及3)呈現(xiàn)出按ASTM D 2798所測(cè)定的、0.0體積％中等或嚴(yán)重的氧化。
33.權(quán)利要求18的方法，其中所說(shuō)的碳泡沫材料具有約0.2克/厘米3和約0.6克/厘米3之間的密度。
全文摘要
按照本發(fā)明，主要用描述于美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列編號(hào)09/902,828相一致的方法來(lái)生產(chǎn)碳泡沫材料，但所用的原料包含按重量計(jì)約10至約90％的磨碎的石油瀝青和按重量計(jì)約90至約10％的煙煤顆粒，后者所呈現(xiàn)的自由膨脹指數(shù)為大約3.5至大約5.0。
文檔編號(hào)C04B38/02GK1646668SQ03807818
公開(kāi)日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2003年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月5日
發(fā)明者D·K·羅杰斯, J·W·普魯欽斯基 申請(qǐng)人:塔奇斯通研究實(shí)驗(yàn)室有限公司