第四章_中间相炭微球课件.ppt

中间相炭微球 概述 沥青类化合物热处理时，发生热缩聚反应生成具有各向异性的中间相小球体，把中间相小球从沥青母体中分离出来形成的微米级球形碳材料就称为中间相炭微球 (Mesocarbon microbeads,简称MCMB)。 概述 20世纪60年代，在研究焦炭形成过程中发现中间相小球。 1973年，Honda和Yamada把中间相小球从沥青母体 中分离出来，得到中间相炭微球。 概述 中间相炭微球具有杰出的物化性能,如化学稳定性、热稳定性、优良的导电和导热性能等，是一种新兴的具有极大开发潜力和应用前景的碳材料。 从中间相小球出发可以制备高密高强C/C复合材料、高性能液相色谱柱材料、高比表面积活性炭材料、锂离子电池负极材料等一系列高性能碳材料。 中间相炭微球的制备 原料 添加剂 制备工艺 中间相炭微球的制备 原料——必须具有能够形成中间相的组分 热缩聚后能生成大量分子量较大的多环芳烃化合物； 具有较好的流动性，使多环芳烃化合物能比较规整地定向排列； 通常，有煤沥青、煤焦油、石油渣油沥青 也有合成树脂、合成沥青等 中间相炭微球的制备 中间相炭微球的制备 中间相炭微球的制备工艺 中间相炭微球的制备 中间相炭微球的制备方法 中间相炭微球的制备 直接热缩聚法工艺流程图 中间相炭微球的制备 直接缩聚法特点 优点：工序简单，条件易于控制，易实现连续生产。 缺点：小球尺寸分布宽，形状和尺寸不均匀，收率低。 中间相炭微球的制备 乳化法工艺流程图 中间相炭微球的制备 悬浮法工艺流程图 中间相炭微球的制备 间接法特点 优点：MCMB尺寸分布较窄，内部轻组分含量低，杂质很少。 缺点：工艺复杂繁琐，MCMB必须经不熔化处理，且制备过程中存在困难，工业化前景暗淡。 中间相炭微球的制备 中间相小球的分离方法 中间相炭微球的形成机理 碳质中间相 碳质中间相首先由Brooks和Taylor在前人工作的基础上研究煤的焦化时所发现。 所谓碳质中间相是指沥青类有机物向固体半焦过渡时的中间液晶状态。 中间相炭微球的形成机理 炭质中间相的形成机理 对炭质中间相的形成理论的研究大致经历了三个阶段，形成了具有代表性的三种理论： 传统理论 “微域构筑”理论 “球形单位构筑”理论 中间相炭微球的形成机理 传统理论 沥青加热到350℃时，经过热解、脱氢、环化、缩聚和芳构化等反应，形成分子量大、热力学稳定的多核芳烃化合物的低聚物，并相互堆积、成为两维有序的聚集体。 随反应程度的提高，低聚物的分子量和深度增大。由于缩聚分子呈平面状，分子厚度几乎不变。随分子量增加，分子长径比不断增加，当长径比超过一临界值时，发生相转变，成为有序的片状液晶体。 随片状液晶体浓度增加，为使平行排列的平面分子所形成的新相稳定，要求体系表面自由能最小，因而转化为表面体积最小的圆球形。 中间相炭微球的形成机理 “微域构筑”理论 由日本学者Mochida等人提出，认为炭质中间相的形成过程是先形成具有规则形状的片状分子堆积单元，然后由片状分子堆积单元构成球形的微域，再由微域规程成中间相球体的过程。 中间相炭微球的形成机理 中间相炭微球的组成及结构 原料沥青性能及制备工艺的不同，中间相炭微球的结构组成存在较大差异。 通常中间相碳微球主要成分为喹啉不溶物（QI），同时还可能存在一部分β树脂（甲苯不溶但溶于喹啉的组分）。 元素组成为C、H、S；C90%，其次是H。 粒径在1~100μm，商品化的在1~40μm。 中间相炭微球的组成及结构 中间相炭微球的性质 MCMB通常不溶于喹啉类溶剂，热处理时不熔融,石墨化时不变形。 随处理温度的升高，MCMB分子排列不发生变化，氢含量下降，层间距减小，密度增大，晶胞变大； 600℃时发生中间相结构的变化，700℃以上变成固体，比表面积出现极大值。 1000℃左右形成收缩裂纹，裂纹方向平行于MCMB的层片方向。 中间相炭微球的性质 MCMB及其热处理产物呈疏水性，但由于MCMB具有层状结构，在MCMB周边存在许多定向芳烃的边缘基团，使MCMB表面具有极高的活性。 可对表面进行改性处理，改性后，表面活性非常高。 中间相炭微球的应用 锂离子电池负极材料 复合材料 活性炭微球 液相色谱柱填料 催化剂载体 其他用途 中间相炭微球的应用 锂离子电池负极材料 MCMB作为负极材料具有如下优点： 　　　MCMB是一种球形颗粒，它能够紧密堆积而形成高密度电极； 　　　MCMB具有较低的表面积，减少了在充放电过程中发生的