连续挤出煤基碳泡沫的热解特性调控及性能优化研究

本研究针对传统批次法制备碳泡沫存在效率低、成本高的问题，开发了连续挤出成型（CEF）工艺，并通过热重分析（TGA）优化热解程序，成功实现煤基绿色泡沫（Pittsburgh No. 8/White Forest）的连续化生产。结果表明，该工艺可获得与传统批次法相当的力学强度（抗弯/抗压）、热稳定性和体密度，为建筑等大规模应用领域提供了高效解决方案。

　　

碳泡沫作为一种轻质高强的多功能材料，在航空航天热防护、建筑节能和能源存储等领域具有广阔应用前景。然而，传统批次生产工艺存在周期长（长达2天）、能耗高的瓶颈，严重制约其大规模商业化应用。俄亥俄大学研究团队创新性地提出连续挤出成型（Continuous Engineered Foaming, CEF）技术，将生产时间缩短至5分钟以内，但由此产生的新问题是如何通过热解工艺调控使这种快速成型的"绿色泡沫"（green foam，未完全碳化材料）达到与传统工艺相当的性能。

研究团队选取Pittsburgh No. 8和White Forest两种烟煤为原料，采用热重分析（TGA）开发定制化热解程序。通过光学显微镜、扫描电镜和计算机断层扫描（CT）系统表征微观结构，并测试炭收率、热氧化稳定性、抗弯强度、抗压强度等关键指标。研究发现连续挤出工艺的独特优势在于热解过程中仍能持续发泡，这与传统工艺的完全脱挥发分特性形成鲜明对比。通过精确控制350℃-450℃关键温区的升温速率，成功使材料结晶度提升，最终获得孔隙结构均匀、抗压强度达8.7MPa、热导率可调的碳泡沫。

关键技术包括：1）采用CEF挤出机实现煤基泡沫连续成型；2）基于TGA动态分析制定分段热解程序；3）联合显微CT和电子显微镜进行三维结构重建；4）参照ASTM标准测试力学性能。

【材料】章节揭示两种煤源在挥发分含量上的差异直接影响发泡行为；【热解程序开发】部分发现延长300℃-500℃区间的保温时间可减少微裂纹；【结论】指出优化后的热解方案使连续生产泡沫的炭收率提升15%，且热稳定性优于传统批次产品。

该研究的突破性在于首次建立连续挤出碳泡沫的"材料-工艺-结构-性能"关系模型，证实快速热解（<24小时）可获得与慢速批次处理（48小时）相当的品质。Jason Trembly团队指出，该技术使生产成本降低60%，为建筑用碳泡沫隔热板的商业化铺平道路。论文发表于《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》，为煤基材料高值化利用提供了新范式。