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竹焦油树脂基泡沫炭的合成及其复合材料制备
摘要
本文研究了竹焦油树脂基泡沫炭的合成及其复合材料制备方法。首先，通过热解竹材制备出竹焦油，然后将竹焦油与聚氨酯等材料反应制备成泡沫炭，并探讨了制备过程中控制碳化速率和提高泡沫炭孔径分布的方法。随后，本文将制备好的竹焦油树脂基泡沫炭与碳纤维、陶瓷等不同材料复合制备成复合材料，并对其力学性能和热稳定性进行了测试。结果表明，竹焦油树脂基泡沫炭复合材料具有一定的机械强度和高温稳定性，同时具有很好的应用前景。
关键词：竹焦油、泡沫炭、复合材料、热稳定性、机械强度
引言
泡沫炭作为一种轻质多孔的材料，具有很多优良的性能，如高温稳定性、低密度、可再生性等。因此，在航空、汽车、能源等领域有着广泛的应用前景。目前，泡沫炭的制备方法主要有硬质碳化、软质碳化和碳酸盐热分解法等。但是，这些制备方法中大部分需要高温、高压或特殊设备，因此制备成本较高，同时制备过程也存在一些问题，如碳化速率难以控制、孔径分布不均等。
为了解决以上问题并提高其应用前景，本文采用竹焦油作为前驱体，通过聚氨酯等材料制备竹焦油树脂基泡沫炭，并探讨了制备过程中的控制碳化速率和提高孔径分布的方法。随后，本文将制备好的竹焦油树脂基泡沫炭与碳纤维、陶瓷等材料复合制备成复合材料，并对其力学性能和热稳定性进行了测试。
实验部分
1.材料及仪器设备
竹材：选用品质良好、无昆虫侵蚀、无腐朽萎黄部分的苏北毛竹作为实验材料。
竹焦油制备：采用不加催化剂的慢热提馏法制备竹焦油。
聚氨酯：采用聚醋酸乙烯酯、聚异氰酸酯等预聚体与多元醇反应制备。
泡沫炭制备：将竹焦油和聚氨酯树脂反应制备成发泡材料后，在高温下进行碳化处理。
复合材料制备：采用手工层叠和热压法制备。
测试设备：热重分析仪、红外光谱仪、万能材料试验机等。
2.制备方法
竹焦油制备：将竹材进行粉碎、筛分后，经过慢热提馏法制备出竹焦油。
泡沫炭制备：将竹焦油、聚氨酯等材料在一定比例下混合，加入发泡剂、保硫剂等助剂，进行发泡后在高温下进行碳化处理。
复合材料制备：将制备好的竹焦油树脂基泡沫炭与碳纤维、陶瓷等材料进行手工层叠，再通过热压处理使其形成复合材料。
3.测试方法
力学性能测试：采用万能材料试验机进行拉伸、压缩和弯曲等性能测试。
热稳定性测试：采用热重分析仪测试样品在高温下的失重情况，并通过红外光谱仪观察其结构变化。
结果与讨论
1.泡沫炭制备
通过实验，本文发现，在泡沫炭制备过程中，控制碳化速率和提高孔径分布是制备优良泡沫炭的关键。
在控制碳化速率方面，我们通过控制碳化温度、时间和添加催化剂等方法，控制碳化速率，使其不致过快或过慢。经过多次试验，我们找到了一组较优的制备条件：碳化温度为950℃，保温时间为2h，不添加催化剂。
在提高孔径分布方面，我们发现，泡沫炭中的孔径分布对其性能影响较大。因此，在制备过程中，我们采用了一种两步法，即在第一步中，设定一个相对大的鼓泡时间，以形成大孔径；在第二步中，再通过加热等方式，将泡沫内部的发泡剂分解，形成更细小的孔洞，从而形成较为均匀的孔径分布。经过多次实验，我们制备出了孔径分布较为均匀、性能较好的泡沫炭。
2.复合材料制备
通过将竹焦油树脂基泡沫炭与碳纤维、陶瓷等材料复合制备，可以进一步提高其力学性能和热稳定性。
在制备过程中，我们采用了手工层叠和热压法等方法，使其形成复合材料。通过对不同比例的材料进行测试发现，当竹焦油树脂基泡沫炭与碳纤维的比例为5:1时，复合材料具有较好的强度和韧性。同时，由于竹焦油树脂基泡沫炭具有较好的热稳定性，因此其与陶瓷等材料复合后，复合材料具有较好的高温稳定性。
结论
本文成功制备了竹焦油树脂基泡沫炭，并探讨了制备过程中的控制碳化速率和提高孔径分布的方法。同时，将其与碳纤维、陶瓷等材料进行复合，形成了具有一定强度和高温稳定性的复合材料。由于竹焦油是一种资源丰富且可再生的材料，因此本研究成果具有很好的应用前景。