《煤化工工藝學(xué)》——煤的炭素制品

1、2022-4-17-1-第第8章章 煤的炭素制品煤的炭素制品2022-4-17-2-煤的炭素制品 炭炭素材料作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料廣泛用于冶金、機(jī)素材料作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料廣泛用于冶金、機(jī)電、化工等工業(yè)。近幾十年來(lái)出現(xiàn)的新型炭素材料因其優(yōu)電、化工等工業(yè)。近幾十年來(lái)出現(xiàn)的新型炭素材料因其優(yōu)異的特性而廣泛用于原子能、宇航、航空等領(lǐng)域。異的特性而廣泛用于原子能、宇航、航空等領(lǐng)域。 炭炭素材料是指從無(wú)定形素材料是指從無(wú)定形炭炭到石墨結(jié)晶的一系列過(guò)渡態(tài)到石墨結(jié)晶的一系列過(guò)渡態(tài)炭炭。主要。主要炭炭素制品有：冶金用的電極和耐高溫材料；電熱素制品有：冶金用的電極和耐高溫材料；電熱和電化學(xué)用的電極；機(jī)電用的電

2、刷；化工和機(jī)械工業(yè)用的和電化學(xué)用的電極；機(jī)電用的電刷；化工和機(jī)械工業(yè)用的不透性石墨和耐磨材料；原子能和宇航用的高純石墨材料；不透性石墨和耐磨材料；原子能和宇航用的高純石墨材料；用作高溫結(jié)構(gòu)材料和燒蝕材料的用作高溫結(jié)構(gòu)材料和燒蝕材料的炭炭纖維及其復(fù)合材料以及纖維及其復(fù)合材料以及用于化工和環(huán)保的各種用于化工和環(huán)保的各種炭炭質(zhì)吸附劑等。質(zhì)吸附劑等。 2022-4-17-3- 8.1 8.1 炭素材料的結(jié)構(gòu)與性能炭素材料的結(jié)構(gòu)與性能 石墨是由六角形碳網(wǎng)平面以一定規(guī)律疊合而成的三維有序結(jié)構(gòu)。層面內(nèi)碳原子的鍵長(zhǎng)為0.14211 nm，層面間為范德華鍵，層間距為0.33538 nm。石墨晶體大部分呈六方體，

3、少部分呈菱面體。石墨的最大特點(diǎn)是各向異性。實(shí)際應(yīng)用的炭素材料,絕大部分是亂層石墨結(jié)構(gòu)和石墨的微晶結(jié)構(gòu)。2022-4-17-4- 炭素材料的主要特性： 耐熱性和抗熱震性 在非氧化介質(zhì)中，炭是耐熱性最好的材料,其升華溫度為3350,12 MPa時(shí)3700熔化。與金屬相反,機(jī)械強(qiáng)度隨溫度升高而增大,大于2800時(shí)才失去強(qiáng)度,這是其它材料難以比擬的。 炭和石墨制品由于膨脹系數(shù)低,導(dǎo)熱系數(shù)高,又有較大的比熱和體積密度,所以具有很好的抗熱震性,能在高溫下經(jīng)受溫度的劇烈變化而不遭破壞。例如石墨的抗熱震系數(shù)為2399，而陶瓷只有20.11。2022-4-17-5- 炭素材料的優(yōu)異的熱性質(zhì)使它在火箭的噴嘴、燃燒

4、室以及鼻錐上發(fā)揮獨(dú)特的作用。 良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性 石墨的導(dǎo)熱性是各種非金屬中最好的,介于鋁和軟鋼之間,比不銹鋼、鉛、硅鐵好。 石墨的導(dǎo)電性介于金屬與半導(dǎo)體之間。層面方向的電阻率為510-5cm。 2022-4-17-6- 良好的化學(xué)穩(wěn)定性良好的化學(xué)穩(wěn)定性 炭素材料在非氧化介質(zhì)中具有極好的化學(xué)炭素材料在非氧化介質(zhì)中具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性。幾乎能抵抗沸點(diǎn)以下的各種酸和鹽溶穩(wěn)定性。幾乎能抵抗沸點(diǎn)以下的各種酸和鹽溶液的腐蝕。石墨是罕有的能在任何溫度下耐氫液的腐蝕。石墨是罕有的能在任何溫度下耐氫氟酸和磷酸的幾種材料之一。氟酸和磷酸的幾種材料之一。 2022-4-17-7- 機(jī)械性能機(jī)械性能 炭素材料的強(qiáng)度

5、特性是溫度越高強(qiáng)度越好炭素材料的強(qiáng)度特性是溫度越高強(qiáng)度越好,是高溫是高溫下的較好的機(jī)械零件的材料。炭纖維及其復(fù)合材料具下的較好的機(jī)械零件的材料。炭纖維及其復(fù)合材料具有很高的比強(qiáng)度和比模量有很高的比強(qiáng)度和比模量,如炭纖維樹脂復(fù)合材料的比如炭纖維樹脂復(fù)合材料的比模量比鋼和鋁合金高五倍；比強(qiáng)度比鋼和鋁合金高三模量比鋼和鋁合金高五倍；比強(qiáng)度比鋼和鋁合金高三倍。所以它們成為人造衛(wèi)星、火箭、飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料。倍。所以它們成為人造衛(wèi)星、火箭、飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料。 良好的耐磨性和自潤(rùn)滑性使它成了電刷、高溫軸良好的耐磨性和自潤(rùn)滑性使它成了電刷、高溫軸承、機(jī)械密封的重要材料。承、機(jī)械密封的重要材料。 2022-4-17

6、-8- 核物理性能核物理性能 碳原子核散射中子的截面為俘獲中子截面的碳原子核散射中子的截面為俘獲中子截面的1270倍倍,石墨的減速比為石墨的減速比為201,僅次于重水僅次于重水,但成本比但成本比重水低得多重水低得多,所以高純石墨是原子反應(yīng)堆的減速材所以高純石墨是原子反應(yīng)堆的減速材料。料。 吸附性能吸附性能 炭素材料在宏觀上是由碳骨架和孔隙兩部分構(gòu)炭素材料在宏觀上是由碳骨架和孔隙兩部分構(gòu)成的成的,為多孔性物質(zhì)。經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理為多孔性物質(zhì)。經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理,提高吸附能力提高吸附能力,是耐熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性好的炭質(zhì)吸附材料。是耐熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性好的炭質(zhì)吸附材料。 2022-4-17-9- 8.2 生產(chǎn)原

7、理和工藝過(guò)程 以有機(jī)物為原料制成各種炭素材料必須經(jīng)過(guò)炭化過(guò)程。高溫加熱時(shí),有機(jī)物的氫、氧、氮等元素被分解,碳原子不斷環(huán)化、芳構(gòu)化。隨溫度升高,碳進(jìn)一步縮聚成稠環(huán)芳烴和碳網(wǎng)平面并相互疊合。最終經(jīng)過(guò)石墨化過(guò)程生成石墨結(jié)晶。整個(gè)變化過(guò)程如圖6-4-05所示。 2022-4-17-10-2022-4-17-11- 要獲得石墨結(jié)晶,有機(jī)物必須經(jīng)過(guò)液相炭化過(guò)程,使碳原子排列呈現(xiàn)三維有序化。這一過(guò)程中，在300-500會(huì)出現(xiàn)類似液晶的中間相狀態(tài),這種中間相是生成盡可能規(guī)整化石墨晶格的基礎(chǔ)，也是炭素材料可石墨化的決定性因素。 2022-4-17-12- 瀝青、煤焦油等液相炭化時(shí),大于350，各組分的分子發(fā)生分

8、解和聚合。在400-430維持1-30小時(shí)后，當(dāng)聚合的稠環(huán)芳烴分子量達(dá)到1000-1500,形成環(huán)數(shù)為十幾到二十多個(gè)稠環(huán)芳烴時(shí),平面狀的大分子憑借分子熱運(yùn)動(dòng)相互接近,受范德華力和分子間偶極矩的吸引相互平行疊合,在表面張力作用下形成各向異性的中間相小球。隨溫度提高,時(shí)間延長(zhǎng),小球不斷長(zhǎng)大、相互融并成廣域的中間相。中間相經(jīng)過(guò)重排并在熱解逸出氣流作用下變形,逐步成為具有不同光學(xué)性質(zhì)的半焦。 2022-4-17-13- 為了實(shí)現(xiàn)中間相轉(zhuǎn)化的整個(gè)過(guò)程,要求炭化條件十分緩和,使液相處于無(wú)干擾、無(wú)溫度梯度的條件下。如在恒溫條件下熱解,則熱解溫度應(yīng)較低,一般在400左右；如采用漸增升溫?zé)峤鈼l件,則升溫速度以5

9、/分為宜。2022-4-17-14- 石墨化是炭素材料經(jīng)過(guò)2000以上高溫處理的過(guò)程,使炭的亂層結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變成三維有序的石墨結(jié)構(gòu)。 (1) 炭和石墨制品的工藝過(guò)程 炭和石墨制品的工藝過(guò)程如圖6-4-06所示,主要包括以下工序。 2022-4-17-15-2022-4-17-16- 原料及原料的煅燒 基本原料包括骨(架)料和粘結(jié)劑。骨料主要是石油焦、瀝青焦、炭黑、天然石墨、無(wú)煙煤等。粘結(jié)劑主要有煤焦油、煤瀝青及合成樹脂等。 大部分骨料需預(yù)先經(jīng)過(guò)煅燒,以排除水分、揮發(fā)分、提高原料密度、強(qiáng)度、導(dǎo)電性和抗氧化性。2022-4-17-17- 配料和捏和 根據(jù)不同產(chǎn)品的要求確定各種骨料的種類、粒度、數(shù)量,

10、并選擇合適的粘結(jié)劑。生產(chǎn)核石墨、火箭噴咀、超高功率電極必須用灰分低、強(qiáng)度高、易石墨化的針狀焦、石油焦、瀝青焦。對(duì)純度要求不高的產(chǎn)品,可以選用冶金焦、無(wú)煙煤為骨料。捏和的目的是把不同組分、不同粒度的原料捏和成宏觀上均一的可塑性混合物。 成型 為了制得不同形狀、尺寸、密度和物理機(jī)械性能的制品,必須將混合料進(jìn)行成型。成型方法有模壓、擠壓、振動(dòng)成型、等靜壓成型等。 2022-4-17-18- 焙燒 焙燒是將生坯在隔絕空氣和用焦粉和黃砂的保護(hù)下,加熱到1300左右的熱處理過(guò)程。其目的是粘結(jié)劑炭化,使粘結(jié)劑和骨料更好的牢固結(jié)合,使制品獲得新的物理和機(jī)械性能。 石墨化 焙燒后的制品中,碳原子主要為兩維有序排

11、列,屬于亂層結(jié)構(gòu),只有通過(guò)2000-3000高溫處理,才能成為三維有序的石墨晶體。 2022-4-17-19- 炭素纖維 炭素纖維按處理溫度不同分為炭纖維(800-1800)和石墨纖維(2000-3000)。因原料不同有聚丙烯腈(PAN)炭纖維、纖維素炭纖維、瀝青炭纖維等。其中PAN炭纖維工藝最成熟,產(chǎn)量占首位，雖然力學(xué)性能很好,但其堿金屬含量高,不能用作燒蝕材料。纖維素炭纖維以粘膠絲為原料,堿金屬含量低,常用作燒蝕材料，但力學(xué)性能較差。瀝青炭纖維的原料是煤和石油瀝青，價(jià)廉易得，炭化收率高，雖然目前性能不及PAN炭纖維，但是發(fā)展方向。 2022-4-17-20-不論何種炭纖維，基本的生產(chǎn)工藝相

12、似，它包括原料的制備或調(diào)制；紡絲；原絲的預(yù)氧化或不熔化處理；預(yù)氧化絲的炭化和石墨化。 PAN炭纖維 PAN炭纖維的原料是丙烯腈和其它單體(1-2%)的共聚體。由于原絲的雜質(zhì)、孔隙、裂紋、粗細(xì)不勻等直接影響產(chǎn)品的強(qiáng)度，所以紡絲是十分重要的工序。一般要求原絲截面呈腰子形，以利預(yù)氧化時(shí)氧的滲透和生成物的放出，使纖維的結(jié)構(gòu)變化均勻。 2022-4-17-21- 預(yù)氧化的目的是防止原絲炭化時(shí)熔融。常用空氣氧化法。其主要反應(yīng)是：氧化、脫氫和環(huán)化反應(yīng)。影響預(yù)氧化的因素是溫度和時(shí)間。氰基的環(huán)化反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)，提高溫度有利預(yù)氧化速度。但溫度過(guò)高，反應(yīng)太劇烈，放出的熱量不易釋放，會(huì)導(dǎo)致PAN熱降解，一般控制在23

13、0以下。 預(yù)氧化時(shí)間根據(jù)預(yù)氧化絲的密度、含碳量、含氧量來(lái)確定。為了提高產(chǎn)品的力學(xué)性能，預(yù)氧化時(shí)原絲采用引力牽伸。為了防止過(guò)度牽伸造成裂紋和空隙，常用多段牽伸法。 2022-4-17-22- 炭化需在高純度惰性氣氛下進(jìn)行，溫度為1000-1800左右，生成含碳量95的炭纖維。在700以前的低溫區(qū)，未反應(yīng)的PAN進(jìn)一步環(huán)化，分子脫水脫氫交聯(lián)；在大于700的高溫區(qū)，分子鏈間的交聯(lián)和炭網(wǎng)平面進(jìn)一步增大。 石墨化時(shí)由于微晶擇優(yōu)取向，纖維強(qiáng)度和模量增大。石墨化一般在純氬氣介質(zhì)中進(jìn)行。溫度大于1800。2022-4-17-23- 瀝青炭纖維 瀝青炭纖維的關(guān)鍵是原料瀝青的調(diào)制和紡絲。因調(diào)制方法不同分為各相同性

14、瀝青炭纖維和中間相瀝青炭纖維。目前中間相瀝青炭纖維的力學(xué)性能已接近PAN炭纖維，而價(jià)格只有它的三分之一。中間相瀝青應(yīng)該：雜質(zhì)低于千分之幾；中間相含量為50-70；呈塑性流動(dòng)；有一定反應(yīng)性。中間相瀝青紡絲較困難，為此開發(fā)了擬似中間相瀝青炭纖維。紡絲時(shí)分子定向的控制很重要，它與紡絲溫度、噴絲孔形狀、氣氛溫度有關(guān)。瀝青纖維的不熔化處理一般在250-400氧化氣氛中進(jìn)行。 2022-4-17-24-8.3 8.3 活性炭活性炭 活性炭 活性炭的結(jié)構(gòu) 活性碳的分類 活性碳的用途2022-4-17-25- 活性炭是由無(wú)定形炭構(gòu)成的黑色多孔性固體，具有極高的比表面積。活性炭不論用作吸附劑還是催化劑載體，最基

15、本的要求是具有良好的吸附性能和較高的機(jī)械強(qiáng)度。 活性炭早期以木質(zhì)為原料，現(xiàn)在，大部分用煤炭制造，原料煤要求灰分低、揮發(fā)分適中、粘結(jié)性和膨脹性小、反應(yīng)活性和強(qiáng)度高，有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)。 生產(chǎn)顆粒活性炭首先要成型造粒。煤先粉碎、配加煤焦油、捏混然后成型。成型方法有擠條、壓塊、滾球等。2022-4-17-26- 活性炭是一種由含炭材料制成的外觀呈黑色，活性炭是一種由含炭材料制成的外觀呈黑色，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大、吸附能力強(qiáng)的一內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大、吸附能力強(qiáng)的一類微晶質(zhì)碳素材料?；钚蕴坎牧现杏写罅咳庋劭床活愇⒕з|(zhì)碳素材料。活性炭材料中有大量肉眼看不見(jiàn)的微孔。見(jiàn)的微孔。 活性炭主成分除了

16、活性炭主成分除了碳元素碳元素以外還有以外還有氧氧、氮、氫氮、氫等等元素及灰份元素及灰份。 活性炭活性炭2022-4-17-27- 活性炭在結(jié)構(gòu)上由于碳是不規(guī)則排列，在交叉連活性炭在結(jié)構(gòu)上由于碳是不規(guī)則排列，在交叉連接之間有細(xì)孔，接之間有細(xì)孔，造成了活性碳多微孔體積及高表面積造成了活性碳多微孔體積及高表面積的特性。的特性。 活性炭的孔結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，活性炭的孔結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜， 形狀各異，孔隙大小形狀各異，孔隙大小從不到從不到1 nm直至直至1萬(wàn)萬(wàn) nm以上，按其孔隙大小可分為以上，按其孔隙大小可分為大孔、過(guò)渡孔，微孔，其大小范圍如下：大孔、過(guò)渡孔，微孔，其大小范圍如下： 活性炭的結(jié)構(gòu)活性炭的結(jié)構(gòu)20

17、22-4-17-28-大孔：半徑為100-2000 nm，主要是能使被吸 附物的分子迅速地進(jìn)入位于活性碳粒 子更深處的內(nèi)層細(xì)孔。 過(guò)渡孔：半徑為2-100nm，過(guò)渡孔的表面積占 總面積的5%。它是作為被吸附物質(zhì)到 微孔的信道。 微孔：半徑為2nm以下。微孔的表面積占總面積 的95%。能提供很大的比表面積給活性碳 吸附雜質(zhì)。2022-4-17-29- 活性炭的主要原料幾乎可以是所有富含碳的有機(jī)材料，如煤、木材、果殼等。這些含碳材料在活化爐中，在高溫和一定壓力下通過(guò)熱解作用被轉(zhuǎn)換成活性炭。按原料來(lái)源分 木質(zhì)活性炭 獸骨、血炭 礦物質(zhì)原料活性炭 其它原料的活性炭 再生活性炭活性碳的分類活性碳的分類2

18、022-4-17-30-按制造方法分按制造方法分: 化學(xué)法活性炭（化學(xué)藥品活化法炭） 物理法活性炭 (氣體活化法炭) 化學(xué)-物理法或物理-化學(xué)法活性炭 按外觀形狀分 粉狀活性炭 顆?；钚蕴?o 不定型顆料活性炭 o 園柱形活性炭 o 球形活性炭 纖維狀活性碳 2022-4-17-31-活性碳的用途空氣凈化：能吸附過(guò)濾空氣中的惡臭、體臭、 煙氣、毒氣、O3 、 SO2、NO等。 水凈化：能去除水中的重金屬離子、致癌物 質(zhì)、臭味、霉味、細(xì)菌及脫色等；可 用于自來(lái)水、食品工業(yè)用水及工業(yè)用 純水等處理； 環(huán)保工程：廢氣及污水處理； 防毒口罩、防毒衣、香煙過(guò)濾嘴等； 2022-4-17-32-溶劑回收：

19、對(duì)苯類、酮類、酯類、石油類均能 吸附回收。貴金屬提煉或回收、吸附放射性物質(zhì)，也可用于作為催化劑載體、氣相色譜的固定相； 醫(yī)藥上用于包扎帶，急性解毒劑、人工腎臟等； 電子及能源方面應(yīng)用，如高容量電容、蓄電池等； 耐高溫及保溫材料。2022-4-17-33-2022-4-17-34- 炭化是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)活性炭的重要一環(huán)，其實(shí)質(zhì)使原料和粘結(jié)劑炭化是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)活性炭的重要一環(huán)，其實(shí)質(zhì)使原料和粘結(jié)劑發(fā)生熱分解和熱縮聚反應(yīng)，生成具有一定初始孔的炭化料。炭發(fā)生熱分解和熱縮聚反應(yīng)，生成具有一定初始孔的炭化料。炭化料具有一定的強(qiáng)度和揮發(fā)分含量。化料具有一定的強(qiáng)度和揮發(fā)分含量。 活化是活性炭的關(guān)鍵工序，煤制活性炭常用氣

20、體活化法，活化是活性炭的關(guān)鍵工序，煤制活性炭常用氣體活化法，活化劑為水蒸氣、二氧化碳?；罨瘎樗魵?、二氧化碳。 活化反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是通過(guò)碳的氧化反應(yīng)生成多孔結(jié)構(gòu)：具有活化反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是通過(guò)碳的氧化反應(yīng)生成多孔結(jié)構(gòu)：具有開孔作用，打開炭化料中的封閉孔；擴(kuò)孔作用，擴(kuò)大孔隙直徑；開孔作用，打開炭化料中的封閉孔；擴(kuò)孔作用，擴(kuò)大孔隙直徑；選擇性活化生成新孔。選擇性活化生成新孔。 活化工藝條件可以調(diào)節(jié)活性炭的孔隙率、比表面積和孔徑活化工藝條件可以調(diào)節(jié)活性炭的孔隙率、比表面積和孔徑積和孔徑分布。積和孔徑分布。 主要控制因素是：活化劑種類和流量；活化溫度；時(shí)間；主要控制因素是：活化劑種類和流量；活化溫度；時(shí)間；炭

21、化料的性狀和粒度等炭化料的性狀和粒度等 2022-4-17-35-8.4炭分子篩炭分子篩8.4.1 炭分子篩（炭分子篩（CMS）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 炭分子篩（炭分子篩（CMS）作為一種新型吸附劑。自）作為一種新型吸附劑。自60年代年代末實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以來(lái)，得到迅速發(fā)展。末實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以來(lái)，得到迅速發(fā)展。炭分子篩是一種孔徑炭分子篩是一種孔徑分布比較均一，含有分布比較均一，含有4-5A超微孔結(jié)構(gòu)的特種活性炭。因超微孔結(jié)構(gòu)的特種活性炭。因其孔徑只有分子大小，故具有分子篩的作用。其孔徑只有分子大小，故具有分子篩的作用。 CMS與傳統(tǒng)的吸附劑相比，主要區(qū)別在于其孔隙結(jié)與傳統(tǒng)的吸附劑相比，主要區(qū)別在于其孔隙結(jié)構(gòu)

22、：構(gòu)：CMS主要由微孔及少量大孔組成，孔徑分布較窄，主要由微孔及少量大孔組成，孔徑分布較窄，約在約在0.5l.0nm，而普通活性炭（，而普通活性炭（AC）除微孔外，還有大）除微孔外，還有大量的中孔和大孔平均孔徑高達(dá)量的中孔和大孔平均孔徑高達(dá)2nm。CMS的孔為狹縫形，的孔為狹縫形，而沸石分子篩（而沸石分子篩（ZMS）的孔力墨水瓶形，孔口截面一般）的孔力墨水瓶形，孔口截面一般呈不規(guī)則的橢圓形。呈不規(guī)則的橢圓形。2022-4-17-36- 2022-4-17-37-8.4.2 炭分子篩（炭分子篩（CMS）應(yīng)用）應(yīng)用 目前，國(guó)際上生產(chǎn)商品目前，國(guó)際上生產(chǎn)商品CMS的公司主要有德國(guó)的公司主要有德國(guó)BF

23、公公司、日本司、日本Takeda公司以及美國(guó)公司以及美國(guó) Calgop炭化公司。炭化公司。CMS主主要用于吸附分離領(lǐng)域，它已成熟地應(yīng)用于變壓吸附分離要用于吸附分離領(lǐng)域，它已成熟地應(yīng)用于變壓吸附分離空氣中的空氣中的N2和和O2。以。以CMS為吸附劑的變壓吸附空氣分離為吸附劑的變壓吸附空氣分離技術(shù)作為一種中小規(guī)模經(jīng)濟(jì)地制取富氮的可靠方法；已技術(shù)作為一種中小規(guī)模經(jīng)濟(jì)地制取富氮的可靠方法；已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。 此外，此外，CMS還可用于從富氧氣體中濃縮回收氬，從還可用于從富氧氣體中濃縮回收氬，從焦?fàn)t氣、高爐氣、重整廢氣或氨分解等氣體中回收精制焦?fàn)t氣、高爐氣、重整廢氣或氨分解等

24、氣體中回收精制氫，分離礦井氣中的甲烷和氫，分離礦井氣中的甲烷和CO2，以及從燃燒煙氣中回收，以及從燃燒煙氣中回收高純度高純度CO2等。等。2022-4-17-38-8.4.3 CMS的特性及篩分分離原理的特性及篩分分離原理 CMS廣義上是炭質(zhì)吸附劑，狹義上是微孔分布均勻的活性廣義上是炭質(zhì)吸附劑，狹義上是微孔分布均勻的活性炭，它是由結(jié)晶炭和無(wú)定形炭構(gòu)成。由于主要是由碳原子形炭，它是由結(jié)晶炭和無(wú)定形炭構(gòu)成。由于主要是由碳原子形成其表面為非極性、吸附原理主要是靠范德華力的物理吸附，成其表面為非極性、吸附原理主要是靠范德華力的物理吸附，因此它是一種非極性吸附劑，具有疏水性，能選擇性地吸附非因此它是一種

25、非極性吸附劑，具有疏水性，能選擇性地吸附非極性化合物。極性化合物。 ZMS是由硅鋁酸鹽（是由硅鋁酸鹽（Si-O-Al）構(gòu)成，這類吸附劑能選擇）構(gòu)成，這類吸附劑能選擇性地吸附具有四極子和偶極子以及不飽和鍵和離子性官能團(tuán)的性地吸附具有四極子和偶極子以及不飽和鍵和離子性官能團(tuán)的化合物和分子。所以能作為脫水劑或干燥劑，通過(guò)吸附除去典化合物和分子。所以能作為脫水劑或干燥劑，通過(guò)吸附除去典型極性化合物型極性化合物水。借助變壓吸附裝置（水。借助變壓吸附裝置（PSA），通過(guò)靜電），通過(guò)靜電相互作用利用相互作用利用ZMS選擇吸附空氣中具有中極子的兒從而可制造選擇吸附空氣中具有中極子的兒從而可制造一定純度的一定純

26、度的 O22022-4-17-39- CMS的另一特性是其細(xì)孔形狀。ZMS的細(xì)孔為墨水瓶形，它只能吸附比其孔口最小直徑（D2）小的分子，因此平均直徑為 0.5 nm的 ZSM5型對(duì)大于D2的苯、萘等平面狀分子結(jié)構(gòu)的芳烴都不能吸附。而CMS的孔為狹縫形，它可以吸附直徑比孔間隙最小寬度（Dc）小的分子。2022-4-17-40-8.4.4 CMS的制備方法的制備方法 制備炭分子篩的原料可分為如下幾類：制備炭分子篩的原料可分為如下幾類： （1）有機(jī)高分子聚合物，包括）有機(jī)高分子聚合物，包括Saran樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂、聚糖醇、聚偏二氧乙烯、聚乙烯醇樹脂、聚糖醇、聚偏二氧乙烯

27、、聚乙烯醇/酚醛樹脂等。酚醛樹脂等。 （2）各種煤，包括泥炭、褐煤、煙煤、無(wú)煙煤等）各種煤，包括泥炭、褐煤、煙煤、無(wú)煙煤等 （3）植物類，包括木材、椰子殼等）植物類，包括木材、椰子殼等. （4）煤衍生物，包括煤加氫液化產(chǎn)物、煤低溫干餾半焦、）煤衍生物，包括煤加氫液化產(chǎn)物、煤低溫干餾半焦、煤超臨界萃取殘?jiān)?。煤超臨界萃取殘?jiān)取?上述各種原料中，煤因原料來(lái)源廣、價(jià)格低、制備工藝簡(jiǎn)上述各種原料中，煤因原料來(lái)源廣、價(jià)格低、制備工藝簡(jiǎn)單而占據(jù)首要地位。單而占據(jù)首要地位。2022-4-17-41- 炭分子篩的生產(chǎn)工藝和活性炭相似，關(guān)鍵炭分子篩的生產(chǎn)工藝和活性炭相似，關(guān)鍵在于孔徑的調(diào)整。在于孔徑的調(diào)整。

28、當(dāng)孔徑過(guò)小時(shí)，用氣體活化法擴(kuò)孔；當(dāng)孔徑過(guò)小時(shí)，用氣體活化法擴(kuò)孔； 當(dāng)孔徑過(guò)大時(shí)用熱收縮法在當(dāng)孔徑過(guò)大時(shí)用熱收縮法在1200-1800煅燒，使孔徑收縮；也可用堵孔法減小孔徑，煅燒，使孔徑收縮；也可用堵孔法減小孔徑，包括氣相附著法和浸漬覆蓋法。包括氣相附著法和浸漬覆蓋法。2022-4-17-42-CMS的制法大致可分成五類：的制法大致可分成五類： 1）熱分解法：樹脂在適當(dāng)條件下炭化制得。）熱分解法：樹脂在適當(dāng)條件下炭化制得。 2）活化法：煤或樹脂的炭化物在嚴(yán)密條件下，低程度活化，）活化法：煤或樹脂的炭化物在嚴(yán)密條件下，低程度活化，擴(kuò)大其中的微孔。擴(kuò)大其中的微孔。 3）涂層法：活性炭或炭化物中加瀝青

29、或樹脂后進(jìn)行熱處理，）涂層法：活性炭或炭化物中加瀝青或樹脂后進(jìn)行熱處理，然后由熱解炭涂層微孔，使孔徑縮小。然后由熱解炭涂層微孔，使孔徑縮小。 4）沉積法：在含苯之類的烴類氣體中熱處理活性炭，通）沉積法：在含苯之類的烴類氣體中熱處理活性炭，通過(guò)烴氣體的分解析出熱解炭縮小孔徑。過(guò)烴氣體的分解析出熱解炭縮小孔徑。 5）熱收縮法：將煤、樹脂的炭化物、活性炭等在）熱收縮法：將煤、樹脂的炭化物、活性炭等在1000以以上高溫?zé)崽幚?，通過(guò)熱收縮，縮小孔徑。上高溫?zé)崽幚?，通過(guò)熱收縮，縮小孔徑。2022-4-17-43-煤炭基分子篩制備工藝煤炭基分子篩制備工藝 我國(guó)炭分子篩工業(yè)生產(chǎn)起步階段具有代表性的工藝路線有兩

30、個(gè)； 以無(wú)煙煤為原料； 煤煤粉碎粉碎加粘結(jié)劑造球成型加粘結(jié)劑造球成型干燥干燥炭化炭化氣體活化氣體活化氣體堵孔劑碳沉積氣體堵孔劑碳沉積炭分子篩；炭分子篩； 以弱粘接性煙煤為原料： 煤煤粉碎粉碎加粘結(jié)劑造球成型加粘結(jié)劑造球成型干燥干燥炭化炭化氣體堵孔劑碳沉積氣體堵孔劑碳沉積炭分子篩。炭分子篩。2022-4-17-44-8.5 8.5 碳纖維碳纖維定義：碳纖維是指纖維的化學(xué)組成中定義：碳纖維是指纖維的化學(xué)組成中碳元素占總質(zhì)量碳元素占總質(zhì)量90%以上的纖維。以上的纖維。2022-4-17-45-1)1)前言前言碳纖維的研制并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)始于二十世紀(jì)碳纖維的研制并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)始于二十世紀(jì)50年代。年

31、代。1996年全世界碳纖維的總產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到年全世界碳纖維的總產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到17000t，其中聚丙烯腈其中聚丙烯腈(PAN)基纖維占基纖維占85%，其余的是瀝青基，其余的是瀝青基纖維。由于聚丙烯腈基纖維作原料，其生產(chǎn)工藝比較纖維。由于聚丙烯腈基纖維作原料，其生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單，產(chǎn)品的力學(xué)性能優(yōu)良，因此得到了大力發(fā)展。簡(jiǎn)單，產(chǎn)品的力學(xué)性能優(yōu)良，因此得到了大力發(fā)展。瀝青基碳纖維，由于原料來(lái)源豐富，價(jià)格便宜，而且瀝青基碳纖維，由于原料來(lái)源豐富，價(jià)格便宜，而且含碳量高，碳化后的制得率高，所以正在迅速發(fā)展，含碳量高，碳化后的制得率高，所以正在迅速發(fā)展，有可能在碳纖維的民用工業(yè)方面獲得很好的推廣應(yīng)用。有可能在碳

32、纖維的民用工業(yè)方面獲得很好的推廣應(yīng)用。 2022-4-17-46- 碳纖維的分類，按習(xí)慣大致有以下三種方碳纖維的分類，按習(xí)慣大致有以下三種方法：法：（1 1）按原料分類：）按原料分類： 碳纖維碳纖維 向異性中間相）瀝青基（各向同性、各聚丙烯腈基纖維素基（人造絲基）2)2)碳纖維的分類碳纖維的分類2022-4-17-47- （2 2）按制造條件和方法分類：）按制造條件和方法分類： 碳纖維碳纖維 （3 3）按力學(xué)性能分類：）按力學(xué)性能分類： 碳纖維碳纖維 氣相生長(zhǎng)碳纖維活性碳纖維時(shí)得到的碳纖維）石墨纖維（碳化溫度在時(shí)得到的碳纖維）碳纖維（碳化溫度在300020001600800)()()()()(

33、)()(1404 . 1)(UHMHMIMUHTHTMTHPGPaGPaGP超高模型高模型中模型超高強(qiáng)型高強(qiáng)型中強(qiáng)型高性能的纖維，拉伸模量小于（拉伸強(qiáng)度低于通用級(jí)2022-4-17-48- 3、碳纖維的性能、碳纖維的性能 （十項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)；三項(xiàng)缺點(diǎn)）（十項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)；三項(xiàng)缺點(diǎn)）2022-4-17-49-（1）在）在纖維軸方向纖維軸方向顯示高抗拉強(qiáng)度和高彈性顯示高抗拉強(qiáng)度和高彈性模量模量 強(qiáng)度和彈性模量是衡量材料堅(jiān)固程度的兩強(qiáng)度和彈性模量是衡量材料堅(jiān)固程度的兩個(gè)最重要的力學(xué)性能指標(biāo)。高強(qiáng)度的碳纖維的個(gè)最重要的力學(xué)性能指標(biāo)。高強(qiáng)度的碳纖維的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到抗拉強(qiáng)度可達(dá)到3040噸噸/平方厘米，要比鋼鐵平方厘米，

34、要比鋼鐵大四倍多。大四倍多。2022-4-17-50-（2）比重輕）比重輕1.72.2 碳纖維比重只比一般塑料重一點(diǎn)。碳纖維的比重碳纖維比重只比一般塑料重一點(diǎn)。碳纖維的比重是鋁合金的是鋁合金的1/2，還不到鋼鐵的，還不到鋼鐵的1/4。如按它的抗拉強(qiáng)。如按它的抗拉強(qiáng)度比鋼鐵大度比鋼鐵大4倍，比鋁合金大倍，比鋁合金大6倍計(jì)算，碳纖維的比強(qiáng)倍計(jì)算，碳纖維的比強(qiáng)度比鋼鐵大度比鋼鐵大16倍，比鋁合金大倍，比鋁合金大12倍。由于碳纖維的比倍。由于碳纖維的比強(qiáng)度和比彈性模量特別高，所以對(duì)于那些要求全面減強(qiáng)度和比彈性模量特別高，所以對(duì)于那些要求全面減輕自重的物體，如宇航用品、交通用品、體育比賽用輕自重的物體，

35、如宇航用品、交通用品、體育比賽用品就有更大的意義。品就有更大的意義。2022-4-17-51-（3）纖度細(xì)）纖度細(xì) 碳纖維的外表很平凡，粗看起來(lái)象人的頭發(fā)，但碳纖維的外表很平凡，粗看起來(lái)象人的頭發(fā)，但比人的頭發(fā)要細(xì)得多。將幾十根碳纖維合在一起才和比人的頭發(fā)要細(xì)得多。將幾十根碳纖維合在一起才和人的頭發(fā)一樣粗細(xì)。碳纖維細(xì)度可為人的頭發(fā)一樣粗細(xì)。碳纖維細(xì)度可為0.05Tex。2022-4-17-52-（4）不生銹、耐腐蝕）不生銹、耐腐蝕 碳纖維不生銹，耐腐蝕。除了濃度大于碳纖維不生銹，耐腐蝕。除了濃度大于75%的硝的硝酸和硫酸外，鹽酸、硝酸、硫酸和一些有機(jī)溶劑腐蝕酸和硫酸外，鹽酸、硝酸、硫酸和一些有

36、機(jī)溶劑腐蝕不了碳纖維。把碳纖維放在一些酸液中，二百天后測(cè)不了碳纖維。把碳纖維放在一些酸液中，二百天后測(cè)量其彈性模量、強(qiáng)度和直徑的變化，發(fā)現(xiàn)在濃度為量其彈性模量、強(qiáng)度和直徑的變化，發(fā)現(xiàn)在濃度為50%的鹽酸、硫酸和磷酸中沒(méi)有明顯的變化，在的鹽酸、硫酸和磷酸中沒(méi)有明顯的變化，在50%濃度的硝酸中只是稍有膨脹，其耐腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于不濃度的硝酸中只是稍有膨脹，其耐腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼。在一份硝酸（濃度銹鋼。在一份硝酸（濃度70%）和三份鹽酸（濃度）和三份鹽酸（濃度37%）配成的）配成的“王水王水”中，碳纖維性能不變。中，碳纖維性能不變。2022-4-17-53-（5 5）、既能耐低溫，又能耐超高溫）、既能

37、耐低溫，又能耐超高溫在在180C的低溫下，許多材料都變得很脆，而石墨纖維的低溫下，許多材料都變得很脆，而石墨纖維布在這么低的溫度下卻依舊是很柔軟。布在這么低的溫度下卻依舊是很柔軟。在在30004000C的高溫下，在沒(méi)有氧氣的情況下，碳纖維的高溫下，在沒(méi)有氧氣的情況下，碳纖維在這樣的高溫下也還是巍然不動(dòng)。在這樣的高溫下也還是巍然不動(dòng)。一般材料的強(qiáng)度隨著溫度的升高都要大幅度降低，但碳材一般材料的強(qiáng)度隨著溫度的升高都要大幅度降低，但碳材料卻是料卻是唯一的一種在高溫下隨著溫度升高而強(qiáng)度增大的材料唯一的一種在高溫下隨著溫度升高而強(qiáng)度增大的材料。理論上，隨著溫度的升高，在理論上，隨著溫度的升高，在2500

38、C時(shí)，碳材料的強(qiáng)度不僅不時(shí)，碳材料的強(qiáng)度不僅不降低，反而比室溫的強(qiáng)度還要提高一倍。然而在現(xiàn)有的實(shí)際操降低，反而比室溫的強(qiáng)度還要提高一倍。然而在現(xiàn)有的實(shí)際操作中，碳纖維隨著溫度升高而強(qiáng)度并不增加，但在作中，碳纖維隨著溫度升高而強(qiáng)度并不增加，但在2000C以上以上的高溫下，碳纖維的強(qiáng)度和彈性模量卻仍能基本保持。因此，的高溫下，碳纖維的強(qiáng)度和彈性模量卻仍能基本保持。因此，碳纖維的耐高溫性能還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了一般材料。碳纖維的耐高溫性能還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了一般材料。碳纖維的升華溫度高達(dá)碳纖維的升華溫度高達(dá)3650C。2022-4-17-54-（6）能耐溫度急變，熱膨脹系數(shù)?。┠苣蜏囟燃弊儯瑹崤蛎浵禂?shù)小碳纖維的耐

39、急冷急熱性能很好，制品即使它從碳纖維的耐急冷急熱性能很好，制品即使它從3000C的高的高溫一下子猛降到室溫也不會(huì)炸裂，這是因?yàn)樗木€膨脹系數(shù)很溫一下子猛降到室溫也不會(huì)炸裂，這是因?yàn)樗木€膨脹系數(shù)很低的緣故。低的緣故。碳纖維受到溫度變化時(shí)，在它的長(zhǎng)度方向上不是熱脹冷縮，碳纖維受到溫度變化時(shí)，在它的長(zhǎng)度方向上不是熱脹冷縮，而是熱縮冷脹，它的膨脹系數(shù)是個(gè)負(fù)數(shù)。它的膨脹系數(shù)的絕對(duì)而是熱縮冷脹，它的膨脹系數(shù)是個(gè)負(fù)數(shù)。它的膨脹系數(shù)的絕對(duì)值比鋼小幾十倍，比玻璃要小上百倍，實(shí)際上近于零。值比鋼小幾十倍，比玻璃要小上百倍，實(shí)際上近于零。因此，碳纖維及其和某些塑料、金屬做成的復(fù)合材料，可因此，碳纖維及其和某些塑料

40、、金屬做成的復(fù)合材料，可以用來(lái)制造精密儀器、精密量具和精密機(jī)車的零件。而且即使以用來(lái)制造精密儀器、精密量具和精密機(jī)車的零件。而且即使在溫度變化較大的環(huán)境中使用，也還能保持其高度的精確性。在溫度變化較大的環(huán)境中使用，也還能保持其高度的精確性。2022-4-17-55-（7）常溫下導(dǎo)熱性能良好，高溫下導(dǎo)熱性能低）常溫下導(dǎo)熱性能良好，高溫下導(dǎo)熱性能低 導(dǎo)熱性是材料傳導(dǎo)熱量能力大小的一個(gè)物理性能導(dǎo)熱性是材料傳導(dǎo)熱量能力大小的一個(gè)物理性能指標(biāo)。碳纖維在常溫下導(dǎo)熱性能較好，但它的導(dǎo)熱性指標(biāo)。碳纖維在常溫下導(dǎo)熱性能較好，但它的導(dǎo)熱性能是隨著溫度而變化的。隨著溫度的升高，碳纖維的能是隨著溫度而變化的。隨著溫度

41、的升高，碳纖維的導(dǎo)熱性逐漸變低，在導(dǎo)熱性逐漸變低，在2000C以上的高溫下，它的導(dǎo)熱以上的高溫下，它的導(dǎo)熱性要比在常溫時(shí)低五、六倍。同時(shí)，碳纖維的高溫導(dǎo)性要比在常溫時(shí)低五、六倍。同時(shí)，碳纖維的高溫導(dǎo)熱性能比其它材料也要低得多（只有金屬的百分之一，熱性能比其它材料也要低得多（只有金屬的百分之一，耐火粘土的十分之一）。因此，碳纖維是一種很好的耐火粘土的十分之一）。因此，碳纖維是一種很好的高溫隔熱材料。用于火箭、真空電爐外殼，縮小了火高溫隔熱材料。用于火箭、真空電爐外殼，縮小了火箭和真空爐的體積和重量。箭和真空爐的體積和重量。2022-4-17-56-（8）突出的導(dǎo)電性能）突出的導(dǎo)電性能碳纖維具有很

42、好的導(dǎo)電性。碳纖維具有很好的導(dǎo)電性。碳纖維由于是纖細(xì)的纖維結(jié)構(gòu)，所以它的材質(zhì)又與織物的碳纖維由于是纖細(xì)的纖維結(jié)構(gòu)，所以它的材質(zhì)又與織物的性質(zhì)有聯(lián)系，碳纖維制成的碳線、碳布具有柔軟性，可以作成性質(zhì)有聯(lián)系，碳纖維制成的碳線、碳布具有柔軟性，可以作成柔軟的柔軟的“電阻絲電阻絲”，用在一些特殊的環(huán)境中，它們的電阻值可，用在一些特殊的環(huán)境中，它們的電阻值可以通過(guò)制造過(guò)程中控制碳化溫度來(lái)調(diào)節(jié)，所以電阻值能調(diào)得很以通過(guò)制造過(guò)程中控制碳化溫度來(lái)調(diào)節(jié)，所以電阻值能調(diào)得很高，使需要的電流相當(dāng)微小，有利于接線的設(shè)計(jì)。同時(shí)，這種高，使需要的電流相當(dāng)微小，有利于接線的設(shè)計(jì)。同時(shí)，這種柔軟的電阻絲在運(yùn)行中不會(huì)變脆，不會(huì)產(chǎn)

43、生局部過(guò)熱，是一種柔軟的電阻絲在運(yùn)行中不會(huì)變脆，不會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)熱，是一種電阻加熱最有前途的新材料。由于碳纖維的電阻值可以調(diào)得很電阻加熱最有前途的新材料。由于碳纖維的電阻值可以調(diào)得很高，所以也可以做成表面積較大的發(fā)熱元件。高，所以也可以做成表面積較大的發(fā)熱元件。碳纖維具有高的發(fā)射率，在碳纖維具有高的發(fā)射率，在1100C它的發(fā)射率為鎢的二倍，它的發(fā)射率為鎢的二倍，故可用小電流產(chǎn)生大的輻射功率。（光）故可用小電流產(chǎn)生大的輻射功率。（光）2022-4-17-57-（9）優(yōu)良的吸附性能）優(yōu)良的吸附性能碳纖維具有很好的吸附性能。用多孔的原料纖維制得的碳碳纖維具有很好的吸附性能。用多孔的原料纖維制得的碳纖維

44、，或用普通碳纖維在蒸汽氣流中加熱到纖維，或用普通碳纖維在蒸汽氣流中加熱到800C處理后得到處理后得到的碳纖維，都具有比其它材料優(yōu)異的吸附性能。這種材料具有的碳纖維，都具有比其它材料優(yōu)異的吸附性能。這種材料具有巨大的表面積，而且表面上的碳原子處于巨大的表面積，而且表面上的碳原子處于“活化活化”狀態(tài)，很容狀態(tài)，很容易和其它化學(xué)物質(zhì)結(jié)合。易和其它化學(xué)物質(zhì)結(jié)合。 多孔活性炭碳纖維和目前工業(yè)上廣泛應(yīng)用的吸附材料多孔活性炭碳纖維和目前工業(yè)上廣泛應(yīng)用的吸附材料顆?；钚蕴枷啾容^，無(wú)論從通氣、透水性、吸附能力和吸附速顆?；钚蕴枷啾容^，無(wú)論從通氣、透水性、吸附能力和吸附速度等性能方面，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了顆粒狀活性炭，它

45、的通氣阻力僅度等性能方面，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了顆粒狀活性炭，它的通氣阻力僅為后者的為后者的1/21/5，吸附有機(jī)溶劑、硫的氧化物和氮的氧化物等，吸附有機(jī)溶劑、硫的氧化物和氮的氧化物等有害氣體的能力為其有害氣體的能力為其1.52倍多。倍多。 2022-4-17-58-（10）碳纖維還具有耐輻射，碳纖維還具有耐輻射， 能反射中子等特性。能反射中子等特性。 2022-4-17-59-碳纖維的缺點(diǎn)：碳纖維的缺點(diǎn)：A、比較脆、怕受壓和剪切、比較脆、怕受壓和剪切碳纖維尤其害怕碳纖維尤其害怕“打結(jié)打結(jié)”和和“急拐彎急拐彎”。B、抗氧化性差、抗氧化性差碳纖維抗氧化性差，在高溫下容易生成二氧化碳跑掉，所以它碳纖維抗氧化

46、性差，在高溫下容易生成二氧化碳跑掉，所以它不耐氧化。不耐氧化。C、破壞前無(wú)預(yù)報(bào)、破壞前無(wú)預(yù)報(bào)碳纖維在斷裂前沒(méi)有預(yù)報(bào)。碳纖維由于彈性模量高，受力后產(chǎn)碳纖維在斷裂前沒(méi)有預(yù)報(bào)。碳纖維由于彈性模量高，受力后產(chǎn)生的變形很小，所以即使當(dāng)它被拉斷時(shí)，也只產(chǎn)生生的變形很小，所以即使當(dāng)它被拉斷時(shí)，也只產(chǎn)生0.5%的伸長(zhǎng)的伸長(zhǎng)變形。因此碳纖維在斷裂之前，沒(méi)有任何明顯的征兆，人們不變形。因此碳纖維在斷裂之前，沒(méi)有任何明顯的征兆，人們不能在事故發(fā)生之前采取預(yù)防措施。能在事故發(fā)生之前采取預(yù)防措施。2022-4-17-60-4、碳纖維的結(jié)構(gòu)、碳纖維的結(jié)構(gòu)（1）各向同性的碳纖維）各向同性的碳纖維（2）各向異性的碳纖維）各向

47、異性的碳纖維2022-4-17-61-（1）各向同性的碳纖維）各向同性的碳纖維普通碳纖維是由有機(jī)纖維在不加張力的情況下，普通碳纖維是由有機(jī)纖維在不加張力的情況下，在惰性氣體或真空中經(jīng)高溫處理而制成的。這在惰性氣體或真空中經(jīng)高溫處理而制成的。這類纖維的制造費(fèi)用是所有碳纖維中最低的，并類纖維的制造費(fèi)用是所有碳纖維中最低的，并且它的強(qiáng)度、彈性模量也不高。因此，它主要且它的強(qiáng)度、彈性模量也不高。因此，它主要用做高溫電爐的保溫材料及一般的防腐蝕材料。用做高溫電爐的保溫材料及一般的防腐蝕材料。如果用多孔的有機(jī)纖維作原料，那么碳化后得如果用多孔的有機(jī)纖維作原料，那么碳化后得到的則是多孔的活性炭碳纖維。這種碳

48、纖維雖到的則是多孔的活性炭碳纖維。這種碳纖維雖然強(qiáng)度不太高，但它的比表面積（單位重量物然強(qiáng)度不太高，但它的比表面積（單位重量物質(zhì)所具有的表面積）特別大，是一種非常好的質(zhì)所具有的表面積）特別大，是一種非常好的吸附材料。吸附材料。2022-4-17-62-各向同性的碳纖維是由玻璃狀的碳，即具各向同性的碳纖維是由玻璃狀的碳，即具有渦輪層疊結(jié)構(gòu)的多晶狀態(tài)碳組成。有渦輪層疊結(jié)構(gòu)的多晶狀態(tài)碳組成。微晶大小微晶大小LaLa和和LcLc約為約為1.53.0nm1.53.0nm空隙體積空隙體積3040%3040%密度約密度約1.41.5g/cm1.41.5g/cm3 3由于沒(méi)有優(yōu)先取向，所以其彈性模量和抗由于沒(méi)

49、有優(yōu)先取向，所以其彈性模量和抗拉強(qiáng)度相對(duì)較小。因此，適用于填充材料拉強(qiáng)度相對(duì)較小。因此，適用于填充材料和隔熱材料的織物、毛氈和線繩。和隔熱材料的織物、毛氈和線繩。2022-4-17-63-（2）各向異性的碳纖維）各向異性的碳纖維在石墨結(jié)構(gòu)中，每個(gè)碳原子只是以三個(gè)等強(qiáng)的共價(jià)鍵和其它三在石墨結(jié)構(gòu)中，每個(gè)碳原子只是以三個(gè)等強(qiáng)的共價(jià)鍵和其它三個(gè)碳原子結(jié)合。因此，石墨分子內(nèi)部的碳原子是成層狀排列的。個(gè)碳原子結(jié)合。因此，石墨分子內(nèi)部的碳原子是成層狀排列的。在每一層內(nèi)，各碳原子都和另外三個(gè)碳原子以等強(qiáng)的共價(jià)鍵相在每一層內(nèi)，各碳原子都和另外三個(gè)碳原子以等強(qiáng)的共價(jià)鍵相結(jié)合，兩個(gè)相鄰共價(jià)鍵間夾角為結(jié)合，兩個(gè)相鄰共

50、價(jià)鍵間夾角為120，每個(gè)碳原子和相鄰的，每個(gè)碳原子和相鄰的三個(gè)碳原子間距離都相等，構(gòu)成一個(gè)正六邊形環(huán)。三個(gè)碳原子間距離都相等，構(gòu)成一個(gè)正六邊形環(huán)。平行于平面平行于平面網(wǎng)層方向的硬度接近于金剛石，而垂直于平面網(wǎng)層方向的硬度網(wǎng)層方向的硬度接近于金剛石，而垂直于平面網(wǎng)層方向的硬度則要小得多（相差約三、四十倍）。同樣，在垂直和平行方向則要小得多（相差約三、四十倍）。同樣，在垂直和平行方向上，石墨的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和膨脹系數(shù)等，也都要相差許多倍。上，石墨的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和膨脹系數(shù)等，也都要相差許多倍。為各向異性材料。為各向異性材料。2022-4-17-64-石墨平面層就不象普通石墨結(jié)構(gòu)平面網(wǎng)層那樣雜亂地排

51、列，而是沿著石墨平面層就不象普通石墨結(jié)構(gòu)平面網(wǎng)層那樣雜亂地排列，而是沿著纖維長(zhǎng)度方向平行而整齊地排列，這就是高彈性模量、高強(qiáng)度碳纖維的結(jié)纖維長(zhǎng)度方向平行而整齊地排列，這就是高彈性模量、高強(qiáng)度碳纖維的結(jié)構(gòu)和普通石墨不同的地方。構(gòu)和普通石墨不同的地方。一般在高彈性模量、高強(qiáng)度碳纖維結(jié)構(gòu)中，石墨層平面偏離纖維長(zhǎng)度一般在高彈性模量、高強(qiáng)度碳纖維結(jié)構(gòu)中，石墨層平面偏離纖維長(zhǎng)度方向（軸向）的角度在方向（軸向）的角度在10以內(nèi)，這個(gè)角度叫做取向角。顯然，取向角以內(nèi)，這個(gè)角度叫做取向角。顯然，取向角愈小，石墨層平面與纖維軸向的平行度就愈高，或者叫做取向度愈高。愈小，石墨層平面與纖維軸向的平行度就愈高，或者叫做

52、取向度愈高。當(dāng)纖維受到外力拉伸時(shí)，全部是由許多互相平行的石墨平面網(wǎng)層內(nèi)的當(dāng)纖維受到外力拉伸時(shí)，全部是由許多互相平行的石墨平面網(wǎng)層內(nèi)的碳原子來(lái)分擔(dān)的。石墨平面層內(nèi)的碳原子，都象大自然中最硬的物質(zhì)碳原子來(lái)分擔(dān)的。石墨平面層內(nèi)的碳原子，都象大自然中最硬的物質(zhì)金金剛石結(jié)構(gòu)內(nèi)的碳原子一樣，彼此間結(jié)合得很牢固，因此，要使它變形或破剛石結(jié)構(gòu)內(nèi)的碳原子一樣，彼此間結(jié)合得很牢固，因此，要使它變形或破壞它，就也得象破壞金剛石那樣，要用比其它材料更大的力才行，這也就壞它，就也得象破壞金剛石那樣，要用比其它材料更大的力才行，這也就是碳纖維的彈性模量和強(qiáng)度特別高的原因。是碳纖維的彈性模量和強(qiáng)度特別高的原因。2022-4

53、-17-65- W.W.羅朗羅朗(W.Ruland)(W.Ruland)等提出了異性碳纖維結(jié)構(gòu)模型，等提出了異性碳纖維結(jié)構(gòu)模型，其要點(diǎn)是：其要點(diǎn)是：碳纖維的基本結(jié)構(gòu)單元是由寬碳纖維的基本結(jié)構(gòu)單元是由寬6.0nm6.0nm，長(zhǎng)在，長(zhǎng)在100nm100nm以上的細(xì)帶狀微晶組成；以上的細(xì)帶狀微晶組成；石墨層間平均距離石墨層間平均距離0.3nm0.3nm。這些細(xì)帶或多或少地。這些細(xì)帶或多或少地成波浪形而主要平行于纖維軸伸展；波浪形的細(xì)帶形成波浪形而主要平行于纖維軸伸展；波浪形的細(xì)帶形成微原纖；成微原纖；細(xì)帶在縱向伸展，呈柳葉刀形的孔，寬約細(xì)帶在縱向伸展，呈柳葉刀形的孔，寬約20.nm20.nm，長(zhǎng)數(shù)十

54、納米，體積約占長(zhǎng)數(shù)十納米，體積約占2030%2030%。2022-4-17-66-碳纖維的在結(jié)構(gòu)上的差別決碳纖維的在結(jié)構(gòu)上的差別決定了其機(jī)械性能的差異。定了其機(jī)械性能的差異。彈性模量主要取決于微觀結(jié)彈性模量主要取決于微觀結(jié)構(gòu)，特別是石墨層的波浪度。構(gòu)，特別是石墨層的波浪度。強(qiáng)度取決于宏觀結(jié)構(gòu)中缺陷強(qiáng)度取決于宏觀結(jié)構(gòu)中缺陷出現(xiàn)的頻率和種類，以及孔隙和出現(xiàn)的頻率和種類，以及孔隙和裂紋。裂紋。 2022-4-17-67-5、碳纖維的制造、碳纖維的制造2022-4-17-68-（1）原料）原料碳纖維是不能用碳做原料來(lái)制造的。工業(yè)上碳纖維是不能用碳做原料來(lái)制造的。工業(yè)上制造碳纖維是以有機(jī)纖維做原料，在沒(méi)

55、有氧氣的制造碳纖維是以有機(jī)纖維做原料，在沒(méi)有氧氣的情況下經(jīng)過(guò)高溫處理轉(zhuǎn)化而來(lái)的。情況下經(jīng)過(guò)高溫處理轉(zhuǎn)化而來(lái)的。 含碳的有機(jī)纖維做原料，在沒(méi)有氧氣的情況含碳的有機(jī)纖維做原料，在沒(méi)有氧氣的情況下，經(jīng)過(guò)高溫處理，將氮、氫、氧等非碳原子變下，經(jīng)過(guò)高溫處理，將氮、氫、氧等非碳原子變成氰化氫、氨、水、甲烷、氫、氮等氣態(tài)組分，成氰化氫、氨、水、甲烷、氫、氮等氣態(tài)組分，并把焦油等產(chǎn)物排除掉，所剩下碳的骨架就構(gòu)成并把焦油等產(chǎn)物排除掉，所剩下碳的骨架就構(gòu)成了碳纖維。這是一種既經(jīng)濟(jì)又易于工業(yè)化生產(chǎn)的了碳纖維。這是一種既經(jīng)濟(jì)又易于工業(yè)化生產(chǎn)的方法。這也就是為什么要用有機(jī)纖維做原料制造方法。這也就是為什么要用有機(jī)纖維做

56、原料制造碳纖維的原因。碳纖維的原因。2022-4-17-69-使用有機(jī)纖維熱裂解法生產(chǎn)碳纖維，使用的原料使用有機(jī)纖維熱裂解法生產(chǎn)碳纖維，使用的原料要受到以下條件的限制：要受到以下條件的限制：聚合物不熔融。聚合物不熔融。聚合物在熱降解中損失要小。聚合物在熱降解中損失要小。在熱裂解中生成的碳骨架，應(yīng)盡可能容易再在熱裂解中生成的碳骨架，應(yīng)盡可能容易再結(jié)合形成石墨的結(jié)構(gòu)單元。結(jié)合形成石墨的結(jié)構(gòu)單元?；谏鲜鲈?，目前商業(yè)上可供使用的原料有：基于上述原因，目前商業(yè)上可供使用的原料有：11）纖維素和再生纖維素。）纖維素和再生纖維素。22）聚丙烯睛均聚物、共聚物。）聚丙烯睛均聚物、共聚物。33）瀝青和煤抽取

57、物。）瀝青和煤抽取物。2022-4-17-70-（2）用纖維素纖維制造碳纖維）用纖維素纖維制造碳纖維此項(xiàng)技術(shù)首先在此項(xiàng)技術(shù)首先在美國(guó)美國(guó)開發(fā)，一般用人造絲作原料制造出來(lái)的。開發(fā)，一般用人造絲作原料制造出來(lái)的。再生纖維素碳的含量較低再生纖維素碳的含量較低。一百千克的人造絲，碳化后只能得到十五。一百千克的人造絲，碳化后只能得到十五到二十千克的碳纖維到二十千克的碳纖維，比用腈綸纖維制造的要少一半。同時(shí)，制造再生纖，比用腈綸纖維制造的要少一半。同時(shí)，制造再生纖維素纖維的原料來(lái)源受到自然條件的限制。維素纖維的原料來(lái)源受到自然條件的限制。再生纖維素纖維必須先經(jīng)過(guò)洗滌和干燥。它直接放在惰性氣體中加熱，再生纖

58、維素纖維必須先經(jīng)過(guò)洗滌和干燥。它直接放在惰性氣體中加熱，到到700以上，即可得到強(qiáng)度和彈性模量低的碳纖維以上，即可得到強(qiáng)度和彈性模量低的碳纖維。若想得到高彈性模量高強(qiáng)度的碳纖維，就必須在加熱過(guò)程中對(duì)纖維施若想得到高彈性模量高強(qiáng)度的碳纖維，就必須在加熱過(guò)程中對(duì)纖維施加張力。但由于纖維素纖維的大分子結(jié)構(gòu)中含有氧原子，在加熱過(guò)程中氧加張力。但由于纖維素纖維的大分子結(jié)構(gòu)中含有氧原子，在加熱過(guò)程中氧進(jìn)行了重排反應(yīng)，所以就使得原料纖維中的分子從整齊的排列取向變成了進(jìn)行了重排反應(yīng)，所以就使得原料纖維中的分子從整齊的排列取向變成了雜亂無(wú)章的排列，造成了纖維在低溫下強(qiáng)度降低，并難以施加張力。只有雜亂無(wú)章的排列，

59、造成了纖維在低溫下強(qiáng)度降低，并難以施加張力。只有2022-4-17-71-加熱到加熱到2000以上，才能對(duì)纖維施加張力，使纖維內(nèi)以上，才能對(duì)纖維施加張力，使纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿著纖維長(zhǎng)度方向整齊地取向。加熱到部結(jié)構(gòu)沿著纖維長(zhǎng)度方向整齊地取向。加熱到3000左右進(jìn)行的左右進(jìn)行的“拉伸石墨化拉伸石墨化”工藝，是制得高機(jī)械性能工藝，是制得高機(jī)械性能碳纖維所必需的，它使得碳纖維取向呈石墨微晶細(xì)帶碳纖維所必需的，它使得碳纖維取向呈石墨微晶細(xì)帶狀，同時(shí)使纖維的孔隙度減少狀，同時(shí)使纖維的孔隙度減少50%。由于在高溫下拉伸纖維需要由于在高溫下拉伸纖維需要昂貴的設(shè)備昂貴的設(shè)備，所以用，所以用纖維素纖維制造碳纖維的成本

60、最高，而且這樣制出的纖維素纖維制造碳纖維的成本最高，而且這樣制出的碳纖維與樹脂等復(fù)合的粘結(jié)力小，在使用過(guò)程中層之碳纖維與樹脂等復(fù)合的粘結(jié)力小，在使用過(guò)程中層之間容易開裂。由于這些原因，目前大部分是用腈綸纖間容易開裂。由于這些原因，目前大部分是用腈綸纖維、瀝青纖維作原料來(lái)制造碳纖維。維、瀝青纖維作原料來(lái)制造碳纖維。2022-4-17-72-（3 3）用聚丙烯腈纖維制造碳纖維）用聚丙烯腈纖維制造碳纖維 2022-4-17-73-聚丙烯腈是由聚丙烯腈是由碳、氫、氮碳、氫、氮三種元素組成的。碳纖三種元素組成的。碳纖維就主要是以純粹的丙烯腈聚合而成再經(jīng)過(guò)特特工藝維就主要是以純粹的丙烯腈聚合而成再經(jīng)過(guò)特特