中间相沥青基泡沫炭的制备_结构及性能

第26卷　第3期Vol 126　No 13材　料　科　学　与　工　程　学　报Journal of Materials Science &Engineering 总第113期J un.2008

文章编号:167322812(2008)0320390205

中间相沥青基泡沫炭的制备、结构及性能

王小军1,杨俊和2,詹　亮1,乔文明1,张　睿1,梁晓怿1,凌立成1

(1.华东理工大学化学工程国家重点实验室,上海　200237;2.上海应用技术学院材料科学与工程系,上海　200235)

【摘　要】　以萘系中间相沥青为原料,考察了发泡条件、炭化和石墨化工艺对所制泡沫炭结构和性能的影响。

结合粘温曲线、T G 2D T G 热重曲线以及不同发泡条件下泡沫炭的表面形貌分析,其最佳发泡条件为:发泡温度600℃,升温速率5℃/min ,发泡压力5MPa 。石墨化升温速率越低越有利于泡沫炭石墨微晶的生长及压缩强度的提高,其中以5℃/min 升温至2800℃并恒温30min 所制泡沫炭的压缩强度达1.38MPa 。

【关键词】　泡沫炭;中间相沥青中图分类号:TQ127.1+ 文献标识码:A

Preparation and Perform ance of Mesophase Pitch B ased C arbon Foam

WANG Xiao 2Jun 1,YANG Jun 2he 2,ZHAN Liang 1,QIAO Wen 2ming 1,

ZHANG Rui 1,L IANG Xiao 2yi 1,L ING Li 2cheng 1

(1.State K ey Laboratory of Chemical E ngineering ,E ast China U niversity of Science and T echnology ,Shanghai 200237,China ;

2.Department of Materials Science and E ngineering ,Sh anghai I nstitute of T echnology ,Sh anghai 200235,China)

【Abstract 】　Effects of foaming ,carbonization and graphitization conditions on the properties of mesophase pitch based carbon foam were investigated.According to the analysis of temperature 2viscosity curve ,T G 2D T G curve and morphology of the nascent foams ,the optimum foaming conditions for the used naphthalene based mesophase pitch were as follows ,the foaming temperature 600℃,the foaming rate 5℃/min and the foaming pressure 5MPa.Carbon foam with compressive strength of 1.38MPa was obtained if the nascent carbon foam was graphitized at 2800℃for 30min with the graphitic rate of 5℃/min.A lower graphitic rate was beneficial to improve the compressive strength of carbon foam and its graphite crystallite development.

【K ey w ords 】　carbon foam ;mesophase pitch

收稿日期:2007206203;修订日期:2007208207

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50672025),上海市科学技术委员会登山计划资助项目

作者简介:王小军(1979-),男,硕士,主要从事炭质多孔材料的制备及应用开发。通讯作者:詹　亮,E 2mail :zhanliang @ 。

1　前　言

随着时代的发展和科技的进步,对各种功能材料在极端条件下的抗氧化性、覆逸行为、导热性能等提出了更为苛刻的要求。其中,泡沫炭作为一种新型炭质功能材料,因具有耐高温、耐腐蚀、抗冲击、极低的热膨胀系数等优异性能,在热交换、热转移等领域显示出广阔的应用前景[123]。近年来,国内外在泡沫炭的制备、性能及应用等方面展开了广泛研究[426],其中国内天津大学[7]、北京化工大学[8]、大连理工

大学[9]、中国科学院山西煤炭化学研究所[10]

也在泡沫炭的原料选择、发泡机理、应用开发上做了大量研究工作。本文以萘系中间相沥青为原料,具体考察了发泡条件、炭化和石墨化工艺对所制泡沫炭结构和性能的影响。

2　实　验

2.1　原料

萘系中间相沥青由日本Mitsubishi 公司提供,具体族组

成、软化点及元素分析如表1所示。2.2　制备工艺

将10g 萘系中间相沥青置于管式反应器(Ф15×800mm )中,加热至400～650℃并通入氮气加压至2～6MPa 、恒温1～5h ,制得初生泡沫炭。再将初生泡沫炭以1～5℃/min 升温至800～1200℃,在氮气气氛下炭化2h 。最后将炭化料在高纯Ar 保护气氛中,以5～10℃/min 升温至2800℃并恒温30min ,即制得泡沫炭。

表1　萘系中间相沥青的簇组成及元素分析

T able1　Proxim ate and elemental analysis of naphthalene b ased mesophase pitch

Proximate analysis Elemental analysis/wt%

Softening

point/℃

HS/%HI2TS/%TI2PS/%PI2QS/%QI/%C H N 22011.320.518.27.542.593.8 5.160.2

2.3　分析与表征

萘系中间相沥青的甲苯、吡啶及喹啉不溶物含量参照国标G B2288-80、G B8726-88、G B2293-80测定。采用Elementar anlysensysteme Gmbh公司的Vario ELⅢ型微量元素分析仪测定萘系中间相沥青的元素含量。用日本生产的J SM26360L V型扫描电子显微镜分析泡沫炭的表面形貌及孔结构。由日本理学D/max-2500型X2射线衍射仪分析泡沫炭的微晶结构。利用Instron1185型万能材料实验机测试泡沫炭的压缩强度,其中最大载荷为100KN,最小载荷0.1N,载荷测试精度为±0.1%。使用激光导热L

型分析仪测定泡沫炭的热扩散系数、比热及导热系数,进而根据k=ρ・C p・α式计算导热率,其中k、ρ、C p、α分别为导热率、泡沫炭的体密度、石墨的热容及热扩散系数。

3　结果分析与讨论

3.1　发泡工艺的影响

图1为450～600℃/5MPa下恒温2h所制初生泡沫炭的表面形貌。由图可见,当发泡温度为450℃时,萘系中间相沥青原料基本未发泡,这是由于在此温度范围内,溶化的液态中间相沥青的粘度最低,仅18.8Pa.s(见图2),沥青中15%的轻组分将直接逸出而不能形成孔泡。随着发泡温度的升高,沥青分子开始进行热解或热缩聚反应,生成CO2、CO、H2O等小分子气体并聚集形成气泡,随着粘度的增大,部分聚集的气泡在500℃左右被固定在熔融态中间相沥青中而形成孔,但单位面积的孔密度较低。另外,由图2、3可以看出,该中间相沥青在550℃左右热解或热缩聚反应最剧烈、失重高达75%、粘度近1000Pa.s,因此生成的小分子气体就以气泡的形式被固定在高粘度的熔融态沥青中而形成孔径为350μm左右的初生泡沫炭,如图1(c)所示。但当发泡温度继续升高至600℃左右时,沥青分子的失重减弱,基本由熔融态趋向固态,初生泡沫炭的孔径基本仍维持在350μm左右,单位面积的孔密度也无较大变化,因此600℃可视为较适宜的发泡温度。

图4为发泡温度600℃、发泡时间1h、发泡压力1～5MPa条件下所制初生泡沫炭的表面形貌。由图可见,当发泡压力为1MPa时,萘系中间相沥青基本不发泡,随着压力的升高,单位面积的孔密度逐渐增大、孔径分布变窄,

其中图1　发泡温度对初生泡沫炭表面形貌的影响(图标中1格为1mm,a:450℃;b:500℃;c:550℃;d:600℃)

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