炭膜制备及其孔结构调控

炭膜作为近年发展起来的一种新型无机分离膜,有着广阔的应用前景.炭膜的孔结构是影响炭膜性能的根本性因素.评述了炭膜的分类和制备,着重阐述了原料性质、添加剂、炭化条件等主要因素对炭膜支撑体孔结构的影响以及预氧化条件对沥青基非支撑体炭膜孔结构的影响.并详细介绍了炭膜分离层孔结构的调控方法.     

管式炭膜孔结构及强度控制

以石油焦为原料,研究了原料粒度及混入中温沥青、酚醛树脂、田菁粉和淀粉等添加荆对管式炭膜孔结构和膜强度的影响.结果表明,随原料平均粒径的减小,所制得管式炭膜的平均孔径减小,但强度增大;加入酚醛树脂、田菁粉和淀粉等添加剂使炭膜孔径增大,但强度减小,而加入中温沥青则与之相反;以田菁粉为添加剂时炭膜的平均孔径达0.319μm,强度为4.40N/mm,以中温沥青为添加剂时炭膜的平均孔径为0.174μm,但强度高达13.78N/mm.     

聚丙烯腈炭-炭气体分离复合膜的制备

以聚丙烯腈(PAN)为前驱体采用浸渍涂膜法在煤基炭管支撑体上制备出聚丙烯腈炭-炭复合膜,考察了涂膜液浓度,浸涂和干燥条件以及涂膜次数对聚丙烯腈炭-炭复合膜性能的影响.结果表明,涂膜液浓度、干燥条件以及涂膜次数对炭-炭复合膜性能的影响显著.随着涂膜液浓度的增大,炭-炭复合膜的平均孔径和气体通量均呈现先减后增的趋势.升高干燥温度和延长干燥时间,使炭-炭复合膜平均孔径减小,但当达到一定程度时变化不明显.增加涂膜次数使炭-炭复合膜平均孔径减小,但过多的涂膜次数会使膜层在炭化后产生裂纹和剥落现象.通过调整实验参数制备出了复合效果较好,表面光滑无缺陷的聚丙烯腈炭-炭复合膜.     

热固性酚醛树脂基微滤炭膜的制备

实验合成了球形热固性酚醛树脂微粒,并以此为原料制备了微滤炭膜.炭膜的孔径分布结果表明,在原料粒度较小的情况下,所制得的炭膜孔径分布较窄,平均孔径和气体透量较小.对几种常见的粘结剂进行了筛选,当以甲基纤维素为粘结剂时,随着甲基纤维素用量的增加,微滤炭膜的孔径分布变窄,平均孔径及气体透量减小.炭化条件中炭化终温对炭膜性能的影响较大.     

气体分离炭膜的结构设计、制备及功能化

气体渗透性低、机械强度差是炭膜产业化道路上的两大难题.研究发现,根源在于炭膜的蠕虫状孔道结构与均质炭膜的特有性质.为了解决炭膜渗透性低的问题,通过选择适宜的聚合物前驱体的分子结构与空间构型结合填充纳米粒子为功能基团等手段,实现对炭膜蠕虫状孔结构有效地调控与重新构建.在保证高选择性的条件下,不仅使炭膜的气体渗透性能提高了2个数量级以上,而且还使炭膜对某些气体具有较高分离选择性的功能化效果.为了改善炭膜的机械强度,将自主研发的廉价煤基炭膜支撑体与前驱体相复合,采用简单的制膜工艺,制备得到复合性能好、气体分离性能高的复合炭膜.     

酚醛树脂基微滤炭膜的制备及表征

以酚醛压塑粉为原料,用炭化法制备了平均孔径为0．30－3．3um,孔径分布狭窄,孔隙率为40－55％,的管状炭膜,研究了原料粒度,成型压力,添加剂种类及含量等对的平均孔径和孔径分布的影响,测定了膜的水和N2通量,并用扫描电镜观察膜的形态结构,结果表明,随着原料粒度的增加和成型压力的减少,炭膜的平均孔径增大,孔径分布变宽,气体通量和水通量增大,添加剂对炭膜性能也有影响,将所制得的炭膜用于染料水处理,取得了较好的效果。     

两种添加剂对煤族组分制陶瓷-炭复合膜的改性研究

以煤萃取反萃取法分离所得煤密中质组分溶胶为涂覆液,通过添加聚乙二醇和氯化锌两种改性剂,研究了它们对制备的陶瓷-炭复合膜性能的影响,考察了复合膜的孔隙率、纯水渗透率以及对Fe(OH)3胶体和牛血清蛋白溶胶的截留率与改性剂加入量的关系。结果表明:添加5%体积比的聚乙二醇或添加8%质量比的氯化锌,可显著改善所制陶瓷-炭复合膜的性能;添加聚乙二醇可调节涂膜液的稠度,从而有利于涂膜液在支撑体表面形成均匀的膜层;但添加过量,会使涂膜液过稠而变得浑浊,不利于支撑体表面均匀膜层的形成,且容易封堵支撑体孔隙口;添加氯化锌可使其与涂膜液中的溶剂NMP产生较强的相互作用,使NMP对煤密中质组分胶粒的分散能力减弱,涂膜液的黏度显著提高;所制陶瓷-炭复合膜分离层与支撑体复合良好,膜层连续、平整且较均匀;改性剂可使孔径明显减小,从而有利于截留率的提高。     

有序介孔复合炭膜的制备及其性能研究

采用软模板法合成有序介孔炭(OMC),利用XRD、TEM及SEM等分析方法对其进行结构性能分析,探讨了催化剂和模板剂的种类及用量、反应温度等合成工艺条件对形成OMC结构性能的影响。以最佳工艺条件制备的OMC前驱体为涂膜液涂敷在管状微滤炭膜表面,经炭化制得有序介孔复合炭膜,而后考察了复合炭膜的气体渗透性能。结果表明:以盐酸为催化剂、模板剂F127/间苯二酚摩尔比为0.0081、反应温度为30℃时,可合成有序程度最佳的OMC前驱体。用该OMC前驱体涂敷微滤炭膜制备的有序介孔复合炭膜,改善了微滤炭膜的孔结构,最大孔径由0.530μm减小至0.299μm,同时提高了炭膜的气体渗透通量。其中,由混煤微滤炭膜所制有序介孔复合炭膜,N2气渗透通量达1.18·10-8m3·m-2·s-1·Pa-1,是未经修饰烟煤微滤炭膜的4倍。     

溶胶—凝胶法制备的SiO2膜的结构与性质

本文用ＴＥＯＳ和硅溶胶作原料，用溶胶－凝胶法制备了无支撑体和有支撑体的ＳｉＯ２膜。用ＴＥＯＳ制得的无支撑体ＳｉＯ２膜，无１．７ｎｍ以上的微孔，由硅溶胶制得的无支撑体ＳｉＯ２膜平均孔径为７．５ｎｍ，且孔径分布集中，这种差异主要来自于由不同原料制备的溶胶，其聚合物分子具有不同的形态和生长模式。用ＴＥＯＳ作原料，在无过滤层的α－Ａｌ２Ｏ３多孔支撑体上制得了无大孔缺陷、厚约１５μｍ的ＳｉＯ２膜，膜对ＢＳＡ     

通过高温裂解酚醛树脂制备气体分离用炭膜——裂解温度及臭氧后处理的作用分析(英文)

炭膜可以通过各种前驱体,如酚醛树脂的高温裂解方法制备。该过程中,裂解条件对炭膜的性质有较大影响。研究不同裂解温度及臭氧后处理对炭膜的孔隙率及气体吸附行为的影响。结果表明,当裂解温度升高(由500℃提高到800℃),炭膜的平均孔径减小,孔体积与气体吸附能力先增大后减小。在800℃下,炭膜表现出分子筛的分离性能。臭氧后处理过程使炭膜孔径增大,气体吸附效率及动态吸附选择性降低,弱化了炭膜的分离性能。     

管式炭膜制备工艺对膜孔结构的影响

研究了以中间相炭微球为原料,羧甲基纤维素为添加剂制备管式炭膜过程中膜孔的形成及控制.扫描电子显微镜(SEM)分析表明,炭膜中的孔隙主要是由微球堆积的间隙和粘结剂高温分解形成的.热重分析(TG)和气泡法孔径测试结果表明,随着添加剂用量的减少和升温速率的提高,炭膜孔径减小;同时低于800℃炭化处理能够显著增加炭膜孔径.浸渍液浓度的增加和浸渍次数的增加均能减小炭膜平均孔径,说明制备工艺条件的控制是调整膜孔结构的有效手段.     

石墨/酚醛树脂复合材料双极板的制备与性能

双极板是质子交换膜燃料电池的重要组成部分,石墨与聚合物的复合材料双极板是目前研究的重要方向。采用模压热固化二步法,以酚醛树脂为粘结剂、天然鳞片石墨为导电骨料、炭黑为添加剂制备了质子交换膜燃料电池用复合材料双极板。系统研究了不同种类石墨对石墨/酚醛树脂复合材料电性能和抗弯强度的影响。结果表明:以天然鳞片石墨为导电原料时,所制备的石墨/酚醛树脂双极板的性能最好;添加导电炭黑能有效提高石墨/酚醛树脂复合材料的电导率;在复合材料制备中加入4wt%的碳纤维,碳纤维-石墨/酚醛树脂复合材料的抗弯强度提高了29%;碳纤维表面液相氧化处理能有效提高纤维与基体间的结合强度,随着处理时间的延长与处理温度的升高,碳纤维-石墨/酚醛树脂复合材料的电导率和抗弯强度都有很大程度的提高;最终固化温度主要影响酚醛树脂的交联程度,随着最终固化温度的升高,酚醛树脂的交联程度增加,电导率增大,但抗弯强度有一定程度减小。     

炭化温度对酚醛树脂基活性炭孔结构及电化学性能的影响研究

以酚醛树脂为炭前驱体,KOH作活化剂,通过调节炭化温度在相同活化条件下制备了具有不同孔隙结构的活性炭材料.N_2吸附测试表明随着炭化温度降低,活性炭材料比表面积先增大后减小,孔容则不断增大.其中,550℃炭化样品与KOH反应活性最佳,可制得比表面积为2983m~2/g,总孔容为1.58cm~3/g,中孔孔容达到0.59cm~3/g的活性炭材料.采用直流充放电法、交流阻抗法和循环伏安法测定以上述多孔炭为电极材料的双电层电容器的电化学性能,结果表明,PF550活性炭材料电容性能最佳,在有机电解液中100mA/g充放电时,比电容达到160F/g,电流密度增大50倍容量保持率达到82%,显示出良好的功率特性;活性炭材料中存在一定比例的中孔不仅可以改善电极材料的功率特性,而且可以提高微孔的利用率.     

新型管式炭载体上Sukucalite-1型沸石复合膜的制备与性能

以多孔炭管为载体,采用预涂晶种二次生长法在澄清溶液体系制备了炭基-Silicalite-1沸石复合膜.XRD、SEM及气体渗透性能表明合成的炭基-沸石复合膜完整、致密,在室温下,H2/C3H8的理想分离因数达到了13.6,显示出明显的分子筛分性能.沸石直接在无晶种层的炭表面上不易生长成膜,而具有晶种层的炭表面可形成连续沸石膜.用弱极性的乙醇代替常规的水作为晶种溶剂可有效地将晶种引入到非极性的炭表面而形成连续、均匀的晶种涂层.在氮气气氛、793K下焙烧,可以除去复合膜中的有机胺模板剂,并避免炭载体结构的氧化破坏.     

新型管式炭载体上Silicalite-1型沸石复合膜的制备与性能

以多孔炭管为载体, 采用预涂晶种二次生长法在澄清溶液体系制备了炭基- Silicalite-1沸石复合膜. XRD、SEM及气体渗透性能表明: 合成的炭基-沸石复合膜完整、致密, 在室温下, H₂/C₃H₈ 的理想分离因数达到了13.6, 显示出明显的分子筛分性能. 沸石直接在无晶种层的炭表面上不易生长成膜, 而具有晶种层的炭表面可形成连续沸石膜. 用弱极性的乙醇代替常规的水作为 晶种溶剂可有效地将晶种引入到非极性的炭表面而形成连续、均匀的晶种涂层. 在氮气气氛、793K下焙烧, 可以除去复合膜中的有机胺模板剂, 并避免炭载体结构的氧化破坏.     

活化剂对焦煤基多孔碳制备的影响及其在锂硫电池中的应用

煤炭作为一种来源广泛的非金属矿物,是制备大量多孔碳的理想原料。本文以1/3焦煤为原料,NaOH和KOH为活化剂,制备了多孔碳,并研究了硫/多孔碳复合正极材料的电化学性能。结果表明:采用NaOH和KOH单独活化时制备的多孔碳比表面积很大,分别为1 649 m2/g和1 867 m2/g,而采用NaOH和KOH混合活化制备的多孔碳比表面积大幅度下降,当NaOH与KOH质量比为1:1活化时多孔碳的比表面积最小,为290 m2/g。电化学测试表明,NaOH与KOH质量比为1:1混合活化的硫/多孔碳正极材料的电性能优于NaOH和KOH单独活化的硫/多孔碳正极材料,0.2 C下首次放电比容量为790 mA·h/g,库仑效率为93.16%,100次循环后放电比容量为740 mA·h/g。还分析讨论了煤基多孔碳孔径分布对电化学性能的影响。      

Ablation Property of Ceramics/Carbon Fibers/Resin Novel Super-hybrid Composite

A novel super-hybrid composite (NSHC) is prepared with three-dimension reticulated SiC ceramic (3DRC), high performance carbon fibers and modified phenolic resin (BPR) in this paper. Ablation performance of super-hybrid composite is studied. The results show that the NSHC has less linear ablation rate compared with pure BPR and CF/BPR composite, for example, its linear ablation rate is 50% of CF/BPR at the same fiber content. Mass ablation rate of the NSHC is slightly lower than that of pure BPR and CF/BPR composite because of their difference in the density. Scanning electron microscopic analysis indicates that 3DRC can increase anti-erosion capacity of materials because its special reticulated structure can control the deformation of materials and strengthen the stability of integral structure.     

Preparation and microstructural evolution of carbon/carbon composites

Carbon/carbon (C/C) composites with characteristic matrix-crack pattern are key intermediate materials for preparation of carbon/silicon carbide (C/C–SiC) composites. The C/C composites were prepared by pyrolyzing carbon fiber/phenolic resin preform. The change of density, open porosity, mass loss and specially the microstructural evolution of the composites during pyrolysis at 200–900 °C was analyzed, which provided important information for preparation of C/SiC composites by infiltration of silicon. An increasing number of regular spacing cracks were formed above 400 °C. After pyrolysis at 900 °C, the pore volume was 0.17 cm³/g, and the pores in the radius range of 2.44–122.19 μm occupied 81% of the pore volume.