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研炭翁说碳(十二):“煮炖”出来的碳质中间相 精选

已有 8689 次阅读 2011-6-16 18:50 |系统分类:科普集锦|关键词:office,style| office, style

  “煮炖”出来的碳质中间相

 

什么是碳质中间相?它怎么还是“煮炖”出来的?碳质中间相有什么特别的用途吗?

绝大多数炭材料和纯碳物质都是通过含碳有机化合物在含氮等惰性气体保护、防止其氧化燃烧的条件下,高温热处理来得到的。根据原料性质的不同,最终产品形成的方式也大不一样。炭纤维是用高分子有机物通过固相炭化“烧”除其中的非碳原子来制得(参见研炭翁说碳十),而炭黑之类物质则是低级烃类通过气相炭化,热解成碳原子或更小的有机分子脱氢后,重新“长”出来的。(参见研炭翁说碳十一)那么由碳原子数大于20,沸点高于200℃的有机物,通过液相炭化进行热处理时,将会发生哪些变化,最终将形成怎样的炭物质呢?

说是液相炭化实际上也只是指在500以下的炭化初期阶段。将沸点更高的有机化合物、重质油或沥青等在350以下热处理时,整个系统会变得越来越粘稠,如同熬制糖稀时看到的那样,随着温度的提高及时间的延长,最终会完全变成高含碳的固体。在这一“煮炖”的过程中,有机物会热解释放出各种低分子的烃类、二氧化碳以及氢气等气体,与此同时其本身会通过芳构化形成芳环,并进而缩聚成平面的盘状稠环芳烃大分子(图1)。

     

                                  1.液相炭化时盘状稠环芳烃大分子的形成

 

如果系统中有能形成大量平面芳烃的分子,那么系统在从液态变成固态之前,平面的盘状缩环芳烃分子因分子间能使之堆叠取向形成液晶,这种液晶的示意模型如图2所示。

 

          

 

                                                   2. 碳质液晶的示意模型

 

当该液晶长到5微米以上时因表面张力作用就会变成圆球,在偏光显微镜下就能观察到在其中逐渐形成并长大、呈光学各向异性的小球。随着“煮炖”温度的提高及时间的延长,小球体会反复生成、长大及合并,尽管在如何形成较大球的机理上仍有不同看法,但结果是一致的,即经过球体之后都将形成一个流线状、接近固态的整体。再继续加热时就将形成固体的半焦(图3)。

 

     

                        3.碳质中间相的形成及发展示意图

 

这一从液态向固态转变的状态被称为中间相mesophase),因中间相这一名词有时也在其它领域使用,所以就将它们特别称之为“碳质中间相”,它既指在液相炭化过程中所形成的流动相,也可认为是含有液晶相的沥青。在“煮炖”过程中,热解产生的低分子量气体在高粘度中间相内移动会促使芳族平面沿气流方向排列,使之在最终固化时形成容易在进一步高温处理时变成石墨的“易石墨化炭”。随原料及处理条件(是否加压、有无催化剂、有无非碳、氢的其它杂原子等等)的不同,一些有机化合物也可能在液相炭化时不经过中间相就形成进一步高温处理时难以形成石墨的“难石墨化炭”。因为糖类是碳水化合物(其分子通式为Cn(H2O)n),分子中有氧原子,加热时难以形成平面芳烃分子,因此在熬煮糖稀时就不会形成中间相,在水份蒸发、系统变得更加粘稠之后,就会直接炭化成具有乱层结构的无定形炭。

碳质中间相的加工过程不复杂,制造成本也不高,但产品却具有高氧化活性、高炭化收率和易石墨化性,因此被用作多种先进炭材料的原料。例如,由中间相沥青制得的高模量炭纤维,其模量可达1020GPa,几乎接近于石墨的理论模量,其导热、导电率高且耐热膨胀率极低,是航空、航天不可或缺的材料。由中间相中分离出来的中间相微球经固相炭化、活化后可制得高比表面积的炭微球,它可用作催化剂担体、色谱填充物、锂离子电池的负极材料以及制作高密度、高强度的各向同性炭材料。

与普通电极相比用超高功率电极炼钢时,不但冶炼时间可缩短三分之一,吨钢电耗也可减少一半,且生产能力可增加1.3倍。目前大型电炉炼钢几乎都要用到它。由石油或煤焦油沥青经液相炭化形成中间相沥青所制造的针状焦正是制造超高功率电极的主要骨料。

将中间相沥青在高温、高压下发泡,经炭化、石墨化后可制成各种不同性状的炭泡沫,其热性能既可接近热绝缘体,作为隔热材料使用,也可使它的比热导率达到铜的4~6倍。成为高导热体材料。同样,炭泡沫的电阻率也可变化9个数量级,从1×107Ώ cm1×10-2Ώ cm。泡沫炭的密度低、强度高可成型成各种形状的物体,不但可制成为各向同性的结构复合材料(炭纤维复合材料是各向异性的),还可作为吸波和电磁屏蔽材料等功能材料加以利用。由于泡沫炭同时具有低密度、高强度、高导热、高导电、耐火、抗冲击、吸波、降噪、低热膨胀系数和耐化学腐蚀等一系列优异性能它不但可应用于计算机器件的小型散热器件及大型工程的热交换器系统,也能在诸如航空航天器和卫星的热转移系统、火箭的抗冲击和减噪发射平台等航空、航天以及军工等部门得到广泛地应用。

 



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