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碳微球

山东埃尔派 | 点击量:0次 | 2020-11-20

摘要
  碳微球概述  中间相碳微球(Mesocarbon Microbeads ,简称为MCMB)发现于1961年,是随着中间相的发现、研究而发展起来的一种新型的碳材料。它是由沥青类化合物热处理时发

  碳微球概述

  中间相碳微球(Mesocarbon Microbeads ,简称为MCMB)发现于1961年,是随着中间相的发现、研究而发展起来的一种新型的碳材料。它是由沥青类化合物热处理时发生热缩聚反应而生成的具有各向异性的微米级球形碳材料,因其具有良好的化学稳定性、热稳定性和优良的导电、导热等特性,而被广泛用于锂离子二次电池负极材料、高密高强C/C复合材料、高性能液相色谱柱填料、高比表面活性炭材料等领域。特别是20世纪90年代研制出以MCMB为负极材料的锂离子二次电池,大大地推动了MCMB的工业化应用,MCMB已成为一种具有良好应用前景和开发潜力的碳材料。

碳微球

碳微球示意图

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  碳微球的制备

  原料——煤沥青、煤焦油、石油渣油沥青,合成树脂、合成沥青等(热缩聚后能生成大量高分子量的多环芳烃化合物;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。)

  改性剂——如石蜡、四羟基化合物、苯醌等。使原料体系既含有具有高度反应性的稠环芳烃组分,又有一定数量的烷烃链,从而改善其相容性,并使热缩聚过程中物料流动性好,促进中间相生成。

  添加剂——促进中间相小球生成,阻止其融并.如:炭黑

  制备工艺

  中间相碳微球的制备方法主要有热缩聚法、乳化法、悬浮法以及其他制备方法。热缩聚法制备中间相碳微球即热处理稠环芳烃化合物缩聚产生中间相小球体,而形成的小球体分散在反应体系的母液中,最终采用合适的方法从母液中分离出来。乳化法制备中间相碳微球,首先要热处理稠环芳烃化合物得到球状中间相,然后把中间相乳化成中间相小球体。悬浮法制备中间相碳微球的具体方法是把中间相沥青溶于有机溶剂中,利用表面活性剂与水或其他溶剂组成悬浮液,在一定温度下强力搅拌,使中间相沥青成球,然后加热除去有机溶剂,冷却、滤析、预氧化、炭化后得到中间相碳微球。

  1.直接热缩聚法工艺流程图

碳微球

  2、乳化法工艺流程图

碳微球

  3、悬浮法工艺流程图

碳微球

碳微球

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  碳微球的应用

  因为中间相炭微球不但具有层片分子平行堆砌的结构,而且兼有球形的特点,分布均匀并且球径小,所以大量新型碳材料已先用中间相炭微球作为基础的材料,如高密度各向同性炭—石墨材料、锂离子二次电池的电极材料、高效液相色谱柱的填充材料、高比表面活性炭微球等。

  1、制备高密度各向同性炭—石墨材料

  由炭—石墨材料制成的各种物品,对于结构材料或是导电材料,它都必须有非常高的强度,这样才能在受压、弯曲、碰撞过程中承受的住。在大量的实验过程中,事实证明平行于挤压或模压方向的力学性能和电性能要好于另一方向,由此对这种特点进行了实践应用。

  但是对于在一些特殊的领域中,要求材料的各向异性程度要小,即从材料的各个方向检测,性能指标的差别要非常小。在核反应堆中,对材料的要求特别高,石墨的抗压强度必须达到750×98MPa 以上,体积密度1.819kg/cm3以上,而且石墨颗粒必须尽可能的各向同性。各种气体压缩机大量被使用在化工生产中,要求被压缩气体不被污染或者在一起不会起化学反应,从而可以使润滑油得到尽可能少的使用甚至避免使用,在这些场合,石墨耐磨损材料便可以得到充分使用,尽显其本职性能,但对石墨材料的性能要求也很高。

  2、制备高比表面微孔炭

  高比表面积微孔炭在制备一些高性能材料具有非常重大的意义,它是由纳米孔、表面、不规则结构和超微粒子组合的。微孔炭的基本结构单元为超微粒子,它是类石墨经过微晶过程而形成的一次和高次粒子。微孔炭富含表面官能团或杂环是由于在制备微孔炭的过程中,它的原料及一些特点影响形成的。超微粒子以多种方式在一起结合构成丰富的纳米空间,使其具备非常大的比表面积的原因是它的大小与超微粒子属同数量级。

  上述这些结构特点均使微孔炭具有很大的表面能,这些表面能能够使孔壁分子与微孔一起相互作用而形成极大的分子场,不仅在吸附过程中,这样强大的分子场能够决定微孔的充填,另一方面极其重要的是,这样的分子场能够赋予本体状态和吸附分子截然不一样的物理化学性质,因此,它的存在为进行下一步的物理与化学变化的标准高压体系提供了一个吸附态分子,而且通过改变一些参数,将这样的分子场进行修饰后,一个与原表面完全不同的新型分子场便得以形成。上述所有这些都是微孔炭在一些特殊领域的奇妙用途。

  3、高性能电池的电极材料

  中间相碳微球本身就是球状结构,而由于其良好的堆积密度,且单位体积嵌锂容量比较大。而且小球具有片层状结构,有利于锂离子的嵌入和脱嵌。另一方面,中间相碳微球较小的外比表面积使得在充放电过程中边界反应少。因而中间相碳微球用来制备高性能电池的电极材料是最佳的选择。

  石墨化程度高的MCMB用于锂离子二次电池具有很好的特性,如经2800℃热处理的中间相碳微球做负极材料制作的电池具有500mA·h 的容量,可低于1h快速放电。用中间相碳微球作电极制成的锂离子二次电池工作电压高达3.6V,为普通电池的3倍,并且循环寿命好(500~1000次),可以在-20~60℃温度范围内使用。此外,这种电池还具有质量轻、无污染、比能量大(120W·h/kg)、安全可靠、无记忆性等优点,很有可能向二次电池市场发起冲击,最终占据Cd/Ni 电池的传统第4C(Cordless tools)市场。

  4、高效液相色谱填充剂

  中间相碳微球的另一个重要用途是作为高效液相色谱柱的填充材料。作为液相色谱的填充剂要求:a,耐高温(150-250℃);耐强酸强碱溶液;b,膨胀系数小;c,耐强酸强碱溶液;d,化学惰性;e,分离能力不变。

  5、碳微球研究现状

  从碳源、制备工艺、产量、碳微球的形貌与结构以及潜在的应用前景等诸多方面综合考虑,溶剂热法是制备碳微球的有效方法,有可能成为未来制备碳微球的主要方法。然而,碳微球的结构又决定了其性质和应用,因此,根据应用领域的不同,通过设计碳微球的结构来改变其性质,是碳微球制备研究领域未来的发展方向。

  另外,碳微球的应用将会成为今后的研究重点,碳微球结构和性能的多样性使其在众多相关领域的潜在应用尚未开发。如以磁性金属为核,碳微球为壳的核壳结构的碳微球,既有金属的磁性作用,又有碳微球的载体作用,在其表面负载上药物球比表面积大、稳定性好以及表面可以渗透,也有望在医药生物等领域得到广泛的应用;除此之外,空心结构的碳微球密度低,电导率、热导率低,耐磨损和耐烧蚀,这些性能决定其在航空航天领域具有潜在的应用价值。然而,纵观碳微球的应用,虽然多种应用已实现市场化,但欲使更多的应用走出实验室,仍然需要不懈的努力。

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