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石墨化竹炭的微观结构及其复合材料的制备与性能

来源期刊:中国有色金属学报2011年第3期

论文作者:杨荔 刘洪波 张东升 邓丛静 孙小生 陈惠

文章页码:648 - 655

关键词:复合材料;竹炭;石墨化;酚醛树脂

Key words:composite; bamboo charcoal; graphitization; phenolic resin

摘    要:采用SEM及XRD技术表征经2 800 ℃石墨化处理的竹炭的微观结构;以石墨化竹炭为导电骨料、酚醛树脂为粘结剂、炭黑为添加剂,采用模压成型法制备石墨化竹炭/酚醛树脂复合材料;考察石墨化竹炭的粒度、酚醛树脂用量、炭黑添加方式和用量、成型压力及固化温度等工艺因素对复合材料性能的影响。结果表明:增大竹炭粉粒的粒径、增加炭黑用量和提高固化温度有利于提高复合材料的导电性,但会不同程度地影响复合材料的力学性能、显气孔率和吸水率;随着酚醛树脂用量的增加,复合材料的抗弯强度提高,导电性、吸水率和显气孔率下降;提高成型压力可同时提高复合材料的性能;制备竹炭/酚醛树脂复合材料的最佳工艺条件为竹炭粒度≤75 μm、树脂用量30%(质量分数)、炭黑用量5%(质量分数)、成型压力280 MPa、固化温度180 ℃。

Abstract: The microstructure of bamboo charcoal graphitized at 2 800 ℃ was investigated by SEM and XRD. The bamboo charcoal/phenolic resin composite was prepared by compression molding technology, using bamboo charcoal graphitized at 2 800 ℃ as the conductive filler, phenolic resin as the binder and carbon black as the additive. The influences of the particle size of bamboo charcoal, resin content, adding way and content of carbon black, molding pressure and curing temperature on the properties of the composites were investigated. The results show that it is beneficial to improving the conductivity of the composites by increasing the particle size of bamboo charcoal, carbon black content and curing temperature, but the mechanical properties, porosity and absorption change more or less. With the increase of the content of phenolic resin, the flexural strength of the composite increases, in contrary, the conductivity, porosity and absorption decrease. Increasing the molding pressure can improve all properties of the composite simultaneously. The optimum particle size, resin content, carbon black content, molding pressure and curing temperature should be ≤75 μm, 30% (mass fraction), 5% (mass fraction), 280 MPa and 180 ℃, respectively.



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文章编号:1004-0609(2011)03-0648-08

石墨化竹炭的微观结构及其复合材料的制备与性能

杨 荔1, 刘洪波1, 张东升2, 邓丛静2, 孙小生1, 陈 惠1

(1. 湖南大学 材料科学与工程学院,长沙 410082;2. 国家林业局 林产工业规划设计院,北京 100010)

摘  要:采用SEM及XRD技术表征经2 800 ℃石墨化处理的竹炭的微观结构;以石墨化竹炭为导电骨料、酚醛树脂为粘结剂、炭黑为添加剂,采用模压成型法制备石墨化竹炭/酚醛树脂复合材料;考察石墨化竹炭的粒度、酚醛树脂用量、炭黑添加方式和用量、成型压力及固化温度等工艺因素对复合材料性能的影响。结果表明:增大竹炭粉粒的粒径、增加炭黑用量和提高固化温度有利于提高复合材料的导电性,但会不同程度地影响复合材料的力学性能、显气孔率和吸水率;随着酚醛树脂用量的增加,复合材料的抗弯强度提高,导电性、吸水率和显气孔率下降;提高成型压力可同时提高复合材料的性能;制备竹炭/酚醛树脂复合材料的最佳工艺条件为竹炭粒度≤75 μm、树脂用量30%(质量分数)、炭黑用量5%(质量分数)、成型压力280 MPa、固化温度180 ℃。

关键词:复合材料;竹炭;石墨化;酚醛树脂

中图分类号:TB321       文献标志码:A

Microstructure of graphitized bamboo charcoal and preparation and properties of its composite

YANG Li1, LIU Hong-bo1, ZHANG Dong-sheng2, DENG Cong-jing2, SUN Xiao-sheng1, CHEN Hui1

(1.College of Material Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;

2. Planning and Design Institute of Forest Products Industry, State Forestry Administration, Beijing 100010, China)

Abstract: The microstructure of bamboo charcoal graphitized at 2 800 ℃ was investigated by SEM and XRD. The bamboo charcoal/phenolic resin composite was prepared by compression molding technology, using bamboo charcoal graphitized at 2 800 ℃ as the conductive filler, phenolic resin as the binder and carbon black as the additive. The influences of the particle size of bamboo charcoal, resin content, adding way and content of carbon black, molding pressure and curing temperature on the properties of the composites were investigated. The results show that it is beneficial to improving the conductivity of the composites by increasing the particle size of bamboo charcoal, carbon black content and curing temperature, but the mechanical properties, porosity and absorption change more or less. With the increase of the content of phenolic resin, the flexural strength of the composite increases, in contrary, the conductivity, porosity and absorption decrease. Increasing the molding pressure can improve all properties of the composite simultaneously. The optimum particle size, resin content, carbon black content, molding pressure and curing temperature should be ≤75 μm, 30% (mass fraction), 5% (mass fraction), 280 MPa and 180 ℃, respectively.

Key words: composite; bamboo charcoal; graphitization; phenolic resin

大部分无机材料具有导电和导热性好、耐高温、机械强度高及化学稳定性好等优点[1],而高分子材料具有密度低、比强度和比模量低、耐蚀性能优良、粘结强度高、成型工艺简单及成本低等特点[2],因此,将高分子材料良好的可加工性和无机材料的高导电性结合起来所制备的复合材料已广泛应用于化工、机械及电子等领域[3-6]。常用的无机导电材料有炭黑、石墨、炭纤维和金、银、铜等金属及其氧化物、碳化物或合金纤维、以及经金属化处理的无机粉末或无机纤维等;常用的高分子材料有酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯等热固性树脂以及聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯硫醚和聚醚酮等热塑性树脂。

传统的炭石墨材料是以煤和石油等不可再生资源为原料的加工产物,如煤沥青、沥青焦和石油焦为主要原料,通过一系列工艺过程得到的一种无机导电材料。随着化石能源和资源的日益减少、价格高涨以及社会对环境保护的关注,人们已开始将制备炭石墨材料的目光集中到可再生资源上[1]。竹材作为一种资源丰富、更新速度快的可再生材料在替代石油及煤炭等不可再生矿产资源方面十分重要。竹材在高温下热解后得到的竹炭,具有细密多孔、比表面积大、吸附力强及导电性好等特点,在很多应用领域都受到了广泛关注[7-10]。目前,已有采用竹炭制备复合材料的研究,如竹炭陶瓷多孔体、纳米炭/竹炭复合材料及竹炭泡沫塑料复合材料等[11-12]。但用竹炭替代导电炭材料制备复合材料的研究鲜有报道,因此,对竹炭导电复合材料的研究具有重要的理论意义和应用价值。

本文作者以竹材为原料,在隔绝空气的状态下先后经过900和2 800 ℃热处理得到石墨化竹炭,在采用SEM和XRD对经900 ℃热处理的竹炭和经2 800 ℃热处理的石墨化竹炭的微观结构进行对比分析的基础上以石墨化竹炭粉粒为导电骨料、酚醛树脂为粘结剂、炭黑为添加剂,采用模压成型法制备石墨化竹炭/酚醛树脂复合材料,系统研究石墨化竹炭粉粒度、酚醛树脂用量、炭黑用量和添加方式、成型压力及固化温度等工艺参数对复合材料、导电性、抗弯强度、显气孔率和吸水率的影响。

1  实验

1.1  原料及仪器设备

实验原料:竹材由衢州民心炭业有限公司生产;酚醛树脂由长沙志达绝缘化工有限公司生产,型号为2130,固含量为(70±2)%,黏度为400~600 mPa·s(20 ℃)、pH 7.7~8.1、密度为1.20 g/cm3 (20 ℃);高导电炭黑由中橡集团炭黑化工设计研究院生产,型号为SL-36,碳含量大于99 %,粒度小于20 μm。

仪器设备:实验所用仪器设备有KQ5200E超声波清洗器、CDE-220B料理机、YJ32-100四柱液压机、101A-2鼓风干燥箱、Siemens-D5000 X射线衍射仪、FEI-Quanta 200环境扫描电子显微镜和LWK-250型微控电子拉力实验机等。

1.2  竹材的石墨化处理

将预先经过900 ℃热处理的竹炭置于密封的石墨化炉内,在2 800 ℃下进行石墨化处理一定时间后自然冷却至室温,即得石墨化竹炭,取出后进行筛分即得不同粒度的石墨化竹炭试样。

1.3  石墨化竹炭/酚醛树脂复合材料的制备

按一定的质量比将导电骨料(经2 800 ℃热处理的石墨化竹炭)、添加剂(炭黑)和粘结剂(酚醛树脂)用超声分散法混合得到均匀分散的浆料,将其置于鼓风烘箱中于50 ℃烘干一定时间,然后,将干料进行粉碎和过筛,再放入模具中在室温和恒定的压力(280 MPa)及1 min保压时间下压制成型,最后,按一定的升温制度进行固化处理并保温一定时间,冷却后即得到石墨化竹炭/酚醛树脂复合材料。

1.4  结构表征及性能测定

采用Siemens-D5000 X射线衍射仪分析竹炭的微观晶体结构;采用FEI-Quanta 200环境扫描电子显微镜观察石墨化竹炭粉粒及其复合材料的微观形貌;将石墨化竹炭/酚醛树脂复合材料加工成60 mm×   5 mm×2 mm试样,采用LWK-250型微控电子拉力实验机和三点弯曲法测定各试样的抗弯强度;采用SX1934型数字式四探针测试仪测定复合材料试样的体积电阻率(ρ),其体积电导率σ与ρ的关系为σ=1/ρ;复合材料的吸水率和显气孔率分别依据ASTM D570和ASTM C20标准进行测量。

2  结果与讨论

2.1  石墨化竹炭粉的表面形貌与晶体结构

图1所示为经900 ℃热处理的竹炭与经2 800 ℃热处理的石墨化竹炭粉粒的SEM像。由图1可见,经2 800 ℃热处理的石墨化竹炭粉粒仍然存在由于挥发物逸出形成的较细微孔(见图1(b));与经900 ℃热处理的竹炭相比,其微孔结构收缩程度增大,结构更为致密(见  图1(a))。这一结构特征有利于提高竹炭/酚醛树脂复合材料的性能。

经900 ℃热处理的竹炭与经2 800 ℃热处理的石墨化竹炭的XRD谱如图2所示。由图2可见,热处理温度为900 ℃的竹炭仅在衍射角2θ为22°附近可见强度

图1  不同热处理温度下竹炭粉粒的SEM像

Fig.1  SEM images of bamboo charcoal at different heat-treating temperatures: (a) 900 ℃; (b) 2 800 ℃

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