玻璃碳組合物的制作方法
【專利摘要】制備玻璃碳的方法，所述方法包括以下步驟：(I)提供可固化低粘度液態碳前體制劑，其包含(a)至少一種芳族環氧樹脂；和(b)(i)至少一種芳族共反應性固化劑，(b)(ii)至少一種催化固化劑，或(b)(iii)其混合物；其中所述液態前體組合物在添加任選的組分之前、在固化之前和在碳化之前，在25℃時具有小于10,000mPa-s的凈粘度；并且其中經受固化的液態前體組合物在沒有任選組分的情況下測量時具有至少35重量％的碳收率；(II)固化所述步驟(I)的液態制劑以形成固化產物，其中所述固化產物在沒有任選組分的情況下測量時具有至少35重量％的碳收率；(III)碳化所述步驟(II)的固化產物以形成碳化組合物；和(IV)純化所述步驟(III)的碳化產物以形成玻璃碳組合物；以及通過上述方法制備的玻璃碳。
【專利說明】玻璃碳組合物
【技術領域】
[0001] 本發明涉及玻璃碳組合物和制造所述玻璃碳組合物的方法。
【背景技術】
[0002] 本領域已知有各種碳質材料。例如，"玻璃狀"或"玻璃質"的碳是無定形碳，其是 氣體不可滲透的材料；并且因為它的無定形結構，玻璃碳產生的顆粒數明顯少于石墨。此 夕卜，玻璃碳具有非常低的熱導率。玻璃碳還非常耐酸和堿劑的腐蝕。這些性質使得玻璃碳 成為各種應用包括半導體加工、電、機械和化學分析工業的理想材料。
[0003] 迄今為止，幾種已知的方法已經用于制備供各種應用的玻璃碳。例如， JP49027266B公開了可將一種合成樹脂加熱至超過它的分解溫度來烘烤和碳化所述樹脂 來產生玻璃碳。制備玻璃碳的其他方法公開于開630649064;美國專利此.4,938,829; JP8157205A JP2000095566A ;美國專利申請公布 No. US20030161781A1 ;美國專利 No. 6, 624, 108 ;和美國專利 No. 7, 608, 367。
[0004] 上述已知方法都沒有利用具有低凈粘度并且在固化該制劑之后提供高碳收率的 環氧樹脂制劑；并且其中所述組合物可以容易地純化或處理以在最終產物中提供非常低的 灰分含量。
【發明內容】
[0005] 根據本發明，產生了一種高碳收率低粘度的環氧制劑，其可被固化和碳化以形成 玻璃碳組合物。
[0006] 本發明涉及生產玻璃碳組合物或產物的方法。例如，本發明的一種實施方式涉及 產生玻璃碳產物的方法，所述方法包括以下步驟：
[0007] (I)提供可固化低粘度液態碳前體制劑，其包含（a)至少一種芳族環氧樹脂；和 (b) (i)至少一種芳族共反應性固化劑，（b) (ii)至少一種催化固化劑，或（b) (iii)其混合 物；其中所述液態前體制劑在添加任選的組分之前、在固化之前和在碳化之前，在25°C時 具有小于10, OOOmPa-S的凈粘度；并且其中經受固化的（being cured)液態前體組合物在 沒有任選組分的情況下測量時具有至少35重量％的碳收率；
[0008] (II)固化所述步驟（I)的液態制劑以形成固化產物；其中所述固化產物在沒有任 選組分的情況下測量時具有至少35重量％的碳收率；
[0009] (III)碳化所述步驟（II)的固化產物以形成碳化組合物；和
[0010] (IV)處理所述步驟（III)的碳化產物以形成玻璃碳組合物。
[0011] 本發明的另一種實施方式涉及通過上述方法制備的玻璃碳。
【具體實施方式】
[0012] 在其最廣泛的范圍內，本發明的玻璃碳可以通過固化、碳化和純化可固化制劑來 產生玻璃碳材料或制品而制造。因此，在進行本發明的方法中，第一步驟是制備或提供可固 化的組合物或制劑。
[0013] 例如，在一種實施方式中，可用于本發明的所述可固化低粘度液態碳前體制劑和 制造這種制劑的方法可以包括例如在共同待決的美國臨時專利申請No. 61 /660, 417中描 述的任何制劑和方法。
[0014] 在另一種實施方式中，可用于本發明的所述可固化低粘度液態碳前體制劑的例子 可以包括在序號為61/660, 397的待決美國臨時專利申請和序號為61/660, 403的待決美國 臨時專利申請中描述的可固化組合物或制劑。
[0015] "碳化"或"熱解"本文中是指通過在惰性氣氛例如氮氣下以KTC /分鐘將組 合物從25°C加熱到1，000°C的溫度，以從所述組合物中除去相當大的部分（significant portion)的非碳元素。
[0016] 關于碳化組合物的"碳收率"本文中是指在惰性氣氛例如氮氣下以KTC /分鐘從 25°C到1，000°C處理的組合物的固化樣品中剩余的重量百分比，在沒有任何任選組分的情 況下測量。
[0017] 例如，可用于制備玻璃碳的所述可固化低粘度液態碳前體制劑包含（a)至少一種 芳族環氧樹脂；和（b) (i)至少一種芳族共反應性固化劑，（b) (ii)至少一種催化固化劑，或 (b) (iii)其混合物；其中所述液態碳前體制劑在添加任選的組分之前、在固化之前和在碳 化之前，在25°C時具有小于10, OOOmPa-S的凈粘度；并且其中所述液態碳前體制劑，在經受 固化和經受碳化時，在沒有任選組分的情況下測量時，具有至少35重量％的碳收率。
[0018] 可用于所述可固化液態碳前體制劑的芳族環氧樹脂化合物，組分（a)，可以是一種 芳族環氧樹脂化合物或兩種或更多種環氧樹脂化合物的組合，其中至少一種所述環氧樹脂 化合物是芳族環氧樹脂。例如，可用于本發明的芳族環氧樹脂的一種優選實施方式可以是 二乙烯基芳烴二氧化物。
[0019] 在一種實施方式中，可用于本發明的可固化液態碳前體組合物中的二乙烯基芳烴 二氧化物可以包括序號為13/133510的美國專利申請中描述的任何二乙烯基芳烴二氧化 物。
[0020] 在另一種實施方式中，可用于制備本發明的可固化液態碳前體組合物的所述二乙 烯基芳烴二氧化物可以包括，例如，在任何環位置中帶有一個或多個乙烯基的任何取代或 未取代芳烴核。例如，所述二乙烯基芳烴二氧化物的芳烴部分可以由苯、取代苯、（取代） 環-環化苯或同系鍵合的（取代）苯、或其混合物組成。所述二乙烯基芳烴二氧化物的二乙 烯基苯部分可以是鄰位、間位或對位異構體、或其任何混合物。其他的取代基可以由耐H 2O2 的基團構成，所述基團包括飽和烷基、芳基、鹵素、硝基、異氰酸酯、或RO-(其中R可以是飽 和烷基或芳基）。環-環化苯可以由萘和四氫萘組成。同系鍵合的（取代）苯可以由聯苯 和二苯醚組成。
[0021] 用來制備本發明制劑的二乙烯基芳烴二氧化物通常可以由如下的化學結構I-IV 來說明：
[0022]
【權利要求】
1. 制備玻璃碳的方法，所述方法包括以下步驟： (I) 提供可固化低粘度液態碳前體制劑，其包含（a)至少一種芳族環氧樹脂；和（b) (i) 至少一種芳族共反應性固化劑，（b) (ii)至少一種催化固化劑，或（b) (iii)其混合物；其中 所述液態前體組合物在添加任選的組分之前、在固化之前和在碳化之前，在25°C時具有小 于10, OOOmPa-s的凈粘度；并且其中經受固化的液態前體組合物在沒有任選組分的情況下 測量時具有至少35重量％的碳收率； (II) 固化所述步驟（I)的液態制劑以形成固化產物；其中所述固化產物在沒有任選組 分的情況下測量時具有至少35重量％的碳收率； (III) 碳化所述步驟（II)的固化產物以形成碳化組合物；和 (IV) 處理所述步驟（III)的碳化產物以將存在于所述碳化產物中的灰分含量降低到 小于200ppm，以形成玻璃碳組合物。
2. 權利要求1的方法，其中所述處理步驟（IV)包括將氣體通過至少一部分所述碳化產 物。
3. 權利要求2的方法，其中所述氣體包括鹵素氣體。
4. 權利要求3的方法，其中所述鹵素氣體是氯氣。
5. 權利要求1的方法，其中所述處理步驟（IV)在從800°C至3,000°C的溫度下進行。
6. 權利要求1的方法，其中所述處理步驟（IV)除去所述碳化產物中存在的至少一部分 灰分。
7. 權利要求6的方法，其中所述碳化產物在處理步驟（IV)之后具有小于200ppm的灰 分含量。
8. 權利要求1的方法，其中所述處理步驟（IV)除去存在于所述碳化產物中的一部分 氫。
9. 權利要求1的方法，其中所述處理步驟（IV)降低所述碳化產物中的一部分孔隙度。
10. 權利要求1的方法，其包括在碳化之前成型所述步驟（II)的固化產物的步驟。
11. 權利要求1的方法，其包括在固化和碳化之前模塑所述液態碳前體制劑的步驟。
12. 權利要求11的方法，其中所述模塑步驟包括在固化和碳化之前注射、澆鑄、涂布、 擠出、澆注、噴灑及其混合。
13. 玻璃碳產物，其通過前述權利要求任一項的方法制備。
14. 玻璃碳產物，其包含灰分含量小于5ppm的碳化產物。
15. 由權利要求14的玻璃碳產物制成的制品。
【文檔編號】C01B31/02GK104411630SQ201380031628
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2013年5月17日 優先權日:2012年6月15日
【發明者】H·拉克勞特, M·J·馬克斯, L·瓦勒特 申請人:陶氏環球技術有限責任公司