文档介绍：探究煤沥青中间相的研究进展
探究煤沥青中间相的研究进展
摘要:在炭化的过程中,煤沥青会发生各向异性的中间相,文章主要针对国内外关于煤沥青中间相研究的现状以及相关进展,对煤沥青中间相的形成条件以及形成机理进行研究,对煤沥青中间相转化的动力学和热力学的发展动态进行深层次的阐述,总结出了中间相的表征与分离技术,同时探讨了煤沥青的热条件处理和添加剂对煤沥青中间相结构和形成的影响以及化学组成,并提出了未来的发展方向。
关键词:煤沥青中间相热力学动力学
煤沥青是一种结构和组成都非常复杂的混合物,对于它的确切成分,目前还没有一个明确的定义,但可以确定的是,其基本组成单元是稠环芳烃及其衍生物。煤沥青同其他物质相比较,具有诸多优点,煤沥青复杂的分解反应和缩聚反应是煤沥青基本的炭化过程,小分子从煤沥青中逸出,其残留物进行脱氢缩聚,进而形成以缩合稠环芳香族为主体的液晶形态,被称之中间相。中间相的形成使缩合碳网的堆积井然有序,最后形成了三维有序结构的易石墨化碳,需要强调的是,如果中间相物质在形成之前,产生过于剧烈的交联反应,就不会经过中间相,进而石墨化则难以完成,所以研究中间相的形成以及性能对于碳材料的制备具有非常重要的意义。
一、煤沥青中间相的形成原理
通常情况下,煤沥青中间相会出现在620至800K之间,在该温度区域,煤沥青的各个组分的分子会发生芳构化、聚合和分解等化学反应,其形成热力学稳定的多核芳香的平面状大分子,其芳的环数少到几个,多到几十个不等,由于分子间的热运动,而且相互靠近,然后由分子间的偶极矩和范德华力,在分子间力的作用下进行平行叠合,呈液晶状向列排列,呈现出一定的取向性,然而形成的液晶物质是各向异性的,导致它们的表面张力相对与周围的同性母液较高,因此在表面张力的作用下形成中间相球体,球体的表面自由能降低到最小,从而使成相稳定。中间相球体具有两种典型的结构模型,一种为“地球仪”结构,均相成核的沥青中间相球体大多数属于这个类型,还有一种为“洋葱”结构,它被认为出现在以碳黑或者游离碳的中间相球体中。在中间相球体生成以后,通过不断吸附周围母液中的大分子面长大。而当长大以后的中间相球体在相互靠近过程中,各个球体内的扁平大分子层面彼此贯穿,形成中间相叠复球体,该球体形成流动态的各向异性区域。之后中间相的含量会不断增加,最终形成中间相的大融并体
前面已经提到,煤沥青的组成非常复杂,所以在自由基合并的时候,同类自由基不仅会发生合并现象,异类自由基同样会发成合并。沥青的分子量主要被划分为3个部分,即:分子量在400以上700以下的组分被认为是在炭化反应中最活泼的分子,其能够很快发生缩聚反应,进而使分子量快速增大,分子量在700和1200之间的组分是过渡性的反应分子,反应活性一般,如果加以进一步的反应就会成为稳定的中间相,倘若分子在1200以上的组分则是中间相在形成过程中最稳定的分子,我们完全可以认为它的炭化过程是惰性的
普遍认为,中间相的形成必须要满足两个基本条件,一个是平面芳烃分子大小要足够,以保持分子间具有较为强大的分子间作用力,这也是组成分子有序排列的原始动力,另外一个则是体系必须维持在一个合适的粘度范围,以保证分子能够自由的移动,这也是中间相形成的外在条件。在研究中间相的形成过程中的体系粘度时,我们发现,体系的粘度是随着温度升高而不断减