中間相炭微球制備與形成機(jī)理的研究.pdf

1、自20世紀(jì)60年代Brooks和Taylor發(fā)現(xiàn)中間相以來，中間相制品以其優(yōu)越的性能引起各國研究工作者和企業(yè)的普遍重視。由中間相分離制備的中間相炭微球作為一種新型炭材料，在航空航天、機(jī)械密封、電火花加工、冶金模具和核石墨等領(lǐng)域都有良好的應(yīng)用前景。 由于制備中間相炭微球的方法與原料不同，導(dǎo)致中問相炭微球的微觀結(jié)構(gòu)、形貌和晶體結(jié)構(gòu)變化很大。對于中間相的形成機(jī)理，目前有兩種不同的觀點(diǎn):融并生長理論與基本單元構(gòu)筑理論。這兩種理論仍然有一

2、定的局限性。在外加場力作用下，中間相炭微球的結(jié)構(gòu)、性能都會發(fā)生變化，探討這些變化機(jī)理，對于開發(fā)新型的碳材料具有一定的學(xué)術(shù)意義與實(shí)用價(jià)值。 本論文以中溫煤瀝青為原料，在常壓、不隔絕空氣的條件下制備中間相炭微球。研究了在球體制備過程中添加一定方向的磁場對炭微球的影響，采用SEM、XRD、IR等測試手段對產(chǎn)品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與性能表征，對中間相的形成機(jī)理做了進(jìn)一步的研究。研究結(jié)果表明: 常壓不隔絕空氣的情況下制備中間柏炭微球的主

3、要性能指標(biāo)為:產(chǎn)品呈球形，粒徑范圍1～30μm；主要為C、H、O三種元素；石墨化程度低；密度較??；收率偏低。中間相炭微球的制備與反應(yīng)時(shí)間、催化劑和溶劑有關(guān)。最佳時(shí)間范圍為10～12h；二氯化鎳具有明顯的催化作用；喹啉有利于分離中間相。 在強(qiáng)度為150～200T、方向豎直向上的磁場作用下，中間相炭微球呈蘋果形，表明球體可能為平行層或緯線型結(jié)構(gòu)。XRD進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析進(jìn)一步表明，強(qiáng)峰的分裂表明大量的片層之間都有溶劑小分子的存在，中間相炭

4、微球的結(jié)構(gòu)大致為“內(nèi)核-中間層-表層”結(jié)構(gòu)。 SEM圖片中觀察到的直徑為1μm、桃子形的球體為中間相炭微球形成初期的球核，炭微球在核的基礎(chǔ)上長大。 中間相生長機(jī)理以“滾雪球式”進(jìn)行，主要包括1)片層分子的生成。煤瀝青加熱過程中環(huán)數(shù)較少的瀝青分子將發(fā)生脫去小分子的縮聚反應(yīng)，環(huán)數(shù)較大的分子也可能在較高溫度下部分分解，生成平面片層分子。2)片層堆積體的生成。平面芳香大分子在范德華力作用下平行疊合，形成一定厚度的片層堆積體。3)

5、球核的形成。片層堆積體逐漸長大，幾乎所有的片層平行排列，與向列形晶體排列相似，在長大到某一體積時(shí)，與附近的各向同性的瀝青表面張力有很大的差異，在表面張力的作用下，這些片層堆積體排列成近球體的形狀，形成球核。4)球體的長大。炭微球的球核形成以后，迅速與片層堆積體相互作用，在片層堆積體形成的大片狀結(jié)構(gòu)的包裹中長大，在長大過程中，表面張力不斷調(diào)整球體的形狀，當(dāng)球體長大到一定尺寸，球體吸附其他雜質(zhì)的能力逐漸增強(qiáng)；另外，在表面張力的調(diào)整下，球體的