萘系沥青悬浮法制备中间相炭微球的研究

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中间相炭微球(MCMB)是一种性能优良的炭材料前驱体,广泛应用于高比表面积活性炭、锂电池负极材料等领域,目前MCMB的制备主要以煤焦油沥青的热聚法为主,这种方法存在着收率低、粒径分布不均匀、分离困难、污染严重等问题,因此选择多种原料、简化工艺、降低成本、提高MCMB质量对推动MCMB发展有重要意义。本文以萘系各向同性沥青为原料,采用悬浮法制备沥青球,然后经氧化不熔化、碳化处理,得到表面光滑、粒径分布均匀的中间相炭微球,并对机理进行探讨。该研究为MCMB的开发提供了新思路,具有一定的学术理论意义和较好的工业应用前景。  萘在BF3/HF催化作用下制备出软化点为92.4℃的萘系各向同性沥青,红外光谱、核磁、GC/MS分析表明,萘系沥青中有大量的稠环芳烃、环烷结构和烷基侧链,从而使萘沥青表现出良好的流动性好和较小的粘度,分子结构平面度好,易形成广域有序排列的结构,是良好的中间相前驱体。  以萘沥青为原料,采用悬浮法制备沥青球。利用SEM、激光粒度仪对沥青球的形貌和粒径进行分析和表征。结果表明:成球温度为85℃,聚乙烯醇浓度为1.5%,搅拌速度为500rad/min,沥青溶液浓度为12.5%,保温40min条件下制备的沥青球表面光滑,粒径分布均匀。增大聚乙烯醇水溶液浓度和搅拌速度易产生小粒径沥青球,相反,沥青溶液浓度增加制备的沥青球易粘连、粒径较大、粒径分布较宽,保温时间过短容易导致沥青球的粘连不利于后期碳化,成球温度过低或温度过高沥青都不利于形成小尺寸沥青球。  采用HNO3、KMnO4对沥青球进行氧化不熔化处理。研究发现KMnO4氧化后沥青球表面出现裂纹,并在碳化后发生融并粘连,65%浓度HNO3氧化4h后的沥青球表面光滑、无裂纹出现,并能在后期碳化过程中保持完好球形。红外分析结果显示沥青球经HNO3氧化处理后引入硝基(-NO2)官能团,官能团强度随氧化时间的增加而增强。TG分析发现随着氧化时间的延长沥青球残炭率逐渐减小,大于未氧化沥青球的残炭率(46.63%)。室温下以4℃/min升温至1000℃保持2h对沥青球进行碳化处理,所得MCMB表面光滑无杂质。提高升温速率到6℃/min时,MCMB发生融并粘连现象,XRD分析表明碳化速率过快,分子间的面间距d002增大,碳化终温升高,分子间的面间距d002减小。碳化后MCMB分子间面间距变小,内部分子排列更为规整,趋于定向排列。
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