中间相炭微球制备与形成机理的研究

论文摘要

自20世纪60年代Brooks和Taylor发现中间相以来,中间相制品以其优越的性能引起各国研究工作者和企业的普遍重视。由中间相分离制备的中间相炭微球作为一种新型炭材料,在航空航天、机械密封、电火花加工、冶金模具和核石墨等领域都有良好的应用前景。由于制备中间相炭微球的方法与原料不同,导致中间相炭微球的微观结构、形貌和晶体结构变化很大。对于中间相的形成机理,目前有两种不同的观点:融并生长理论与基本单元构筑理论。这两种理论仍然有一定的局限性。在外加场力作用下,中间相炭微球的结构、性能都会发生变化,探讨这些变化机理,对于开发新型的碳材料具有一定的学术意义与实用价值。本论文以中温煤沥青为原料,在常压、不隔绝空气的条件下制备中间相炭微球。研究了在球体制备过程中添加一定方向的磁场对炭微球的影响,采用SEM、XRD、IR等测试手段对产品进行了结构分析与性能表征,对中间相的形成机理做了进一步的研究。研究结果表明:常压不隔绝空气的情况下制备中间相炭微球的主要性能指标为:产品呈球形,粒径范围1～30μm;主要为C、H、O三种元素;石墨化程度低;密度较小;收率偏低。中间相炭微球的制备与反应时间、催化剂和溶剂有关。最佳时间范围为10～12h;二氯化镍具有明显的催化作用;喹啉有利于分离中间相。在强度为150～200T、方向竖直向上的磁场作用下,中间相炭微球呈苹果形,表明球体可能为平行层或纬线型结构。XRD进行结构分析进一步表明,强峰的分裂表明大量的片层之间都有溶剂小分子的存在,中间相炭微球的结构大致为“内核—中间层—表层”结构。SEM图片中观察到的直径为1μm、桃子形的球体为中间相炭微球形成初期的球核,炭微球在核的基础上长大。中间相生长机理以“滚雪球式”进行,主要包括1)片层分子的生成。煤沥青加热过程中环数较少的沥青分子将发生脱去小分子的缩聚反应,环数较大的分子也可能在较高温度下部分分解,生成平面片层分子。2)片层堆积体的生成。平面芳香大分子在范德华力作用下平行叠合,形成一定厚度的片层堆积体。3)球核的形成。片层堆积体逐渐长大,几乎所有的片层平行排列,与向列形晶体排列相似,在长大到某一体积时,与附近的各向同性的沥青表面张力有很大的差异,在表面张力的作用下,这些片层堆积体排列成近球体的形状,形成球核。4)球体的长大。炭微球的球核形成以后,迅速与片层堆积体相互作用,在片层堆积体形成的大片状结构的包裹中长大,在长大过程中,表面张力不断调整球体的形状,当球体长大到一定尺寸,球体吸附其他杂质的能力逐渐增强;另外,在表面张力的调整下,球体的片层堆积体开始滑移,产生位错,使得球体整体的各向异性减弱,球体的增长速度较慢,球体逐渐长大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究中间相的重要意义
• 1.2 中间相炭微球的特点
• 1.3 中间相形成的反应机理
• 1.4 中间相炭微球的制备
• 1.4.1 热缩聚法制备中间相炭微球
• 1.4.2 乳化法制备中间相炭微球
• 1.4.3 其他制备方法
• 1.5 中间相炭微球的应用
• 1.5.1 高密度高强度炭材料
• 1.5.2 高性能液相色谱柱填料
• 1.5.3 高比表面积活性炭
• 1.5.4 电极材料
• 1.5.5 催化剂载体
• 1.6 中间相研究的国内外状况
• 1.6.1 中间相炭微球的发展历史
• 1.6.2 中间相研究的主要成果
• 1.7 中间相研究过程中存在的问题
• 1.8 本课题的研究思路
• 第二章 实验与分析测试方法
• 2.1 实验原料与化学试剂
• 2.2 实验所用主要设备仪器
• 2.3 实验测试仪器与表征方法
• 第三章 中间相炭微球的制备及分析测试
• 3.1 前言
• 3.2 中间相炭微球的制备
• 3.3 磁场作用下中间相炭微球的制备
• 3.4 结果分析
• 3.4.1 原料分析
• 3.4.2 MCMB样品分析
• 3.4.3 红外分析
• 3.5 影响因素
• 3.5.1 反应时间
• 3.5.2 催化剂
• 3.5.3 超声波
• 3.5.4 溶剂的选择
• 3.6 中间相小球体性能
• 3.7 本章小结
• 第四章 中间相炭微球形成机理研究
• 4.1 前言
• 4.2 中间相形成机理模型
• 4.2.1 中间相形成的传统解释—液相炭化理论
• 4.2.2 中间相的微域构筑理论
• 4.2.3 颗粒单元基本构筑理论
• 4.3 中间相炭微球形成机理研究
• 4.3.1 片层分子的生成
• 4.3.2 片层堆积体的生成
• 4.3.3 炭微球球核的形成
• 4.3.4 炭微球的长大
• 4.4 "滚雪球式"的生长机理的应用
• 4.4.1 对XRD图谱峰形裂分的解释
• 4.4.2 对苹果形MCMB的解释
• 4.4.3 球体形状预测
• 4.4.4 添加剂的作用
• 4.4.5 大球体的制备
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录