《煤化工工藝學(xué)》-煤炭素制品課件

第8章煤的炭素制品第8章煤的炭素制品煤的炭素制品

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)電、化工等工業(yè)。近幾十年來出現(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。

炭素材料是指從無定形炭到石墨結(jié)晶的一系列過渡態(tài)炭。主要炭素制品有：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；用作高溫結(jié)構(gòu)材料和燒蝕材料的炭纖維及其復(fù)合材料以及用于化工和環(huán)保的各種炭質(zhì)吸附劑等。

煤的炭素制品

炭素材料作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料廣泛用于

8.1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)碳原子的鍵長為0.14211nm，層面間為范德華鍵，層間距為0.33538nm。石墨晶體大部分呈六方體，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)。8.1炭素材料的結(jié)構(gòu)與性能石墨是由六角形碳網(wǎng)

炭素材料的主要特性：⑴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℃,12MPa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。炭素材料的主要特性：

炭素材料的優(yōu)異的熱性質(zhì)使它在火箭的噴嘴、燃燒室以及鼻錐上發(fā)揮獨(dú)特的作用。⑵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5×10-5Ωcm。炭素材料的優(yōu)異的熱性質(zhì)使它在火箭的噴嘴、燃燒室⑶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)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氟酸和磷酸的幾種材料之一。⑶良好的化學(xué)穩(wěn)定性⑷機(jī)械性能炭素材料的強(qiáng)度特性是溫度越高強(qiáng)度越好,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。良好的耐磨性和自潤滑性使它成了電刷、高溫軸承、機(jī)械密封的重要材料。⑷機(jī)械性能⑸核物理性能碳原子核散射中子的截面為俘獲中子截面的1270倍,石墨的減速比為201,僅次于重水,但成本比重水低得多,所以高純石墨是原子反應(yīng)堆的減速材料。⑹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)成的,為多孔性物質(zhì)。經(jīng)過適當(dāng)處理,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。

⑸核物理性能8.2生產(chǎn)原理和工藝過程

以有機(jī)物為原料制成各種炭素材料必須經(jīng)過炭化過程。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)過石墨化過程生成石墨結(jié)晶。整個(gè)變化過程如圖6-4-05所示。8.2生產(chǎn)原理和工藝過程

以有機(jī)物為原料制成各《煤化工工藝學(xué)》——煤炭素制品課件要獲得石墨結(jié)晶,有機(jī)物必須經(jīng)過液相炭化過程,使碳原子排列呈現(xiàn)三維有序化。這一過程中，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。要獲得石墨結(jié)晶,有機(jī)物必須經(jīng)過液相炭化過程,使瀝青、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,小球不斷長大、相互融并成廣域的中間相。中間相經(jīng)過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。瀝青、煤焦油等液相炭化時(shí),大于350℃，各組為了實(shí)現(xiàn)中間相轉(zhuǎn)化的整個(gè)過程,要求炭化條件十分緩和,使液相處于無干擾、無溫度梯度的條件下。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℃/分為宜。為了實(shí)現(xiàn)中間相轉(zhuǎn)化的整個(gè)過程,要求炭化條件十

石墨化是炭素材料經(jīng)過2000℃以上高溫處理的過程,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程

炭和石墨制品的工藝過程如圖6-4-06所示,主要包括以下工序。石墨化是炭素材料經(jīng)過2000℃以上高溫處理的過程,使炭的亂《煤化工工藝學(xué)》——煤炭素制品課件①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。①原料及原料的煅燒基本原料包括骨(架)料和粘結(jié)劑。骨料

②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,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。對純度要求不高的產(chǎn)品,可以選用冶金焦、無煙煤為骨料。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。③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。②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④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。⑤石墨化焙燒后的制品中,碳原子主要為兩維有序排列,屬于亂層結(jié)構(gòu),只有通過2000-3000℃高溫處理,才能成為三維有序的石墨晶體。④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⑵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。⑵炭素纖維不論何種炭纖維，基本的生產(chǎn)工藝相似，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。不論何種炭纖維，基本的生產(chǎn)工藝相似，它包括原料的制備或調(diào)制；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230℃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。為了防止過度牽伸造成裂紋和空隙，常用多段牽伸法。預(yù)氧化的目的是防止原絲炭化時(shí)熔融。常用空氣氧化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℃。炭化需在高純度惰性氣氛下進(jìn)行，溫度為1000-

②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。②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8.3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8.3活性炭活性炭活性炭是由無定形炭構(gòu)成的黑色多孔性固體，具有極高的比表面積?；钚蕴坎徽撚米魑絼┻€是催化劑載體，最基本的要求是具有良好的吸附性能和較高的機(jī)械強(qiáng)度?；钚蕴吭缙谝阅举|(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?；钚蕴渴紫纫尚驮炝?。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?；钚蕴渴怯蔁o定形炭構(gòu)成的黑色多孔性固體，具有極高

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)的一類微晶質(zhì)碳素材料?；钚蕴坎牧现杏写罅咳庋劭床灰姷奈⒖住；钚蕴恐鞒煞殖颂荚匾酝膺€有氧、氮、氫等元素及灰份。

活性炭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)

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，造成了活性碳多微孔體積及高表面積的特性?；钚蕴康目捉Y(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，形狀各異，孔隙大小從不到1nm直至1萬nm以上，按其孔隙大小可分為大孔、過渡孔，微孔，其大小范圍如下：

活性炭的結(jié)構(gòu)活性炭在結(jié)構(gòu)上由于碳是不規(guī)則排列，在交叉連接之間有大孔：半徑為100-2000nm，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。

過渡孔：半徑為2-100nm，過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)。大孔：半徑為100-2000nm，主要是能使被吸過渡孔：半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熱解作用被轉(zhuǎn)換成活性炭。按原料來源分

?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炭的主要原料幾乎可以是所有富含碳的有機(jī)材按制造方法分:

?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

?顆粒活性炭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

按制造方法分:?化學(xué)法活性炭（化學(xué)藥品活活性碳的用途?空氣凈化：能吸附過濾空氣中的惡臭、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、香煙過濾嘴等；

活性碳的用途?空氣凈化：能吸附過濾空氣中的惡臭、體臭、?溶劑回收：對苯類、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。?溶劑回收：對苯類、酮類、酯類、石油類均能《煤化工工藝學(xué)》——煤炭素制品課件

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，煤制活性炭常用氣體活化法，活化劑為水蒸氣、二氧化碳。活化反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是通過碳的氧化反應(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；選擇性活化生成新孔?；罨に嚄l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。主要控制因素是：活化劑種類和流量；活化溫度；時(shí)間；炭化料的性狀和粒度等

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)8.4炭分子篩8.4.1炭分子篩（CMS）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

炭分子篩（CMS）作為一種新型吸附劑。自60年代末實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以來，得到迅速發(fā)展。炭分子篩是一種孔徑分布比較均一，含有4-5A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。CMS與傳統(tǒng)的吸附劑相比，主要區(qū)別在于其孔隙結(jié)構(gòu)：CMS主要由微孔及少量大孔組成，孔徑分布較窄，約在0.5～l.0nm，而普通活性炭（AC）除微孔外，還有大量的中孔和大孔．平均孔徑高達(dá)2nm。CMS的孔為狹縫形，而沸石分子篩（ZMS）的孔力墨水瓶形，孔口截面一般呈不規(guī)則的橢圓形。8.4炭分子篩8.4.1炭分子篩（CMS）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

8.4.2炭分子篩（CMS）應(yīng)用目前，國際上生產(chǎn)商品CMS的公司主要有德國BF公司、日本Takeda公司以及美國Calgop炭化公司。CMS主要用于吸附分離領(lǐng)域，它已成熟地應(yīng)用于變壓吸附分離空氣中的N2和O2。以CMS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；已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。此外，CMS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氫，分離礦井氣中的甲烷和CO2，以及從燃燒煙氣中回收高純度CO2等。8.4.2炭分子篩（CMS）應(yīng)用8.4.3CMS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炭，它是由結(jié)晶炭和無定形炭構(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，因此它是一種非極性吸附劑，具有疏水性，能選擇性地吸附非極性化合物。ZMS是由硅鋁酸鹽（Si-O-Al）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)的化合物和分子。所以能作為脫水劑或干燥劑，通過吸附除去典型極性化合物——水。借助變壓吸附裝置（PSA），通過靜電相互作用利用ZMS選擇吸附空氣中具有中極子的兒從而可制造一定純度的O28.4.3CMS的特性及篩分分離原理CMCMS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0.5nm的ZSM—5型對大于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。CMS的另一特性是其細(xì)孔形狀。ZMS的細(xì)孔為墨8.4.4CMS的制備方法

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Saran樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂、聚糖醇、聚偏二氧乙烯、聚乙烯醇/酚醛樹脂等。（2）各種煤，包括泥炭、褐煤、煙煤、無煙煤等（3）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、煤超臨界萃取殘?jiān)取Ｉ鲜龈鞣N原料中，煤因原料來源廣、價(jià)格低、制備工藝簡單而占據(jù)首要地位。8.4.4CMS的制備方法制備炭分子篩的原料可分為如下炭分子篩的生產(chǎn)工藝和活性炭相似，關(guān)鍵在于孔徑的調(diào)整。當(dāng)孔徑過小時(shí)，用氣體活化法擴(kuò)孔；當(dāng)孔徑過大時(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，包括氣相附著法和浸漬覆蓋法。炭分子篩的生產(chǎn)工藝和活性炭相似，關(guān)鍵在于孔徑CMS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。2）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。3）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。4）沉積法：在含苯之類的烴類氣體中．熱處理活性炭，通過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1000℃以上高溫?zé)崽幚?，通過熱收縮，縮小孔徑。CMS的制法大致可分成五類：煤炭基分子篩制備工藝我國炭分子篩工業(yè)生產(chǎn)起步階段具有代表性的工藝路線有兩個(gè)；以無煙煤為原料；煤——粉碎——加粘結(jié)劑造球成型——干燥——炭化——?dú)怏w活化——?dú)怏w堵孔劑碳沉積——炭分子篩；以弱粘接性煙煤為原料：煤——粉碎——加粘結(jié)劑造球成型——干燥——炭化——?dú)怏w堵孔劑碳沉積——炭分子篩。煤炭基分子篩制備工藝我國炭分子篩工業(yè)生產(chǎn)起步階8.5碳纖維——定義：碳纖維是指纖維的化學(xué)組成中碳元素占總質(zhì)量90%以上的纖維。8.5碳纖維——定義：碳纖維是指纖維的化學(xué)組成中碳元素占總1)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)50年代。——1996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(PAN)基纖維占85%，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)工藝比較簡單，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，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。1)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)50年代碳纖維的分類，按習(xí)慣大致有以下三種方法：（1）按原料分類：碳纖維2)碳纖維的分類2)碳纖維的分類

（2）按制造條件和方法分類：

碳纖維（3）按力學(xué)性能分類：

碳纖維（2）按制造條件和方法分類：

3、碳纖維的性能

（十項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)；三項(xiàng)缺點(diǎn)）3、碳纖維的性能（1）在纖維軸方向顯示高抗拉強(qiáng)度和高彈性模量強(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)度的碳纖維的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到30~40噸/平方厘米，要比鋼鐵大四倍多。（1）在纖維軸方向顯示高抗拉強(qiáng)度和高彈性模量（2）比重輕——1.7~2.2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1/2，還不到鋼鐵的1/4。如按它的抗拉強(qiáng)度比鋼鐵大4倍，比鋁合金大6倍計(jì)算，碳纖維的比強(qiáng)度比鋼鐵大16倍，比鋁合金大12倍。由于碳纖維的比強(qiáng)度和比彈性模量特別高，所以對于那些要求全面減輕自重的物體，如宇航用品、交通用品、體育比賽用品就有更大的意義。（2）比重輕——1.7~2.2（3）纖度細(xì)碳纖維的外表很平凡，粗看起來象人的頭發(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人的頭發(fā)一樣粗細(xì)。碳纖維細(xì)度可為0.05Tex。（3）纖度細(xì)（4）不生銹、耐腐蝕碳纖維不生銹，耐腐蝕。除了濃度大于75%的硝酸和硫酸外，鹽酸、硝酸、硫酸和一些有機(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)于不銹鋼。在一份硝酸（濃度70%）和三份鹽酸（濃度37%）配成的“王水”中，碳纖維性能不變。（4）不生銹、耐腐蝕（5）、既能耐低溫，又能耐超高溫——在—180oC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?！?000~4000oC的高溫下，在沒有氧氣的情況下，碳纖維在這樣的高溫下也還是巍然不動(dòng)?！话悴牧系膹?qiáng)度隨著溫度的升高都要大幅度降低，但碳材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。理論上，隨著溫度的升高，在2500oC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)際操作中，碳纖維隨著溫度升高而強(qiáng)度并不增加，但在2000oC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，碳纖維的耐高溫性能還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般材料?！祭w維的升華溫度高達(dá)3650oC。（5）、既能耐低溫，又能耐超高溫——在—180oC的低溫下，（6）能耐溫度急變，熱膨脹系數(shù)小——碳纖維的耐急冷急熱性能很好，制品即使它從3000oC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)很低的緣故?！祭w維受到溫度變化時(shí)，在它的長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)的絕對值比鋼小幾十倍，比玻璃要小上百倍，實(shí)際上近于零?！虼?，碳纖維及其和某些塑料、金屬做成的復(fù)合材料，可以用來制造精密儀器、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。（6）能耐溫度急變，熱膨脹系數(shù)?。?）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，碳纖維的導(dǎo)熱性逐漸變低，在2000oC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)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。（7）常溫下導(dǎo)熱性能良好，高溫下導(dǎo)熱性能低（8）突出的導(dǎo)電性能——碳纖維具有很好的導(dǎo)電性?！祭w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，可以作成柔軟的“電阻絲”，用在一些特殊的環(huán)境中，它們的電阻值可以通過制造過程中控制碳化溫度來調(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)得很高，所以也可以做成表面積較大的發(fā)熱元件?！祭w維具有高的發(fā)射率，在1100oC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）（8）突出的導(dǎo)電性能（9）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纖維，或用普通碳纖維在蒸汽氣流中加熱到800oC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。這種材料具有巨大的表面積，而且表面上的碳原子處于“活化”狀態(tài)，很容易和其它化學(xué)物質(zhì)結(jié)合?！嗫谆钚蕴刻祭w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)超過了顆粒狀活性炭，它的通氣阻力僅為后者的1/2~1/5，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1.5~2倍多。（9）優(yōu)良的吸附性能（10）碳纖維還具有耐輻射，能反射中子等特性。

（10）碳纖維還具有耐輻射，碳纖維的缺點(diǎn)：——A、比較脆、怕受壓和剪切碳纖維尤其害怕“打結(jié)”和“急拐彎”?！狟、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，所以它不耐氧化?！狢、破壞前無預(yù)報(bào)碳纖維在斷裂前沒有預(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0.5%的伸長變形。因此碳纖維在斷裂之前，沒有任何明顯的征兆，人們不能在事故發(fā)生之前采取預(yù)防措施。碳纖維的缺點(diǎn)：4、碳纖維的結(jié)構(gòu)——（1）各向同性的碳纖維——（2）各向異性的碳纖維4、碳纖維的結(jié)構(gòu)（1）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，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。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。這種碳纖維雖然強(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，是一種非常好的吸附材料。（1）各向同性的碳纖維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?！⒕Т笮a和Lc約為1.5~3.0nm——空隙體積30~40%——密度約1.4~1.5g/cm3由于沒有優(yōu)先取向，所以其彈性模量和抗拉強(qiáng)度相對較小。因此，適用于填充材料和隔熱材料的織物、毛氈和線繩。《煤化工工藝學(xué)》——煤炭素制品課件（2）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)鍵相結(jié)合，兩個(gè)相鄰共價(jià)鍵間夾角為120°，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)。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。為各向異性材料。（2）各向異性的碳纖維——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?！话阍诟邚椥阅Ａ俊⒏邚?qiáng)度碳纖維結(jié)構(gòu)中，石墨層平面偏離纖維長度方向（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。——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，這也就是碳纖維的彈性模量和強(qiáng)度特別高的原因。——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

W.羅朗(W.Ruland)等提出了異性碳纖維結(jié)構(gòu)模型，其要點(diǎn)是：——碳纖維的基本結(jié)構(gòu)單元是由寬6.0nm，長在100nm以上的細(xì)帶狀微晶組成；——石墨層間平均距離0.3nm。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)帶形成微原纖；——細(xì)帶在縱向伸展，呈柳葉刀形的孔，寬約20.nm，長數(shù)十納米，體積約占20~30%。W.羅朗(W.Ruland)等提出了異性碳纖維結(jié)構(gòu)模型，其——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?！獜椥阅Ａ恐饕Q于微觀結(jié)構(gòu)，特別是石墨層的波浪度?！獜?qiáng)度取決于宏觀結(jié)構(gòu)中缺陷出現(xiàn)的頻率和種類，以及孔隙和裂紋。《煤化工工藝學(xué)》——煤炭素制品課件5、碳纖維的制造5、碳纖維的制造（1）原料——碳纖維是不能用碳做原料來制造的。工業(yè)上制造碳纖維是以有機(jī)纖維做原料，在沒有氧氣的情況下經(jīng)過高溫處理轉(zhuǎn)化而來的。

—含碳的有機(jī)纖維做原料，在沒有氧氣的情況下，經(jīng)過高溫處理，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，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)的方法。這也就是為什么要用有機(jī)纖維做原料制造碳纖維的原因。（1）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：——聚合物不熔融?！酆衔镌跓峤到庵袚p失要小。——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?；谏鲜鲈?，目前商業(yè)上可供使用的原料有：——1）纖維素和再生纖維素?！?）聚丙烯睛均聚物、共聚物。——3）瀝青和煤抽取物。

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（2）用纖維素纖維制造碳纖維——此項(xiàng)技術(shù)首先在美國開發(fā)，一般用人造絲作原料制造出來的?！偕w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)，制造再生纖維素纖維的原料來源受到自然條件的限制?！偕w維素纖維必須先經(jīng)過洗滌和干燥。它直接放在惰性氣體中加熱，到700℃以上，即可得到強(qiáng)度和彈性模量低的碳纖維?！粝氲玫礁邚椥阅Ａ扛邚?qiáng)度的碳纖維，就必須在加熱過程中對纖維施加張力。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雜亂無章的排列，造成了纖維在低溫下強(qiáng)度降低，并難以施加張力。只有（2）用纖維素纖維制造碳纖維加熱到2000℃以上，才能對纖維施加張力，使纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿著纖維長度方向整齊地取向。加熱到3000℃左右進(jìn)行的“拉伸石墨化”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)帶狀，同時(shí)使纖維的孔隙度減少50%?！捎谠诟邷叵吕炖w維需要昂貴的設(shè)備，所以用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維、瀝青纖維作原料來制造碳纖維。加熱到2000℃以上，才能對纖維施加張力，使纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿著（3）用聚丙烯腈纖維制造碳纖維（3）用聚丙烯腈纖維制造碳纖維——聚丙烯腈是由碳、氫、氮三種元素組成的。碳纖維就主要是以純粹的丙烯腈聚合而成再經(jīng)過特特工藝得到的連續(xù)纖維做原料?！郾╇骈L絲的性能就要有一定的要求：一是原料纖維結(jié)構(gòu)中鏈狀分子沿纖維軸向的取向度要高，這樣易制得彈性模量高的碳纖維；二是原料纖維的強(qiáng)度要高，這樣易制得強(qiáng)度高的碳纖維；三是纖維的粗細(xì)要均勻?！郾╇媸怯商?、氫、氮三種元素組成的。碳纖維就主要是以純A、用聚丙烯腈纖維制造碳纖維分下面幾個(gè)階段：——聚丙烯腈的氧化階段——黑化纖維的炭化階段——碳纖維的拉伸石墨化階段

A、用聚丙烯腈纖維制造碳纖維分下面幾個(gè)階段：——聚丙烯腈的氧化階段由于聚丙烯腈纖維在隔絕空氣的條件下加熱后要熔化，因此用聚丙烯睛來制造碳纖維時(shí)，就首先要把準(zhǔn)備好的原料纖維放在空氣中，或放在氧氣等氧化氣體中，在200~300℃的溫度下加熱，這個(gè)過程叫氧化過程。氧化過程是纖維炭化的預(yù)備階段，是保證纖維在炭化的高溫加熱過程中性能穩(wěn)定，不被熔化的關(guān)鍵工藝。——聚丙烯腈的氧化階段

——在氧化過程中，聚丙烯腈的顏色從白色逐漸變成黃色、棕色，最后變成黑色。在顏色變化的同時(shí)，聚丙烯腈的結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了變化，最后變成一種耐熱的中間鏈狀化合物纖維，這種纖維叫“黑化纖維”。黑化纖維結(jié)構(gòu)中的鏈狀化合物和石墨結(jié)構(gòu)中的六邊形環(huán)鏈相似，只是其中的每一個(gè)六邊形環(huán)上有一個(gè)碳原子被氮原子所取代。原料聚丙烯腈纖維是可燃的，用火一點(diǎn)就迅速燃燒并收縮，經(jīng)氧化后的黑化纖維卻是燒不著的，而且遇火也不象原料那樣收縮。經(jīng)過完全充分氧化后的纖維，含氧量在10%左右?！?jīng)過加張氧化后制得的黑化纖維，與未氧化前的原料纖維相比，直徑收縮最多的可達(dá)40%左右。此外，彈性模量有顯著增加，密度也增加了，這一切都表示纖維中的鏈狀分子排列得更加緊密了。在氧化過程中對纖維施加張力，是制造高彈性模量、高強(qiáng)度碳纖維的關(guān)鍵。

——在氧化過程中，聚丙烯腈的顏色從白色逐漸變成黃色、棕色，——在纖維氧化并使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化的同時(shí)，還發(fā)生著纖維的分解。劇烈的氧化放熱和纖維分解時(shí)放出大量的熱，往往使纖維溫度高于爐溫，并使反應(yīng)難以控制，造成纖維氧化過頭，產(chǎn)生焦化，引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的缺陷。這些缺陷都將保留到碳化后的碳纖維中，降低碳纖維的質(zhì)量。所以，為了得到質(zhì)量較好的氧化纖維，必須嚴(yán)格控制反應(yīng)，采用較低的氧化溫度，讓纖維完全充分的氧化。也就是說，纖維的氧化應(yīng)該在較低溫度下長時(shí)間地進(jìn)行（一般要一、二十小時(shí)）。對原料纖維采用各種化學(xué)催化的處理方法，可縮短纖維的氧化時(shí)間?！谘趸^程中，加熱時(shí)要給纖維兩端加上張力，以防止纖維在加熱過程中產(chǎn)生收縮，甚至還要使纖維有所伸長。這樣，使最后得到的碳纖維具有很高的彈性模量和強(qiáng)度?！诶w維氧化并使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化的同時(shí)，還發(fā)生著纖維的分解。劇烈——黑化纖維的炭化階段氧化后纖維的處理過程叫做炭化。經(jīng)過氧化后的纖維，隔絕空氣，放在真空或氮?dú)?、惰性氣體等保護(hù)氣體中繼續(xù)加熱，使纖維中的氫、氮以及其它元素不斷逸出，直到約1000℃左右，就剩下了主要是由碳元素組成的碳纖維。因原料和處理工藝的不同，碳纖維的含碳量在75—95%之間。炭化階段主要是化學(xué)變化的階段。炭化時(shí)保護(hù)氣氛的純度，及時(shí)排除裂變產(chǎn)物，掌握升溫速度的快慢等，對制得碳纖維的強(qiáng)度有很大的影響?！诨w維的炭化階段——碳纖維的拉伸石墨化階段經(jīng)過炭化后得到的碳纖維，在惰性氣體中再繼續(xù)加熱到2000℃以上，于是，就使其含碳量不斷增加（雜質(zhì)不斷被排除）；結(jié)構(gòu)內(nèi)六邊形環(huán)網(wǎng)層間距離不斷縮?。痪W(wǎng)層面積不斷擴(kuò)大；彈性模量不斷增高；纖維的密度也不斷增加。最后，就得到了具有金屬光澤的高彈性模量、高強(qiáng)度的碳纖維——石墨纖維。這個(gè)處理過程叫做石墨化。石墨化也可以利用碳纖維的導(dǎo)電性能，以其自身作發(fā)熱體通電加熱來達(dá)到。石墨化程度主要取決于所達(dá)到的溫度。溫度愈高，石墨化程度愈完全，經(jīng)過3000℃石墨化處理的石墨纖維，含碳量幾乎達(dá)到100℃。用惰性氣體使用氬氣較合適?！祭w維的拉伸石墨化階段B、聚丙烯腈纖維制造碳纖維的工藝流程圖

腈綸纖維

氧化處理空氣中200—300℃加張

炭化處理惰性氣體中1000—2000℃℃

碳纖維石墨化處理惰性氣體中2000℃以上

石墨纖維

應(yīng)用應(yīng)用B、聚丙烯腈纖維制造碳纖維的工藝流程圖腈綸纖維氧化處C、腈綸纖維制造碳纖維工藝的說明根據(jù)加張方法的不同，碳纖維的生產(chǎn)方法可以分為兩種：一是框架法。把纖維繞在一個(gè)剛性框架上，然后送到氧化爐中加熱。用這種方法只能得到定長的碳纖維和石墨纖維，只可以用它來制造一些小型的部件。二是連續(xù)法。把氧化、炭化和石墨化幾個(gè)階段連接起來。原料纖維連續(xù)地在氧化爐內(nèi)經(jīng)過氧化階段，然后繼續(xù)進(jìn)入炭化爐中炭化，再進(jìn)入石墨爐中石墨化，直到變成石墨纖維出爐。它可以使纖維在處理過程中伸長、收縮或保持原纖維的長度不變，從而使有不同拉伸性能的原料纖維，在氧化時(shí)都能達(dá)到最大許可拉伸程度。用這種方法生產(chǎn)出來的碳纖維是連續(xù)的。C、腈綸纖維制造碳纖維工藝的說明三個(gè)階段反應(yīng)的時(shí)間很不相同。氧化階段需要4～20小時(shí)；炭化階段需要0.5～2小時(shí)；而石墨化階段只需幾秒鐘至幾分鐘。近年來提出的一些方法，其區(qū)別主要在氧化階段工藝。用聚丙烯腈纖維做原料來制造碳纖維，其優(yōu)點(diǎn)是這種原料纖維的結(jié)構(gòu)易于石墨化，并相對于其它原料來說，生產(chǎn)工藝也較簡單。但這種原料纖維在預(yù)氧化和炭化過程中會(huì)發(fā)生大量有毒的氰化氫氣體。用鉑網(wǎng)作催化劑催化熱解氰化氫等來處理有毒氣體，有良好的效果。三個(gè)階段反應(yīng)的時(shí)間很不相同。（4）用瀝青制造碳纖維——石油瀝青經(jīng)過處理后拉出的石油瀝青纖維，是制造碳纖維的一種優(yōu)良原料。它的特點(diǎn)是價(jià)格便宜、原料來源豐富，含碳量達(dá)95%之多，而氫、氧、氮、硫等其它元素只占5%。因此一百千克石油瀝青纖維，炭化后能得到八十五千克以上的碳纖維，比用腈綸纖維做原料制得的碳纖維要多將近一倍，而且所得到的碳纖維性能也高?！谟檬蜑r青纖維制造碳纖維的過程中，對石油瀝青纖維要有一定的要求。其中要求“烯烴”類芳香族化合物的含量要高。然而，大多數(shù)石油瀝青里含的卻是性質(zhì)不活潑的“烷烴”。因此，這樣的石油瀝青要經(jīng)過一系列的處理后才能用來紡成絲，而這些處理是比較麻煩的，這也是石油瀝青的一個(gè)缺點(diǎn)。（4）用瀝青制造碳纖維

A、石油瀝為原料制造碳纖維分下面幾個(gè)階段：——蒸餾處理石油瀝青原料在紡絲前都要先經(jīng)過蒸餾處理（目的是提高它的熱穩(wěn)定性和軟化溫度）?！徑z紡絲一般采用熔融紡絲法。這樣得到的石油瀝青纖維就可以用來制造碳纖維了。——氧化處理與用腈綸纖維的方法基本相同，首先也是進(jìn)行加張氧化處理，并且石油瀝青纖維的氧化處理要求在氧化能力更強(qiáng)的臭氧氣體中進(jìn)行，才能進(jìn)一步形成加熱穩(wěn)定的黑化纖維。——炭化處理把黑化纖維放在惰性氣體中加熱到1000℃以上，就得到了性能優(yōu)良的碳纖維?！幚戆烟祭w維加熱到2000℃以上，就得到了高彈性模量、高強(qiáng)度的石墨纖維。

A、石油瀝為原料制造碳纖維分下面幾個(gè)階段：B、用石油瀝為原料制造碳纖維的說明作為一般的工程材料，必須滿足三個(gè)條件：1）具有一些獨(dú)特的性能；2）在使用中的經(jīng)濟(jì)效果要好，有一個(gè)合適的價(jià)格；3）可以工業(yè)化大量生產(chǎn)。

而用便宜的瀝青纖維作原料，是解決今后碳纖維大量推廣應(yīng)用的重要途徑。目前的瀝青纖維成本最低，僅為用聚丙烯腈作原料制碳纖維的10%，而其性能已可滿足一般工業(yè)材料的要求。用石油瀝為原料制造碳纖維，這是個(gè)發(fā)展方向。B、用石油瀝為原料制造碳纖維的說明（5）活性炭纖維的制造（5）活性炭纖維的制造制造——活性炭纖維是以碳纖維為原料的一種高技術(shù)新產(chǎn)品?；钚蕴坷w維亦可理解為多孔質(zhì)的碳纖維。它在上世紀(jì)70年代迅速發(fā)展，現(xiàn)已進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)?！壳?，用于制造活性炭纖維的原料主要有粘膠絲、聚丙烯睛纖維、酚醛纖維、瀝青纖維和聚乙烯醇纖維。除聚乙烯醇基活性炭纖維尚處在研究開發(fā)階段外，其余幾種均已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化制造各種活性炭纖維的比較

粘膠基——原料價(jià)格低廉，但收率低、溫度低，面密度在1600m2/g以下，生產(chǎn)工藝較繁復(fù)；聚丙烯腈基——面密度在1500m2/g以下，結(jié)構(gòu)中含有4%~8%的氮，工藝較簡單、成熟；

酚醛基——原料價(jià)格低廉，收率高，面密度在3000m2/g，工藝簡單；

瀝青基——原料價(jià)格低廉，收率高，但強(qiáng)度低，面密度在1800m2/g左右，雜質(zhì)多

聚乙烯醇基——原料價(jià)格低廉，強(qiáng)度高，面密度在2500m2/g以下，生產(chǎn)工藝較繁復(fù)。各種活性炭纖維的比較活性炭纖維的制造采用氣體活化法，碳纖維在600~1200℃的條件下，用水蒸氣、CO2、空氣、煙道氣等進(jìn)行活化。最常用的是水蒸氣，價(jià)格便宜，活化能力強(qiáng)，容易控制。

《煤化工工藝學(xué)》——煤炭素制品課件5、碳纖維常規(guī)產(chǎn)品特性（略）5、碳纖維常規(guī)產(chǎn)品特性（略）6、碳纖維的應(yīng)用（1）碳絲。由于碳纖維的長絲和絲束的機(jī)械性能極其優(yōu)異，因此其主要用于塑料（環(huán)氧樹脂、聚脂、聚酰亞胺、酚醛樹脂）和碳絲的增強(qiáng)；此外，碳纖維增強(qiáng)輕金屬（鋁、鎂）作宇航應(yīng)用。其制品主要用在：飛機(jī)、火箭等承受高負(fù)荷的部件；高壓容器；體育用品（如網(wǎng)球、冰球、高爾夫球拍；滑雪板；賽車；賽船；帆船等）。（2）碳纖維氈和碳素短纖維。主要用做絕熱材料（如電阻爐和感應(yīng)電爐）。這種絕熱材料在500℃以上可以隔絕空氣和其它氧化劑的干擾。碳纖維氈的密度為0.05~0.2g/cm3，在20℃時(shí)的導(dǎo)熱率為6×10-5~3×10-4W/mK。這種絕熱層的絕熱能力大。碳纖維氈和碳素短纖維的其它用途為：填充塔的填料；侵蝕性氣體和液體的過濾材料；催化劑的載體；燃料電池和蓄電池的電極。6、碳纖維的應(yīng)用（3）碳纖維織物。用作輻射加熱的大體積真空爐中輕質(zhì)、高負(fù)荷的電導(dǎo)體，其最高使用溫度可達(dá)3000℃左右。此外，可作超音速飛機(jī)制動(dòng)盤的加強(qiáng)墊層。其生產(chǎn)方法是用合成樹脂浸漬碳纖維織物，再壓成片狀，然后加熱到1000℃左右使浸漬劑碳化。這種制動(dòng)盤具有在高溫和高摩擦速度下的摩擦性能，有較高的導(dǎo)熱性和熱容量以及熱穩(wěn)定性，可保證其在極大的負(fù)荷下也能具有良好的制動(dòng)性能。（4）活性炭纖維。主要用于：吸附廢氣，凈化環(huán)境；回收溶劑及有機(jī)化合物；凈化水；化學(xué)防護(hù)；高效電容和各種電極材料。（3）碳纖維織物。用作輻射加熱的大體積真空爐中輕質(zhì)、高負(fù)荷的1/3用于航空工業(yè)和航天工業(yè)；1/3用于體育用品；1/3用于其它工業(yè)。1/3用于航空工業(yè)和航天工業(yè)；1/3用于體育用品；第8章煤的炭素制品第8章煤的炭素制品煤的炭素制品

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)電、化工等工業(yè)。近幾十年來出現(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。

炭素材料是指從無定形炭到石墨結(jié)晶的一系列過渡態(tài)炭。主要炭素制品有：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；用作高溫結(jié)構(gòu)材料和燒蝕材料的炭纖維及其復(fù)合材料以及用于化工和環(huán)保的各種炭質(zhì)吸附劑等。

煤的炭素制品

炭素材料作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料廣泛用于

8.1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)碳原子的鍵長為0.14211nm，層面間為范德華鍵，層間距為0.33538nm。石墨晶體大部分呈六方體，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)。8.1炭素材料的結(jié)構(gòu)與性能石墨是由六角形碳網(wǎng)

炭素材料的主要特性：⑴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℃,12MPa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。炭素材料的主要特性：

炭素材料的優(yōu)異的熱性質(zhì)使它在火箭的噴嘴、燃燒室以及鼻錐上發(fā)揮獨(dú)特的作用。⑵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5×10-5Ωcm。炭素材料的優(yōu)異的熱性質(zhì)使它在火箭的噴嘴、燃燒室⑶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)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氟酸和磷酸的幾種材料之一。⑶良好的化學(xué)穩(wěn)定性⑷機(jī)械性能炭素材料的強(qiáng)度特性是溫度越高強(qiáng)度越好,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。良好的耐磨性和自潤滑性使它成了電刷、高溫軸承、機(jī)械密封的重要材料。⑷機(jī)械性能⑸核物理性能碳原子核散射中子的截面為俘獲中子截面的1270倍,石墨的減速比為201,僅次于重水,但成本比重水低得多,所以高純石墨是原子反應(yīng)堆的減速材料。⑹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)成的,為多孔性物質(zhì)。經(jīng)過適當(dāng)處理,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。

⑸核物理性能8.2生產(chǎn)原理和工藝過程

以有機(jī)物為原料制成各種炭素材料必須經(jīng)過炭化過程。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)過石墨化過程生成石墨結(jié)晶。整個(gè)變化過程如圖6-4-05所示。8.2生產(chǎn)原理和工藝過程

以有機(jī)物為原料制成各《煤化工工藝學(xué)》——煤炭素制品課件要獲得石墨結(jié)晶,有機(jī)物必須經(jīng)過液相炭化過程,使碳原子排列呈現(xiàn)三維有序化。這一過程中，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。要獲得石墨結(jié)晶,有機(jī)物必須經(jīng)過液相炭化過程,使瀝青、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,小球不斷長大、相互融并成廣域的中間相。中間相經(jīng)過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。瀝青、煤焦油等液相炭化時(shí),大于350℃，各組為了實(shí)現(xiàn)中間相轉(zhuǎn)化的整個(gè)過程,要求炭化條件十分緩和,使液相處于無干擾、無溫度梯度的條件下。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℃/分為宜。為了實(shí)現(xiàn)中間相轉(zhuǎn)化的整個(gè)過程,要求炭化條件十

石墨化是炭素材料經(jīng)過2000℃以上高溫處理的過程,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程

炭和石墨制品的工藝過程如圖6-4-06所示,主要包括以下工序。石墨化是炭素材料經(jīng)過2000℃以上高溫處理的過程,使炭的亂《煤化工工藝學(xué)》——煤炭素制品課件①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。①原料及原料的煅燒基本原料包括骨(架)料和粘結(jié)劑。骨料

②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,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。對純度要求不高的產(chǎn)品,可以選用冶金焦、無煙煤為骨料。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。③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。②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④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。⑤石墨化焙燒后的制品中,碳原子主要為兩維有序排列,屬于亂層結(jié)構(gòu),只有通過2000-3000℃高溫處理,才能成為三維有序的石墨晶體。④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⑵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。⑵炭素纖維不論何種炭纖維，基本的生產(chǎn)工藝相似，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。不論何種炭纖維，基本的生產(chǎn)工藝相似，它包括原料的制備或調(diào)制；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230℃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。為了防止過度牽伸造成裂紋和空隙，常用多段牽伸法。預(yù)氧化的目的是防止原絲炭化時(shí)熔融。常用空氣氧化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℃。炭化需在高純度惰性氣氛下進(jìn)行，溫度為1000-

②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。②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8.3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8.3活性炭活性炭活性炭是由無定形炭構(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，最基本的要求是具有良好的吸附性能和較高的機(jī)械強(qiáng)度?；钚蕴吭缙谝阅举|(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?；钚蕴渴怯蔁o定形炭構(gòu)成的黑色多孔性固體，具有極高

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)的一類微晶質(zhì)碳素材料?；钚蕴坎牧现杏写罅咳庋劭床灰姷奈⒖??；钚蕴恐鞒煞殖颂荚匾酝膺€有氧、氮、氫等元素及灰份。

活性炭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)

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，造成了活性碳多微孔體積及高表面積的特性?；钚蕴康目捉Y(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，形狀各異，孔隙大小從不到1nm直至1萬nm以上，按其孔隙大小可分為大孔、過渡孔，微孔，其大小范圍如下：

活性炭的結(jié)構(gòu)活性炭在結(jié)構(gòu)上由于碳是不規(guī)則排列，在交叉連接之間有大孔：半徑為100-2000nm，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。

過渡孔：半徑為2-100nm，過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)。大孔：半徑為100-2000nm，主要是能使被吸過渡孔：半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熱解作用被轉(zhuǎn)換成活性炭。按原料來源分

?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炭的主要原料幾乎可以是所有富含碳的有機(jī)材按制造方法分:

?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?；钚蕴縪

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

按制造方法分:?化學(xué)法活性炭（化學(xué)藥品活活性碳的用途?空氣凈化：能吸附過濾空氣中的惡臭、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、香煙過濾嘴等；

活性碳的用途?空氣凈化：能吸附過濾空氣中的惡臭、體臭、?溶劑回收：對苯類、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。?溶劑回收：對苯類、酮類、酯類、石油類均能《煤化工工藝學(xué)》——煤炭素制品課件

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。炭化料具有一定的強(qiáng)度和揮發(fā)分含量?；罨腔钚蕴康年P(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磻?yīng)的實(shí)質(zhì)是通過碳的氧化反應(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；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；炭化料的性狀和粒度等

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)8.4炭分子篩8.4.1炭分子篩（CMS）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

炭分子篩（CMS）作為一種新型吸附劑。自60年代末實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以來，得到迅速發(fā)展。炭分子篩是一種孔徑分布比較均一，含有4-5A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。CMS與傳統(tǒng)的吸附劑相比，主要區(qū)別在于其孔隙結(jié)構(gòu)：CMS主要由微孔及少量大孔組成，孔徑分布較窄，約在0.5～l.0nm，而普通活性炭（AC）除微孔外，還有大量的中孔和大孔．平均孔徑高達(dá)2nm。CMS的孔為狹縫形，而沸石分子篩（ZMS）的孔力墨水瓶形，孔口截面一般呈不規(guī)則的橢圓形。8.4炭分子篩8.4.1炭分子篩（CMS）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

8.4.2炭分子篩（CMS）應(yīng)用目前，國際上生產(chǎn)商品CMS的公司主要有德國BF公司、日本Takeda公司以及美國Calgop炭化公司。CMS主要用于吸附分離領(lǐng)域，它已成熟地應(yīng)用于變壓吸附分離空氣中的N2和O2。以CMS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；已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。此外，CMS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氫，分離礦井氣中的甲烷和CO2，以及從燃燒煙氣中回收高純度CO2等。8.4.2炭分子篩（CMS）應(yīng)用8.4.3CMS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炭，它是由結(jié)晶炭和無定形炭構(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，因此它是一種非極性吸附劑，具有疏水性，能選擇性地吸附非極性化合物。ZMS是由硅鋁酸鹽（Si-O-Al）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)的化合物和分子。所以能作為脫水劑或干燥劑，通過吸附除去典型極性化合物——水。借助變壓吸附裝置（PSA），通過靜電相互作用利用ZMS選擇吸附空氣中具有中極子的兒從而可制造一定純度的O28.4.3CMS的特性及篩分分離原理CMCMS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0.5nm的ZSM—5型對大于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。CMS的另一特性是其細(xì)孔形狀。ZMS的細(xì)孔為墨8.4.4CMS的制備方法

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Saran樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂、聚糖醇、聚偏二氧乙烯、聚乙烯醇/酚醛樹脂等。（2）各種煤，包括泥炭、褐煤、煙煤、無煙煤等（3）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、煤超臨界萃取殘?jiān)?。上述各種原料中，煤因原料來源廣、價(jià)格低、制備工藝簡單而占據(jù)首要地位。8.4.4CMS的制備方法制備炭分子篩的原料可分為如下炭分子篩的生產(chǎn)工藝和活性炭相似，關(guān)鍵在于孔徑的調(diào)整。當(dāng)孔徑過小時(shí)，用氣體活化法擴(kuò)孔；當(dāng)孔徑過大時(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，包括氣相附著法和浸漬覆蓋法。炭分子篩的生產(chǎn)工藝和活性炭相似，關(guān)鍵在于孔徑CMS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。2）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。3）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。4）沉積法：在含苯之類的烴類氣體中．熱處理活性炭，通過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1000℃以上高溫?zé)崽幚?，通過熱收縮，縮小孔徑。CMS的制法大致可分成五類：煤炭基分子篩制備工藝我國炭分子篩工業(yè)生產(chǎn)起步階段具有代表性的工藝路線有兩個(gè)；以無煙煤為原料；煤——粉碎——加粘結(jié)劑造球成型——干燥——炭化——?dú)怏w活化——?dú)怏w堵孔劑碳沉積——炭分子篩；以弱粘接性煙煤為原料：煤——粉碎——加粘結(jié)劑造球成型——干燥——炭化——?dú)怏w堵孔劑碳沉積——炭分子篩。煤炭基分子篩制備工藝我國炭分子篩工業(yè)生產(chǎn)起步階8.5碳纖維——定義：碳纖維是指纖維的化學(xué)組成中碳元素占總質(zhì)量90%以上的纖維。8.5碳纖維——定義：碳纖維是指纖維的化學(xué)組成中碳元素占總1)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)50年代?！?996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(PAN)基纖維占85%，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)工藝比較簡單，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，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。1)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)50年代碳纖維的分類，按習(xí)慣大致有以下三種方法：（1）按原料分類：碳纖維2)碳纖維的分類2)碳纖維的分類

（2）按制造條件和方法分類：

碳纖維（3）按力學(xué)性能分類：

碳纖維（2）按制造條件和方法分類：

3、碳纖維的性能

（十項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)；三項(xiàng)缺點(diǎn)）3、碳纖維的性能（1）在纖維軸方向顯示高抗拉強(qiáng)度和高彈性模量強(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)度的碳纖維的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到30~40噸/平方厘米，要比鋼鐵大四倍多。（1）在纖維軸方向顯示高抗拉強(qiáng)度和高彈性模量（2）比重輕——1.7~2.2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1/2，還不到鋼鐵的1/4。如按它的抗拉強(qiáng)度比鋼鐵大4倍，比鋁合金大6倍計(jì)算，碳纖維的比強(qiáng)度比鋼鐵大16倍，比鋁合金大12倍。由于碳纖維的比強(qiáng)度和比彈性模量特別高，所以對于那些要求全面減輕自重的物體，如宇航用品、交通用品、體育比賽用品就有更大的意義。（2）比重輕——1.7~2.2（3）纖度細(xì)碳纖維的外表很平凡，粗看起來象人的頭發(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人的頭發(fā)一樣粗細(xì)。碳纖維細(xì)度可為0.05Tex。（3）纖度細(xì)（4）不生銹、耐腐蝕碳纖維不生銹，耐腐蝕。除了濃度大于75%的硝酸和硫酸外，鹽酸、硝酸、硫酸和一些有機(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、硫酸和磷酸中沒有明顯的