中间相沥青基泡沫炭的制备及其发泡过程中组织结构变化和动力学分析

发布时间：2020-05-19 18:38

【摘要】：中间相沥青基泡沫炭作为一种轻质功能材料,在特种材料领域,尤其是热交换及电子工业中正发挥着越来越重要的作用。国内外研究者虽然已经对泡沫炭的制备工艺及性能做了大量的研究,但有关中间相沥青基泡沫炭发泡过程中组织结构变化和动力学分析方面鲜有文献报道。本论文以AR中间相沥青为原料,通过热重(TG)、质谱(MS)、红外(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)等研究方法研究了中间相沥青发泡过程中发生的一系列变化。首先借助偏光显微镜观察了熔融沥青中孔泡结构的形成过程,并通过TG分析模拟了中间相沥青发泡过程中的热失重规律,建立了中间相沥青恒温发泡过程的数学模型,在此基础上采用自发泡法制备泡沫炭,系统研究了发泡过程中升温速率及发泡温度对制备的炭化泡沫与石墨泡沫的孔泡结构及物理性能的影响。研究结果表明:(1)中间相沥青在发泡过程中主要发生脂肪碳链的热解反应,并释放出H2、CH4、H20和CO等气体,导致熔融沥青中的分子组成产生变化,进而引起其粘度变化;(2)对不同升温速率和发泡温度下中间相沥青的TG曲线进行拟合,发现恒温阶段的失重率△w与发泡时间tb成较好的线性关系,结合Arrhenius方程,得到了1℃/min、5℃/min、10℃/min升温速率下恒温发泡阶段热解反应的活化能分别为82.66 kJ/mol、51.52 kJ/mol、39.93 kJ/mol,反应速率常数随发泡温度的升高而增大;(3)升温至320℃后,熔融中间相沥青中由于沥青分子发生热解反应导致其内部分子组成发生变化,开始出现镶嵌型结构,同时热解反应产生的气体在熔融沥青表面张力的作用下聚集到镶嵌型结构处,并导致镶嵌型结构逐渐转变成孔泡结构。到350℃时,镶嵌型结构已完全转变成孔泡结构;(4)炭化泡沫及石墨泡沫的体积密度总体上随着升温速率的升高而降低;升温速率为5℃/min时制备的炭化泡沫的抗压强度相对较高;较高的发泡温度有利于减少石墨泡沫中的微裂纹数量,进而提高石墨泡沫的抗压强度;(5)在升温速率为1-10℃/min、发泡温度为420-480℃范围内,体积密度是影响石墨泡沫热导率的主要因素。
【图文】：

泡沫炭,三维结构图

这些特性决定了泡沫炭不论是在日常生活生产，还是在航天航空、军工逡逑及科学科研领域都有着极为巨大的发展潜力［１＿３］。逡逑泡沫炭的三维结构如图１．１所示，泡沫炭主要由内部相互连通的孔泡结构和孔逡逑壁相互交错形成的幵带结构组成，这些结构决定了泡沫炭的体积密度，其主要的逡逑物理性能（如抗压强度、导热率等）与体积密度有相当大的联系ｒ而体积密度由逡逑泡沫炭的内部结构决定，即孔泡的尺寸与数量、孔泡壁的厚度以及固态基体结构逡逑的有序度。这就是为什么可以通过控制泡沫炭的孔泡生长过程来调控泡沫炭的物逡逑理性能。其中，主要的影响因素有泡沫炭前驱体的选择，工艺参数（温度和压力）逡逑的设定以及合适的工艺路线。此外，泡沫炭的物理性能还可以通过对发泡原料进逡逑行掺杂以达到改性的目的，常用的掺杂剂有其它碳材料以及无机物，另一种改性逡逑的方法是通过引入杂原子来实现的，主要掺杂元素包括硼元素与氮元素。逡逑因此，泡沫炭作为一种轻质的功能结构材料，在化工、能源、电化

煤沥青,中间相小球,中间相,转化过程

（ＣＳＩＲＯ）的研宄者Ｂｒｏｏｋｓ和Ｔａｙｌｅｒ发现［４】。１９６１年Ｔａｙｌｅｒ在研宄煤沥青时偶然逡逑发现，在热处理过程中煤沥青中的重质相会发生相分离并在表面张力作用下形成逡逑球形各向异性的小球体，如图１．２所示。１９６４年，，Ｂｒｏｏｋｓ也发现了浙青在特定条逡逑件的热处理过程中会形成中间相的小球体，并逐渐长大、融并，最后完全转变为逡逑各向异性的中间相沥青。他们随后还研究了这种中间相小球体的生成机理和微观逡逑结构，并初步解释了沥青热处理过程中由各向同性向各向异性发生转化的过程。逡逑这一发现掀起了科学家们研究中间相沥青的研究热潮，大大推动了炭素行业的发逡逑展，为制备局性能的新型炭材料奠定了基础。逡逑中间相沥青是由重质芳烃类物质在热处理过程中生成的一种由圆盘状或者棒逡逑状分子构成的向列型的液晶物质，制备它的原料可以是沥青、重质油和一些化合逡逑物和它们的缩聚体。每种原料沥青中具有多种结构的芳香分子，包括脂肪族、芳逡逑香族以及由它们共同构成的复杂分子，这些分子在热处理过程中分别发生着不同逡逑的化学反应
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TB383.4

【参考文献】