中间相沥青基泡沫炭的制备及其应用研究

论文摘要

中间相沥青基泡沫炭是一种具有三维网状通孔的新颖炭材料,在微波吸收方面具有潜在的应用；以泡沫炭为原料制备活性炭的应用也引起人们的关注。本论文将详细阐述在中间相沥青基泡沫炭的制备、微波吸收和活性炭制备方面的主要结论以及相关的创新性研究成果。1.中间相沥青以及中间相沥青基泡沫炭的制备以精制石油渣油为原料,采用两段热缩聚法制备中间相沥青。研究发现减压段的温度对产物的性能影响程度较大；减压段的真空度对产率影响程度较大。较优的反应条件为：第一段压力为2MPa、热缩聚段温度为405℃、恒温时间为3h；第二段真空度为-0.093MPa、热缩聚温度为405℃,恒温3h。在该条件下制备的中间相沥青的软化点为287℃、中间相含量100%、产率达16.1%。分别以石油系中间相沥青（PRMP）和合成萘中间相沥青（ARMP）为原料,采用加压发泡法制备孔径均匀的泡沫炭材料。经700℃～1000℃以及2300℃～2800℃热处理制备出炭化和石墨化泡沫炭。研究了原料的基本性能、发泡工艺参数以及热处理温度对泡沫炭材料微观结构的影响。结果表明：软化点为287℃的PRMP含有较多重组分,流动性较差,发泡温度区间较窄,炭收率较高；软化点为256℃的ARMP的流动性较好,发泡的温度区间宽,炭收率较低。发泡过程中发现保持均匀的温度场是制备孔径均匀的泡沫炭的关键因素,压力是影响孔结构的主要因素。以ARMP或PRMP为原料,以2℃·-min-1升温至330℃～370℃恒温1h,以2℃·min-1升温至500℃～550℃,可制得孔径分布均匀、具有三维网状通孔结构的初生泡沫炭。其他工艺参数不变的条件下,随着发泡压力的升高,泡沫炭的炭收率、体积密度均增大,真气孔率减少,孔径变小,并趋近于圆形。在相同发泡压力下,以PRMP为原料制备的初生泡沫炭的炭收率、体积密度均高于ARMP。2.中间相沥青基泡沫炭的微晶结构及其力学性能采用XRD研究发泡压力及热处理温度对泡沫体的微晶结构的影响。发现：热处理温度越高,材料的结晶程度越好,经2800℃石墨化处理后,其002峰均呈明显的对称分布；在相同条件下,泡沫炭在（002）、（004）晶面上沿xz面方向的衍射强度较xy面方向的高；随着发泡压力升高,其衍射强度也随之增强。相同发泡压力下,以ARMP为原料制备的石墨化泡沫炭的d002值较小,晶体尺寸较大。采用万能材料试验机研究力学性能与发泡压力以及热处理温度的关系。结果发现：以ARMP或]PRMP为原料制备的泡沫炭在压力下的结构破坏为逐层的、周期性的破坏。在相同制备条件下,对xy面的压缩强度和压缩模量均高于xz面方向；由后者制备的泡沫炭的力学性能较佳。随着发泡压力升高其压缩强度和模量均升高。其他条件相同的条件下,经1000℃炭化所得泡沫炭的力学性能最好；经石墨化处理之后,其压缩强度和模量均下降。3.中间相沥青基泡沫炭及活性泡沫炭夹芯复合材料的微波吸收性能以低温处理的泡沫炭板为夹芯,以玻璃布／环氧层压板为盖板,炭布／环氧层压板为底板,制备泡沫炭夹芯复合材料。采用雷达波吸收材料反射率弓形测试法测试泡沫炭夹芯复合材料在2GHz～18GHz范围内的微波吸收性能。结果发现：中间相沥青基泡沫炭是一种轻质介电损耗型微波吸收材料,符合轻质、宽频、高吸波性能的雷达波吸收材料的要求。沿xy面方向切割的泡沫炭制备的夹芯复合材料微波性能优于沿xz面方向切割的泡沫炭制备夹芯复合材料。在发泡压力3MPa条件下制备的初生泡沫炭,经700℃热处理后,沿xy面方向切割制成厚度分别为10mm和15mm的薄板,所制备的泡沫炭夹芯复合材料具有较佳的微波吸收性能。前者低于-5dB的吸收频宽为14.4GHz,后者达15.2GHz；前者低于-10dB的吸收频宽为3.4GHz,后者达10.4GHz。在3MPa下制备的初生泡沫炭,采用水蒸气在700℃下分别活化30min、60min制得活性泡沫炭,将该活性泡沫炭沿xy面方向切割成厚度为10mm的薄板,按照上述方法制得夹芯复合材料。结果发现：随着活化时间延长,所制备的泡沫炭夹芯复合材料的微波吸收性能获得提高。由前者制备的活性泡沫炭夹芯复合材料低于-10dB的频宽达10GHz,在14GHz处的最低反射率为-24.79dB；由后者制备的活性泡沫炭夹芯复合材料低于-10dB的频宽约为11GHz,在13.4GHz处的最低反射率为-17.76dB,其峰位置向低频移动。4.活性泡沫炭粉的制备及其电化学性能以泡沫炭小块（SCF）和泡沫炭粉（PCF）为原料,以KOH为活化剂制备活性炭。结果发现：由SCF和PCF所制备的活性炭的孔特征相近,但前者无须对原料球磨、干燥、过筛分级等程序,较为简单。以SCF为原料,试验结果发现,在活化剂与原料配比为7：1的条件下可制得超高比表面积的活性炭；在较低温度（700℃）下制备活性炭的比表面积高达2852m2·g-1,中孔孔容为0.87cm3·g-1；在较高温度（900℃）下制备的活性炭比表面积稍有降低,达2691m2.g-1,中孔孔容较高,达1.48cm3.g-1,中孔含量为66%。采用恒流充放电以及循环伏安法考察不同条件下所制备的活性炭作为电双层电容器的电化学性能。结果表明：在800℃下活化1h所制备的比表面积为2637m2.g-1活性炭作为电极具有优异的电化学性能,在0.5mA时比电容量达322F·g-1,充放电效率高达99%；在20mA时比电容量达258F·g-1,显示出较佳的大电流保持率。

论文目录

• 学位论文数据集
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• Contents
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 中间相沥青的研究进展
• 1.2.1 中间相沥青的制备方法
• 1.2.1.1 热致改性法
• 1.2.1.2 溶致改性法
• 1.2.1.3 加氢处理法
• 1.2.1.4 催化改质法
• 1.2.1.5 交联合成法
• 1.2.2 炭质中间相的形成过程及影响因素
• 1.2.3 中间相沥青的应用
• 1.3 泡沫炭材料的研究进展
• 1.3.1 泡沫炭制备方法
• 1.3.1.1 由不同原料制备泡沫炭的方法
• 1.3.1.2 不同工艺制备泡沫炭的方法
• 1.3.2 泡沫炭复合材料
• 1.3.3 泡沫炭材料的结构特征及形成机理
• 1.3.4 泡沫炭材料的性能特征
• 1.3.4.1 以聚合物为原料的泡沫炭的性能
• 1.3.4.2 沥青基泡沫炭的性能
• 1.3.4.3 煤基泡沫炭的性能
• 1.3.5 泡沫炭材料的应用
• 1.3.6 泡沫炭材料研究的热点
• 1.4 论文的立题依据、目的和意义
• 1.5 本论文的创新之处
• 参考文献
• 第二章 中间相沥青的合成及其基本性能
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料及化学试剂
• 2.2.2 原料处理及合成装置
• 2.2.3 合成工艺参数
• 2.3 测试与分析
• 2.3.1 族组成分析
• 2.3.2 元素分析
• 2.3.3 软化点及可纺性
• 2.3.4 灰份及中间相沥青收率
• 2.3.5 黏度
• 2.3.6 红外光谱分析（IR）
• 2.3.7 中间相沥青的显微结构
• 2.3.8 热失重分析（TG）
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 精制石油渣油的基本性能
• 2.4.2 热缩聚工艺参数对石油中间相沥青性能的影响
• 2.4.2.1 热缩聚温度对中间相沥青性能的影响
• 2.4.2.2 加压热缩聚段反应时间对中间相沥青性能的影响
• 2.4.2.3 真空度对中间相沥青性能的影响
• 2.4.3 石油渣油中间相沥青与萘合成中间相沥青基本性能的比较
• 2.4.3.1 软化点及族组分
• 2.4.3.2 元素分析
• 2.4.3.3 红外光谱分析
• 2.4.3.4 流动性能
• 2.4.3.5 热台偏光显微结构
• 2.4.3.6 热失重行为
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 中间相沥青基泡沫炭的制备及其性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料及其它
• 3.2.2 中间相沥青基泡沫炭的制备
• 3.3 结构及性能测试
• 3.3.1 泡沫炭微观形貌测试
• 3.3.2 密度及真气孔率测试
• 3.3.3 结晶程度测试
• 3.3.4 力学性能测试
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 发泡工艺参数的探索
• 3.4.1.1 原料
• 3.4.1.2 恒温温度和时间的影响
• 3.4.1.3 升温速度的影响
• 3.4.1.4 发泡温度的影响
• 3.4.1.5 压力的影响
• 3.4.2 中间相沥青基泡沫炭的形貌特征
• 3.4.2.1 不同热处理条件下中间相沥青基泡沫炭的微观形貌
• 3.4.2.2 不同发泡压力下制备的石墨化泡沫炭的微观形貌
• 3.4.2.3 泡沫炭的微观形貌的各向异性
• 3.4.3 泡沫炭的性能研究
• 3.4.3.1 泡沫炭的密度和孔结构
• 3.4.3.2 泡沫炭的微晶结构
• 3.4.3.3 泡沫炭的力学性能
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 中间相沥青基泡沫炭及活性泡沫炭夹芯复合材料的微波吸收性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 泡沫炭芯材的制备
• 4.2.2 活性泡沫炭的制备
• 4.2.3 中间相沥青基泡沫炭夹芯复合材料的制备
• 4.2.4 中间相沥青基泡沫炭及活性泡沫炭的微观形貌分析
• 4.2.5 材料电磁参数测试
• 4.2.6 微波吸收性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 泡沫炭的电磁特性
• 4.3.2 泡沫炭夹芯复合材料的微波吸收性能
• 4.3.2.1 热处理温度
• 4.3.2.2 不同的切割方向
• 4.3.2.3 发泡压力
• 4.3.2.4 厚度
• 4.3.2.5 不同原料泡沫炭
• 4.3.3 活性泡沫炭夹芯复合材料的微波吸收性能
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 高比表面积活性泡沫炭粉的制备及其电化学性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 原料的制备
• 5.2.2 中间相沥青基活性泡沫炭粉的制备
• 5.3 结构及性能测试
• 5.3.1 活性泡沫炭的微观形貌
• 5.3.2 元素分析
• 5.3.3 XRD测试
• 5.3.4 XPS分析
• 5.3.5 活性炭泡沫粉的孔分布及孔结构测试
• 5.3.6 恒流充放电法以及电压降
• 5.3.7 循环伏安分析
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 活化条件对中间相沥青基泡沫炭粉性能的影响
• 5.4.1.1 原料的处理方式
• 5.4.1.2 活化剂与原料的配比
• 5.4.1.3 原料的活化温度
• 5.4.2 中间相沥青基活性泡沫炭粉的表面化学性质
• 5.4.2.1 元素分析
• 5.4.2.2 XPS分析
• 5.4.3 中间相沥青基活性炭的电化学性能
• 5.4.3.1 双电层电容器（EDLC）的基本原理
• 5.4.3.2 恒流充放电性能
• 5.4.3.3 循环伏安特性
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者及导师简介
• 附件