碳微球概述

　　中間相碳(tan)微球(Mesocarbon Microbeads ,簡稱為(wei)MCMB)發(fa)現于1961年(nian)(nian),是(shi)隨(sui)著中間相的發(fa)現、研究(jiu)而(er)發(fa)展起來的一(yi)(yi)種(zhong)新(xin)型的碳(tan)材(cai)料(liao)(liao)(liao)。它是(shi)由(you)瀝(li)青類(lei)化合(he)物(wu)熱(re)處理時發(fa)生(sheng)熱(re)縮聚反(fan)應(ying)而(er)生(sheng)成的具有(you)各向異性的微米級球形碳(tan)材(cai)料(liao)(liao)(liao)，因其(qi)具有(you)良(liang)好的化學(xue)穩(wen)定(ding)性、熱(re)穩(wen)定(ding)性和優良(liang)的導(dao)電、導(dao)熱(re)等特性，而(er)被廣泛(fan)用(yong)于鋰離子(zi)二(er)次電池(chi)負(fu)極(ji)材(cai)料(liao)(liao)(liao)、高密高強C／C復合(he)材(cai)料(liao)(liao)(liao)、高性能(neng)液相色譜柱填料(liao)(liao)(liao)、高比表面(mian)活性炭材(cai)料(liao)(liao)(liao)等領域。特別是(shi)20世紀(ji)90年(nian)(nian)代(dai)研制出以(yi)MCMB為(wei)負(fu)極(ji)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的鋰離子(zi)二(er)次電池(chi)，大大地推動了MCMB的工業化應(ying)用(yong)，MCMB已成為(wei)一(yi)(yi)種(zhong)具有(you)良(liang)好應(ying)用(yong)前景和開(kai)發(fa)潛(qian)力的碳(tan)材(cai)料(liao)(liao)(liao)。

碳微球示意圖

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　　碳微球的制備

　　原料——煤(mei)瀝(li)(li)青(qing)(qing)、煤(mei)焦(jiao)油、石(shi)油渣油瀝(li)(li)青(qing)(qing)，合(he)成(cheng)樹脂、合(he)成(cheng)瀝(li)(li)青(qing)(qing)等(熱縮(suo)聚后能生成(cheng)大量高分子量的多環(huan)芳烴(jing)化合(he)物；具有較好(hao)的流動性，使多環(huan)芳烴(jing)化合(he)物能比較規整地定向排列。)

　　改性劑——如(ru)石(shi)蠟、四羥基化合物、苯醌(kun)等。使原料體系既含有具(ju)有高度(du)反應性(xing)的(de)稠環芳烴組(zu)分，又有一(yi)定(ding)數量的(de)烷烴鏈(lian)，從而改善(shan)其相(xiang)容性(xing)，并使熱縮聚過(guo)程(cheng)中(zhong)物料流動性(xing)好，促進中(zhong)間(jian)相(xiang)生(sheng)成。

　　添加劑——促進中間相(xiang)小球生成，阻止其融并.如：炭黑(hei)

　　制備工藝

　　中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)碳(tan)微(wei)球(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)(de)制(zhi)備(bei)(bei)(bei)方(fang)法(fa)(fa)主要有熱(re)(re)縮聚法(fa)(fa)、乳(ru)(ru)(ru)化(hua)法(fa)(fa)、懸(xuan)浮法(fa)(fa)以及其他制(zhi)備(bei)(bei)(bei)方(fang)法(fa)(fa)。熱(re)(re)縮聚法(fa)(fa)制(zhi)備(bei)(bei)(bei)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)碳(tan)微(wei)球(qiu)(qiu)即(ji)熱(re)(re)處(chu)理稠(chou)環(huan)芳(fang)烴(jing)化(hua)合(he)物縮聚產生中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)小(xiao)球(qiu)(qiu)體(ti)，而形成的(de)(de)(de)(de)小(xiao)球(qiu)(qiu)體(ti)分(fen)散在反應體(ti)系的(de)(de)(de)(de)母液中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，最終(zhong)采用合(he)適的(de)(de)(de)(de)方(fang)法(fa)(fa)從母液中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)分(fen)離出來。乳(ru)(ru)(ru)化(hua)法(fa)(fa)制(zhi)備(bei)(bei)(bei)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)碳(tan)微(wei)球(qiu)(qiu)，首(shou)先要熱(re)(re)處(chu)理稠(chou)環(huan)芳(fang)烴(jing)化(hua)合(he)物得(de)到球(qiu)(qiu)狀中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)，然后(hou)(hou)把中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)乳(ru)(ru)(ru)化(hua)成中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)小(xiao)球(qiu)(qiu)體(ti)。懸(xuan)浮法(fa)(fa)制(zhi)備(bei)(bei)(bei)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)碳(tan)微(wei)球(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)(de)具體(ti)方(fang)法(fa)(fa)是把中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)瀝(li)青溶于(yu)有機(ji)溶劑(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，利用表面活性劑(ji)與(yu)水或其他溶劑(ji)組成懸(xuan)浮液，在一定溫(wen)度下強力攪拌，使中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)瀝(li)青成球(qiu)(qiu)，然后(hou)(hou)加(jia)熱(re)(re)除(chu)去有機(ji)溶劑(ji)，冷卻、濾析、預氧(yang)化(hua)、炭化(hua)后(hou)(hou)得(de)到中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)碳(tan)微(wei)球(qiu)(qiu)。

　　1.直接熱縮聚法工藝流程圖

　　2、乳化法工藝流程圖

　　3、懸浮法工藝流程圖

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　　碳微球的應用

　　因為中間相(xiang)炭(tan)微(wei)球(qiu)不但(dan)具有(you)層片分子平(ping)行(xing)堆(dui)砌的(de)(de)結構，而且兼有(you)球(qiu)形(xing)的(de)(de)特點，分布均(jun)勻并(bing)且球(qiu)徑小，所以大(da)量新型碳(tan)材(cai)料(liao)已先用中間相(xiang)炭(tan)微(wei)球(qiu)作為基礎的(de)(de)材(cai)料(liao)，如高密度各(ge)向同性炭(tan)—石(shi)墨材(cai)料(liao)、鋰離子二次電(dian)池的(de)(de)電(dian)極材(cai)料(liao)、高效(xiao)液相(xiang)色(se)譜(pu)柱的(de)(de)填(tian)充材(cai)料(liao)、高比表面活性炭(tan)微(wei)球(qiu)等。

　　1、制備高密度各向同性炭—石墨材料

　　由炭(tan)—石墨材料制成的(de)各種(zhong)物品，對(dui)于結構材料或是導(dao)電材料，它都必須有非常高的(de)強度，這樣(yang)才能(neng)(neng)在受壓(ya)、彎曲、碰(peng)撞過程(cheng)中承(cheng)受的(de)住。在大量(liang)的(de)實(shi)驗過程(cheng)中，事實(shi)證明平行于擠壓(ya)或模壓(ya)方(fang)向(xiang)的(de)力學性能(neng)(neng)和(he)電性能(neng)(neng)要好于另(ling)一方(fang)向(xiang)，由此對(dui)這種(zhong)特點進行了實(shi)踐應用。

　　但是(shi)對(dui)(dui)于在(zai)(zai)一些(xie)特殊的(de)(de)領域中，要(yao)(yao)求(qiu)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)各向(xiang)異性(xing)程(cheng)度(du)(du)要(yao)(yao)小，即從材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)各個(ge)方向(xiang)檢測，性(xing)能指標的(de)(de)差別(bie)要(yao)(yao)非常小。在(zai)(zai)核反應堆中，對(dui)(dui)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)要(yao)(yao)求(qiu)特別(bie)高(gao)，石(shi)墨(mo)(mo)的(de)(de)抗壓(ya)強度(du)(du)必須達到(dao)750×98MPa 以(yi)上(shang)，體(ti)積密度(du)(du)1.819kg/cm3以(yi)上(shang)，而且石(shi)墨(mo)(mo)顆粒必須盡可(ke)(ke)(ke)能的(de)(de)各向(xiang)同(tong)性(xing)。各種(zhong)氣體(ti)壓(ya)縮機大量被(bei)使(shi)(shi)用(yong)在(zai)(zai)化工(gong)生(sheng)產中，要(yao)(yao)求(qiu)被(bei)壓(ya)縮氣體(ti)不被(bei)污染(ran)或者在(zai)(zai)一起不會起化學反應，從而可(ke)(ke)(ke)以(yi)使(shi)(shi)潤滑油得到(dao)盡可(ke)(ke)(ke)能少的(de)(de)使(shi)(shi)用(yong)甚至避免使(shi)(shi)用(yong)，在(zai)(zai)這些(xie)場(chang)合，石(shi)墨(mo)(mo)耐磨(mo)損材(cai)料(liao)(liao)(liao)便可(ke)(ke)(ke)以(yi)得到(dao)充分使(shi)(shi)用(yong)，盡顯(xian)其本職性(xing)能，但對(dui)(dui)石(shi)墨(mo)(mo)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)性(xing)能要(yao)(yao)求(qiu)也很高(gao)。

　　2、制備高比表面微孔炭

　　高比表面(mian)積微(wei)孔(kong)(kong)(kong)炭在(zai)制備一些高性能(neng)材料(liao)具有非常重大的(de)(de)(de)意義(yi)，它(ta)(ta)是(shi)由納米孔(kong)(kong)(kong)、表面(mian)、不規(gui)則(ze)結構(gou)和(he)超(chao)(chao)微(wei)粒(li)(li)子(zi)組合的(de)(de)(de)。微(wei)孔(kong)(kong)(kong)炭的(de)(de)(de)基(ji)本結構(gou)單(dan)元(yuan)為超(chao)(chao)微(wei)粒(li)(li)子(zi)，它(ta)(ta)是(shi)類(lei)石墨經(jing)過微(wei)晶過程(cheng)而形成的(de)(de)(de)一次(ci)和(he)高次(ci)粒(li)(li)子(zi)。微(wei)孔(kong)(kong)(kong)炭富含表面(mian)官(guan)能(neng)團或(huo)雜環是(shi)由于在(zai)制備微(wei)孔(kong)(kong)(kong)炭的(de)(de)(de)過程(cheng)中(zhong)，它(ta)(ta)的(de)(de)(de)原料(liao)及一些特(te)點影響形成的(de)(de)(de)。超(chao)(chao)微(wei)粒(li)(li)子(zi)以多種方式在(zai)一起結合構(gou)成豐富的(de)(de)(de)納米空(kong)間，使(shi)其具備非常大的(de)(de)(de)比表面(mian)積的(de)(de)(de)原因是(shi)它(ta)(ta)的(de)(de)(de)大小與(yu)超(chao)(chao)微(wei)粒(li)(li)子(zi)屬(shu)同(tong)數(shu)量(liang)級(ji)。

　　上述這(zhe)些(xie)結構特點均使微孔(kong)炭具有(you)很大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)表(biao)面能，這(zhe)些(xie)表(biao)面能能夠(gou)使孔(kong)壁分(fen)子與(yu)(yu)微孔(kong)一(yi)(yi)起相(xiang)互作(zuo)用而形(xing)成極大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)分(fen)子場(chang)，不(bu)僅(jin)在(zai)(zai)吸(xi)附過(guo)程中(zhong)，這(zhe)樣(yang)強(qiang)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)分(fen)子場(chang)能夠(gou)決定微孔(kong)的(de)(de)(de)(de)充填，另一(yi)(yi)方面極其重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)是，這(zhe)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)分(fen)子場(chang)能夠(gou)賦予本體(ti)狀態和吸(xi)附分(fen)子截然不(bu)一(yi)(yi)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)物理化學性質，因此(ci)，它的(de)(de)(de)(de)存在(zai)(zai)為進(jin)行下一(yi)(yi)步的(de)(de)(de)(de)物理與(yu)(yu)化學變化的(de)(de)(de)(de)標準高壓體(ti)系提供(gong)了一(yi)(yi)個吸(xi)附態分(fen)子，而且通過(guo)改變一(yi)(yi)些(xie)參數(shu)，將這(zhe)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)分(fen)子場(chang)進(jin)行修(xiu)飾后，一(yi)(yi)個與(yu)(yu)原表(biao)面完全不(bu)同的(de)(de)(de)(de)新(xin)型分(fen)子場(chang)便得以形(xing)成。上述所有(you)這(zhe)些(xie)都是微孔(kong)炭在(zai)(zai)一(yi)(yi)些(xie)特殊領域的(de)(de)(de)(de)奇妙用途(tu)。

　　3、高性能電池的電極材料

　　中間相碳(tan)(tan)微球本身就是球狀(zhuang)結構(gou)，而(er)由于其良好的(de)堆積密度，且單位(wei)體積嵌鋰(li)容量(liang)比較大(da)。而(er)且小球具有片層(ceng)狀(zhuang)結構(gou)，有利于鋰(li)離子的(de)嵌入和脫嵌。另一方面，中間相碳(tan)(tan)微球較小的(de)外比表(biao)面積使得在(zai)充放電過程中邊界反應少。因而(er)中間相碳(tan)(tan)微球用來制備高性能電池(chi)的(de)電極材(cai)料是最(zui)佳(jia)的(de)選擇(ze)。

　　石(shi)墨化程(cheng)度(du)高的(de)(de)MCMB用于(yu)鋰離(li)子(zi)二(er)次(ci)電(dian)池(chi)具(ju)有(you)很好的(de)(de)特性，如(ru)經(jing)2800℃熱處理的(de)(de)中(zhong)間相(xiang)碳微(wei)球(qiu)做負極材(cai)料制作(zuo)的(de)(de)電(dian)池(chi)具(ju)有(you)500mA·h 的(de)(de)容量，可(ke)(ke)(ke)(ke)低(di)于(yu)1h快速放電(dian)。用中(zhong)間相(xiang)碳微(wei)球(qiu)作(zuo)電(dian)極制成(cheng)的(de)(de)鋰離(li)子(zi)二(er)次(ci)電(dian)池(chi)工作(zuo)電(dian)壓高達3.6V，為普通電(dian)池(chi)的(de)(de)3倍，并(bing)且循環壽命好(500～1000次(ci))，可(ke)(ke)(ke)(ke)以在-20～60℃溫度(du)范圍(wei)內使用。此外，這種電(dian)池(chi)還具(ju)有(you)質(zhi)量輕、無污染、比能量大(120W·h／kg)、安全可(ke)(ke)(ke)(ke)靠、無記憶性等優點(dian)，很有(you)可(ke)(ke)(ke)(ke)能向(xiang)二(er)次(ci)電(dian)池(chi)市場發起(qi)沖擊，最終占據(ju)Cd/Ni 電(dian)池(chi)的(de)(de)傳統第4C(Cordless tools)市場。

　　4、高效液相色譜填充劑

　　中間(jian)相(xiang)(xiang)碳微球的(de)另一個重(zhong)要用途是作為高效液相(xiang)(xiang)色(se)(se)譜(pu)柱的(de)填充材料(liao)。作為液相(xiang)(xiang)色(se)(se)譜(pu)的(de)填充劑要求：a,耐(nai)高溫(wen)（150-250℃）；耐(nai)強酸強堿(jian)溶液；b，膨脹系數小；c，耐(nai)強酸強堿(jian)溶液；d，化學(xue)惰性；e，分離能力不變。

　　5、碳微球研究現狀

　　從碳(tan)源、制(zhi)備(bei)工藝、產量、碳(tan)微(wei)球(qiu)(qiu)的(de)(de)形(xing)貌與(yu)結(jie)構(gou)以及潛在的(de)(de)應(ying)用前景等諸(zhu)多方面綜合(he)考慮，溶劑(ji)熱法(fa)是制(zhi)備(bei)碳(tan)微(wei)球(qiu)(qiu)的(de)(de)有效方法(fa)，有可能成為未來制(zhi)備(bei)碳(tan)微(wei)球(qiu)(qiu)的(de)(de)主要方法(fa)。然而(er)，碳(tan)微(wei)球(qiu)(qiu)的(de)(de)結(jie)構(gou)又決定(ding)了其性(xing)質和應(ying)用，因此，根據應(ying)用領域(yu)的(de)(de)不同，通過設(she)計碳(tan)微(wei)球(qiu)(qiu)的(de)(de)結(jie)構(gou)來改變其性(xing)質，是碳(tan)微(wei)球(qiu)(qiu)制(zhi)備(bei)研究(jiu)領域(yu)未來的(de)(de)發展方向。

　　另外，碳(tan)微球的(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)將會(hui)成為(wei)今后的(de)(de)(de)(de)研究重點，碳(tan)微球結(jie)構(gou)和性(xing)能的(de)(de)(de)(de)多(duo)樣性(xing)使其在眾(zhong)多(duo)相(xiang)關領(ling)域的(de)(de)(de)(de)潛在應用(yong)(yong)尚未(wei)開發。如以磁(ci)性(xing)金屬(shu)為(wei)核(he)，碳(tan)微球為(wei)殼(ke)的(de)(de)(de)(de)核(he)殼(ke)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)碳(tan)微球，既(ji)有(you)金屬(shu)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)性(xing)作(zuo)用(yong)(yong)，又(you)有(you)碳(tan)微球的(de)(de)(de)(de)載體作(zuo)用(yong)(yong)，在其表面(mian)(mian)負載上藥物球比表面(mian)(mian)積大、穩定(ding)性(xing)好以及表面(mian)(mian)可以滲(shen)透，也有(you)望在醫藥生物等領(ling)域得到廣泛(fan)的(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)；除此之外，空心結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)碳(tan)微球密度低，電(dian)導率(lv)、熱導率(lv)低，耐磨損和耐燒蝕(shi)，這(zhe)些性(xing)能決定(ding)其在航空航天領(ling)域具有(you)潛在的(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)價(jia)值。然(ran)而，縱觀碳(tan)微球的(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)，雖然(ran)多(duo)種(zhong)應用(yong)(yong)已(yi)實(shi)現市場化，但欲使更多(duo)的(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)走(zou)出實(shi)驗室，仍然(ran)需要不懈的(de)(de)(de)(de)努力(li)。