碳微(wēi)球

　　碳微(wēi)球概述

　　中間(jiān)相(xiàng)碳微(wēi)球(Mesocarb∏βσon Microbeads ,簡稱為(wèi)MCMB)發現(xiàn)于1↔‍γ961年(nián),是(shì)随著(zhe)中間(jiān♣£)相(xiàng)的(de)發現(xiàn)、研究而發展起來(lá≠ i)的(de)一(yī)種新型的(de)碳材料。它是σ♠'∞(shì)由瀝青類化(huà)合物(wù)熱(rè)處理(lǐ)時(shí)發生"‍↔(shēng)熱(rè)縮聚反應而生(shēng)成的(de ‌)具有(yǒu)各向異性的(de)微(wēi)米級球形碳材料，因其具有(yǒu)良好(h​ ǎo)的(de)化(huà)學穩定性、熱(rè)穩定性和(hé)優良的(de)導電(diàn↔×)、導熱(rè)等特性，而被廣泛用(yòn§∞g)于锂離(lí)子(zǐ)二次電(diàn)池負極材料、高(gāo)密高(gāo)← ≤強C／C複合材料、高(gāo)性能(néng)液相(xiàng)色譜&↔"柱填料、高(gāo)比表面活性炭材料等領域。特别是(shì)20世紀90年<>‌(nián)代研制(zhì)出以MCMB為(wèi)負極材料的(de)锂&♠≠離(lí)子(zǐ)二次電(diàn)池，大(dà™§•★)大(dà)地(dì)推動了(le)MCMB的(de)工(gōng)業(yè≥₹εα)化(huà)應用(yòng)，MCMB已成為(wèi)一(yī)種具有(yǒu)良好(hǎo☆Ω)應用(yòng)前景和(hé)開(kāi)發潛力的(de)碳材料§Ω。

碳微(wēi)球示意圖

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　　碳微(wēi)球的(de)制(zhì)備

　　原料——煤瀝青、煤焦油、石油渣油瀝青，合成樹(shù)脂、合成Ω♦瀝青等(熱(rè)縮聚後能(néng)生(sh<‌ēng)成大(dà)量高(gāo)分(fēn)子(zǐ)量的(de)多(duō★≤÷)環芳烴化(huà)合物(wù)；具有(y✘≈÷ǒu)較好(hǎo)的(de)流動性，使多(duō)環芳✔→烴化(huà)合物(wù)能(néng)ש比較規整地(dì)定向排列。)

　　改性劑——如(rú)石蠟、♦ £四羟基化(huà)合物(wù)、苯醌等。使原料體(tǐ)系既含有(yβδ♠ǒu)具有(yǒu)高(gāo)度反應性的(de)稠環芳烴組分(δ₽fēn)，又(yòu)有(yǒu)一(yī)定數(shù<€♦)量的(de)烷烴鏈，從(cóng)而改♥¥β善其相(xiàng)容性，并使熱(rè)縮聚過程中物(wù)ε'¶料流動性好(hǎo)，促進中間(jiān)相(xiàng)生(shēng)成。

　　添加劑——促進中間(j• <₹iān)相(xiàng)小(xiǎo)球生(shēng)成，阻止其融并.如(r♥∞ú)：炭黑(hēi)

　　制(zhì)備工(gōng)藝

　　中間(jiān)相(xiàng)碳微(wēi)球的(de)制(zhì<≥)備方法主要(yào)有(yǒu)熱(rè)縮聚法、乳化(huà)₹'®法、懸浮法以及其他(tā)制(zhì)備方法。€©熱(rè)縮聚法制(zhì)備中間(jiān)相(xià★✔ng)碳微(wēi)球即熱(rè)處理(lǐ)稠環芳烴化(huà)合物(wù)縮聚∞&₩産生(shēng)中間(jiān)相(xiàng)小(xiǎo)∑  球體(tǐ)，而形成的(de)小(xiǎo)球體(tǐ•<÷)分(fēn)散在反應體(tǐ)系的(de)母液中，最終采用(yòng)合适λ↕$♣的(de)方法從(cóng)母液中分(fēn)離(lí)出λ↓±★來(lái)。乳化(huà)法制(zhì)備中間(jiān)相(xiàn™γ™δg)碳微(wēi)球，首先要(yào)熱(rè)處理(l¶£ǐ)稠環芳烴化(huà)合物(wù)得(de)↑∑到(dào)球狀中間(jiān)相(xiàng)，然後把中間(jiān)相(xiàng)乳化(h®™uà)成中間(jiān)相(xiàng)小(xiǎo)球體(tǐ)。懸浮法制(zh©πα​ì)備中間(jiān)相(xiàng)碳微(wēi)球的(de)具體∏☆±(tǐ)方法是(shì)把中間(jiān)相(xiàng)瀝青溶于有(yǒu)機¥♥≈✘(jī)溶劑中，利用(yòng)表面活性劑與水(shuǐ)或其他(tā)溶劑組成懸≈§浮液，在一(yī)定溫度下(xià)強力攪拌，使中間(jiān)相(xiànλ$​αg)瀝青成球，然後加熱(rè)除去(qù)有(yǒu)機(jī)溶劑，冷(lδ&ěng)卻、濾析、預氧化(huà)、炭化(↔♠≈huà)後得(de)到(dào)中間(jiān)相(xiàng)碳微(wēi)球。

　　1.直接熱(rè)縮聚法工(gōng)藝流程圖

　　2、乳化(huà)法工(gōng)藝流程圖

　　3、懸浮法工(gōng)藝流程圖

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　　碳微(wēi)球的(de)應用(yòng)

　　因為(wèi)中間(jiān)相(xiàng)σ≠←炭微(wēi)球不(bù)但(dàn)具有(yǒu)層片分(fēn)子(zǐ)平行(x™↕íng)堆砌的(de)結構，而且兼有(yǒu)球形的←♦(de)特點，分(fēn)布均勻并且球徑小(x‌≈iǎo)，所以大(dà)量新型碳材料已先用(yòng)中間(jiā✔≤σn)相(xiàng)炭微(wēi)球作(zuò)為(wèi)基礎的(de)材料，如(rú)高(>©₩gāo)密度各向同性炭—石墨材料、锂離(lí)子(zǐ)™∏ ​二次電(diàn)池的(de)電(diàn)極材料、高(gāo)效液相(x≥♥σiàng)色譜柱的(de)填充材料、高(gāo)比表面活性炭微(wēi)球等。±♠"ε

　　1、制(zhì)備高(gāo)密度各向同性炭φ÷≤​—石墨材料

　　由炭—石墨材料制(zhì)成的(de)各種>¥×物(wù)品，對(duì)于結構材料或是(shì)導電(diàn≤£β)材料，它都(dōu)必須有(yǒu)非常高(gāo)的(de)強↓♥¥度，這(zhè)樣才能(néng)在受壓、彎曲、碰撞過程中承受≈€↔ε的(de)住。在大(dà)量的(de)實驗過程中，事(shì)實證明(mín∑ε§g)平行(xíng)于擠壓或模壓方向的(de)力學性能(néng)和(h₩∑é)電(diàn)性能(néng)要(y✔✔ào)好(hǎo)于另一(yī)方向，由此對(duì)這(zhè)種特點進行(xíng)了(∞''∞le)實踐應用(yòng)。

　　但(dàn)是(shì)對(duì)于在一(β≈≤yī)些(xiē)特殊的(de)領域中，要(y↕‌§♥ào)求材料的(de)各向異性程度要(yào)小(☆α♣xiǎo)，即從(cóng)材料的(de)各個(gè)方向檢測，性$✔₽能(néng)指标的(de)差别要(yào)非α‍↕ε常小(xiǎo)。在核反應堆中，對(duì)φ→₽材料的(de)要(yào)求特别高(gāo)，石墨的(de)抗壓強度必須達到(dào)↑"750×98MPa 以上(shàng)，體(tǐ)積密度1.819kg &/cm3以上(shàng)，而且石墨顆粒必須盡可(kě)能(néng)的(de)®±各向同性。各種氣體(tǐ)壓縮機(jī)大‍♠•☆(dà)量被使用(yòng)在化(huà)工ε↔♣(gōng)生(shēng)産中，要(y< σ¥ào)求被壓縮氣體(tǐ)不(bù)被污染或者在一(yī)起不(bù)會(huì)起化×≥(huà)學反應，從(cóng)而可(kě)以使潤滑油得(de)到(dà‌‌↓o)盡可(kě)能(néng)少(shǎo)的(de)€‌ 使用(yòng)甚至避免使用(yòng)，在£↔這(zhè)些(xiē)場(chǎng)合，石墨耐磨損材料φ★≥便可(kě)以得(de)到(dào)充分(fēn)使用(yòng)，盡顯其本職性能(↓®néng)，但(dàn)對(duì)石墨材料的(de)性能(‍↕✔néng)要(yào)求也(yě)很(hěn)高(gāo)。

　　2、制(zhì)備高(gāo)比表面微(wēi)孔炭

　　高(gāo)比表面積微(wēi)孔炭在制★≠∏(zhì)備一(yī)些(xiē)高(gāo)性能(néng)材料具有(yǒu)非常重大(dà)的≤↕β(de)意義，它是(shì)由納米孔、表面、不(≠Ω<bù)規則結構和(hé)超微(wēi)粒子(zǐ)組合的(de)★±≤。微(wēi)孔炭的(de)基本結構單元為(wèi)超微(wēi)粒子(zǐ)，它是(shα₽★‍ì)類石墨經過微(wēi)晶過程而形成的(de)一(yī)次和(hé)高(gāo)次粒子(zǐ)£∞≤★。微(wēi)孔炭富含表面官能(néng)團或雜(zá)環是(shì)由于在制♦€(zhì)備微(wēi)孔炭的(de)過程中，它的(de)原料及一β₩(yī)些(xiē)特點影(yǐng)響形成的(dφ<♥e)。超微(wēi)粒子(zǐ)以多(duō)種方÷∏✘式在一(yī)起結合構成豐富的(de)納米空(kōng)間♦§"₩(jiān)，使其具備非常大(dà)的(de)比表面積的(de)原因是(shì)它的(de)大(∏‌>dà)小(xiǎo)與超微(wēi)粒子(zǐ)屬同數(shù)量級。

　　上(shàng)述這(zhè)些(xiē)結  構特點均使微(wēi)孔炭具有(yǒu)很(hěn)大(dà)的(de)表面能(néngΩ↕)，這(zhè)些(xiē)表面能(néng)能(néng)夠使孔壁分(fēn)子(zǐ)與微( <wēi)孔一(yī)起相(xiàng)互作(zuò)用(y✔↔±òng)而形成極大(dà)的(de)分(fēn)子(zǐ)場(chǎng)，不(b≠®≠ù)僅在吸附過程中，這(zhè)樣強大(dà)的(d☆≈ e)分(fēn)子(zǐ)場(chǎng)能(néng)夠決定微(wēi)孔♥∏₽的(de)充填，另一(yī)方面極其重要(yào)的(de) α是(shì)，這(zhè)樣的(de)分(fēn)子(zǐ)場(chǎng)能(néng£±←✘)夠賦予本體(tǐ)狀态和(hé)吸附分(fēn)子(zǐ)截然不(bù)一(yī)樣的(de)ε♣物(wù)理(lǐ)化(huà)學性質，因此，它的(de)存在為(wèi)進行(xíng≤‌")下(xià)一(yī)步的(de)物(wù)理(lǐ)與化(huà)學變化(huà)的(d∑φ↔e)标準高(gāo)壓體(tǐ)系提供了(le)一(yī)個(gè)吸附态分(fēn)子(zǐ€€&)，而且通(tōng)過改變一(yī)些(xiē)參數♥←(shù)，将這(zhè)樣的(de)分(fēn)子(zǐ)場(chǎng)進行(xí® ¶φng)修飾後，一(yī)個(gè)與原表面完全不(bù)同的(de)新型分(fēn ✔ )子(zǐ)場(chǎng)便得(de)以形成。上(shàng)述所有(λ♣yǒu)這(zhè)些(xiē)都(dōu)是(shì)微(wēi)孔炭在一(y''★ī)些(xiē)特殊領域的(de)奇妙用(yòng)途。

　　3、高(gāo)性能(néng)電(diàn)池的(de)電(diàn)極材料

　　中間(jiān)相(xiàng)碳微(wēi)球本身(shπ•₩ēn)就(jiù)是(shì)球狀結構，而¥∑♣由于其良好(hǎo)的(de)堆積密度，且單位體(tǐ)積嵌锂容量比較大‍α₹£(dà)。而且小(xiǎo)球具有(yǒu)片層狀結構，有(yǒu≥×↕)利于锂離(lí)子(zǐ)的(de)嵌入和(hé)脫嵌。另一(yī)方面，σΩ中間(jiān)相(xiàng)碳微(wēi)球較小(xiǎo₩• )的(de)外(wài)比表面積使得(de<✔α↓)在充放(fàng)電(diàn)過程中邊界反應少(shǎo€‌π)。因而中間(jiān)相(xiàng)碳微(wēi)球用(yòng)∏≥λ來(lái)制(zhì)備高(gāo)性能(néng)電(diàn)池的(de) β←∏電(diàn)極材料是(shì)最佳的(de)選擇®ε。

　　石墨化(huà)程度高(gāo)的(de)MCMB用(yòng)于锂離(lí)子(zǐ)二次電<₩(diàn)池具有(yǒu)很(hěn)€★好(hǎo)的(de)特性，如(rú)經2800℃熱(rè)處理(lǐ)的(d₽♦β<e)中間(jiān)相(xiàng)碳微(wēi)球做(zuò)負極材料制(zhì)作( ↓zuò)的(de)電(diàn)池具有(yǒu)5≥‌"↕00mA·h 的(de)容量，可(kě)低(dī)于1h快(kuà÷↑i)速放(fàng)電(diàn)。用(yòng)中間(jiān)相αε♠ (xiàng)碳微(wēi)球作(zuò)電(diàn)極制(‌★zhì)成的(de)锂離(lí)子(zǐ)二次電(diàn)池工(gōng)作(zuò€↔✘)電(diàn)壓高(gāo)達3.6V，為(wèi)普通(tōng)電(diàn)池的♥≈(de)3倍，并且循環壽命好(hǎo)(500～1000次)，可(kě)以在-2∑♣↔♠0～60℃溫度範圍內(nèi)使用(yòng)。此外(wài)，這(zhè)種電(dià↕​€βn)池還(hái)具有(yǒu)質量輕、無污染、比能(néng)量大(dà)(120W&m↕±☆​iddot;h／kg)、安全可(kě)靠、無記憶性等優點，很(hěn)有(yǒ≥↓u)可(kě)能(néng)向二次電(diàn)池市(shì)場(c€✔σ↑hǎng)發起沖擊，最終占據Cd/Ni 電(diàn)池的(de)傳統第4C(Cordle ±αss tools)市(shì)場(chǎng)。

　　4、高(gāo)效液相(xiàng)色譜填充劑

　　中間(jiān)相(xiàng)碳微(wēi)球的(de)另一(yī)個(gè)重要(yà>σ™​o)用(yòng)途是(shì)作(zuò)為(wèi)高(gāo)效液相(xi♣•àng)色譜柱的(de)填充材料。作(zuò)為(wèi)液相(xiàng)色譜的(de)填充↑ ♣劑要(yào)求：a,耐高(gāo)溫（150-250℃）；耐強酸強堿溶★♣>液；b，膨脹系數(shù)小(xiǎo)；c，耐強酸強堿溶↑π®¶液；d，化(huà)學惰性；e，分(fēn)<★離(lí)能(néng)力不(bù)變。♠φ

　　5、碳微(wēi)球研究現(xiàn)狀

　　從(cóng)碳源、制(zhì)備工(gōng)☆‍♥±藝、産量、碳微(wēi)球的(de)形貌與結構以及潛在的(de)應用(yòng)前景♠ 等諸多(duō)方面綜合考慮，溶劑熱(r×↕πè)法是(shì)制(zhì)備碳微(wēi)球的(de)有(yǒu)效方法，有(yǒβ≥"§u)可(kě)能(néng)成為(wèi)未來(lái♥ ₹<)制(zhì)備碳微(wēi)球的(de)δ↕主要(yào)方法。然而，碳微(wēi)球的(de)結構又(yòu)決定了(le)其性λ$π♥質和(hé)應用(yòng)，因此，根據應用(yòng)領域的(de)不(bù)✔©同，通(tōng)過設計(jì)碳微(wēi)球的(de)結構來(l☆¶÷φái)改變其性質，是(shì)碳微(wēi)球制(zhì)備 ÷研究領域未來(lái)的(de)發展方向。

　　另外(wài)，碳微(wēi)球的(de)應用(yòn<♦©g)将會(huì)成為(wèi)今後的(de)研究重點，碳微(wēi)球結構和(hé)性能(né←₩ng)的(de)多(duō)樣性使其在衆多(duō)相(xiàng)關領域的(d•≤ ✔e)潛在應用(yòng)尚未開(kāi)發。如(rú)以磁性金(jīn)屬為(♦π&wèi)核，碳微(wēi)球為(wèi)殼的(de)核殼結構的(de)碳微(w♥↓£ēi)球，既有(yǒu)金(jīn)屬的(de)磁性作(zuò)用(yòng)，又(yòβ≥↕♥u)有(yǒu)碳微(wēi)球的(de)載體(tǐ)作(zuò)用(yòng)，在其表面負載÷≠上(shàng)藥物(wù)球比表面積大(dà)、穩定性$β<←好(hǎo)以及表面可(kě)以滲透，也(yě)有(yǒu)望在醫(₩≠↕yī)藥生(shēng)物(wù)等領域得(de)到(dào)廣←•♣©泛的(de)應用(yòng)；除此之外(wài)，空(kōng)∑↓÷心結構的(de)碳微(wēi)球密度低(dī)，電(diàn)‌§£導率、熱(rè)導率低(dī)，耐磨損和(γ'★"hé)耐燒蝕，這(zhè)些(xiē)性能(néng)決定其在航空(kōng)航天★>‍領域具有(yǒu)潛在的(de)應用(yòng)價值。然而，縱觀碳微(wēi)球的(d •∏e)應用(yòng)，雖然多(duō)種應用(yò₩✔™¥ng)已實現(xiàn)市(shì)場(chǎng)化(huà)，但(dàn)欲使≈σ✘σ更多(duō)的(de)應用(yòng)走出實驗室，仍然需要(yào)不(bù)懈的(dα±✔e)努力。