不同前驱体泡沫炭的制备及形貌对比研究（中间相沥青及氧化沥青）
文章来源 | 炭素 （期刊） 作者 | 何 莹 等 文章 | 不同前驱体泡沫炭的制备及形貌对比研究
摘要：泡沫炭具有低密度、高强度、高导热、抗冲击、耐高温、抗氧化等诸多特点，因而具有广泛的应用前景。本文分别以萘系中间相沥青、煤系中间相沥青及氧化沥青为原料，采用低温氧化法取代溶剂萃取法来调制原料的族组成，制备适宜发泡的前驱体，通过对比所制泡沫炭的形貌结构来提出以氧化沥青为原料制备泡沫炭的可行性。
随着时代的发展，在生产上对于材料性能愈发苛刻，例如耐高温，抗腐蚀，导热，导电，力学性能等诸多特点，而近些年出现的炭素材料之中的泡沫炭（MPCF）显示出了其良好的发展前景[1-3]。泡沫炭是由中间的气泡及其周围规则排列的石墨化结构所组成的泡壁相互连接而成的具有十二面体结构的多孔状炭材料[4]，由于制备工艺条件的不同，相互连接的泡壁有开口和闭口两种形式。泡沫炭具有良好的耐高温、低导热性，而且其密度、强度和比强度均优于泡沫铝和泡沫陶瓷，且石墨化后具有高导热性，是一种有前途的耐高温泡沫材料[5]。
中间相沥青是一种碳液化向焦炭转化的中间液晶态[6,7]。由于中间相沥青的碳值高、结晶度高、可低温石墨化等特性，使得中间相沥青近年来发展迅速，成为制备碳材料的优良原材料。以中间相沥青为前驱体制备的泡沫炭具有优良导热系数，但其价格昂贵，且主要依赖国外进口。而煤沥青经过调制可制成适合于制备泡沫炭的优良前驱体，并且经过对轻组分和缩合度的控制可以制备出各种形态和性能良好的泡沫炭。由于煤沥青中含有大量可挥发组分，而作为碳材料前驱体材料，必须拥有较高碳值和芳香度，才能再进一步碳化、石墨化形成多种性能优良的碳材料。
1.1原料性质
本文分别以萘系中间相沥青、煤系中间相沥青及氧化沥青为原料，具体性质如表1所示：
1.2实验方法
（1）发泡前驱体的制备
制备泡沫炭的发泡前驱体可以通过溶剂萃取法来调制原料的族组成，但众所周知，溶剂萃取法需要使用溶剂，溶剂对人体具有一定危害，并且价格较为昂贵，不利于工业化生产，因此我们采用低温氧化法取代溶剂萃取法制备发泡前驱体，通过比较三种改性沥青的发泡行为，来考察自制氧化沥青制备泡沫炭的可行性。
首先分别将三种原料沥青研磨至一定粒度，再称取一定质量的原料沥青置于氧化炉中，在空气气氛下得到氧化改性的，通过控制氧化温度、氧化时间及空气量来调制沥青的族组成，使其达到发泡前驱体的要求。氧化条件及改性沥青性质如表2所示：
表2氧化条件及改性沥青性质
（2）泡沫炭的制备
2.1不同前驱体所制泡沫炭的微观形貌对比研究
2.1.1萘系中间相沥青
（1）以萘系中间相沥青为原料，先采用低温氧化法来调制原料的族组成，得到改性萘系中间相沥青，再以改性萘系中间相沥青为发泡前驱体，所制泡沫炭的偏光显微结构如图1所示：
（2）以改性萘系中间相沥青为发泡前驱体，所制泡沫炭的SEM图如图2所示：
由改性萘系中间相沥青所制泡沫炭的偏光显微结构和SEM图可见，孔径分布均匀，主要分布在100～200μm，有少部分大孔分布在200～300μm，泡孔主要呈圆形或椭圆形，孔壁较薄，且强度较好。
萘系中间相沥青是采用纯芳烃化合物萘为原料制备的中间相沥青，原料组成均匀，分子结构单一明确，软化点相对较低，可熔融性好，但甲苯不溶物含量偏高，直接作为发泡前驱体，体系粘度较小，无法固定住泡孔，发泡效果较差。采用了低温氧化的方法来调制萘系中间相沥青的族组成，有利于沥青中轻组分的脱出，并通过脱氢、芳构化和氧化反应，使分子间发生交联反应和缩合反应，从而，沥青的分子量增大，软化点得到提高，甲苯不溶物的含量增多，从而制得适宜的发泡前驱体。
（1）以煤系中间相沥青为原料，先采用低温氧化法来调制原料的族组成，得到改性煤系中间相沥青，再以改性煤系中间相沥青为发泡前驱体，所制泡沫炭的偏光显微结构如图4（我也不知道图3哪去了😂）所示：
由改性煤系中间相沥青所制泡沫炭的偏光显微结构和SEM图可见，孔径分布相对均匀，主要分布在150～300μm，泡孔呈圆形或椭圆形，孔壁略厚，强度较好。
煤系中间相沥青是以煤沥青为原料，经过一系列的缩聚、裂解、脱氢等复杂反应调制含有中间相成分的沥青，经过热过滤或萃取脱出各向同性母液，得到中间相含量较高的煤系中间相沥青。其软化点相对较高，分子量分布较宽，组成较复杂，可熔融性较差，但价格相对于萘系中间相沥青低廉，其轻组分含量偏少，但直接作为发泡前驱体，由于分子量分布较宽，粘度相差较大，所制泡沫炭孔径不均匀，故需对其进行组成调制。随着氧化温度升高，体系分子能量增加，自由基形成，引发自由基聚合反应，促进组分通过脱氢和芳构化而缩合，使原料分子量增大，软化点增加，甲苯可溶物含量降低。
（1）以自制氧化沥青为原料，先采用低温氧化法来调制原料的族组成，得到改性氧化沥青，再以改性氧化沥青为发泡前驱体，所制泡沫炭的偏光显微结构如图5所示：
（2）以改性氧化沥青为发泡前驱体，所制泡沫炭的SEM图如图6所示：
由改性氧化沥青所制泡沫炭的偏光显微结构和SEM图可见，孔径分布均匀，主要分布在100～200μm，泡孔呈圆形或椭圆形，孔壁较薄，强度较好。
氧化沥青是以脱出了喹啉不溶物的精制煤沥青为原料，通过空气吹扫发生脱氢缩合、芳构化、交联等反应，生成较大分子，增加TI含量和提高C/H比，可有效提高其软化点。但由于液相空气氧化温度偏高，氧化时间过长，会导致釜底结焦，影响沥青性质，故氧化时间不宜过长，氧化沥青软化点不宜过高，之后再通过低温空气氧化的方法来调制轻组分含量，通过脱氢、芳构化反应使软化点进一步提高，分子量分布变窄，组成均一性提高，得到适宜发泡的前驱体。
1）以萘系中间相沥青、煤系中间相沥青及自制氧化沥青为原料，采用低温氧化法取代溶剂萃取法调制原料的族组成，通过控制氧化温度、氧化时间及空气量可以得到适宜发泡的前驱体。
2）改性后的萘系中间相沥青、煤系中间相沥青及氧化沥青，通过选取合适的发泡工艺条件，均可以孔径分布均匀、微观形貌较好、机械强度较高的泡沫炭。
3）对于萘系中间相沥青、煤系中间相沥青及氧化沥青，采用低温氧化法取代溶剂萃取法调制族组成是可行的。