碳微球概述

　　中間相碳微球(Mesocarbon Microbeads ,簡(jiǎn)稱為MCMB)發(fā)現(xiàn)于1961年,是隨著中間相的發(fā)現(xiàn)、研究而發(fā)展起來(lái)的一種新型的碳材料。它是由瀝青類化合物熱處理時(shí)發(fā)生熱縮聚反應(yīng)而生成的具有各向異性的微米級(jí)球形碳材料，因其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特性，而被廣泛用于鋰離子二次電池負(fù)極材料、高密高強(qiáng)C/C復(fù)合材料、高性能液相色譜柱填料、高比表面活性炭材料等領(lǐng)域。特別是20世紀(jì)90年代研制出以MCMB為負(fù)極材料的鋰離子二次電池，大大地推動(dòng)了MCMB的工業(yè)化應(yīng)用，MCMB已成為一種具有良好應(yīng)用前景和開(kāi)發(fā)潛力的碳材料。

　　碳微球示意圖

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　　碳微球的制備

　　原料——煤瀝青、煤焦油、石油渣油瀝青，合成樹脂、合成瀝青等(熱縮聚后能生成大量高分子量的多環(huán)芳烴化合物;具有較好的流動(dòng)性，使多環(huán)芳烴化合物能比較規(guī)整地定向排列。)

　　改性劑——如石蠟、四羥基化合物、苯醌等。使原料體系既含有具有高度反應(yīng)性的稠環(huán)芳烴組分，又有一定數(shù)量的烷烴鏈，從而改善其相容性，并使熱縮聚過(guò)程中物料流動(dòng)性好，促進(jìn)中間相生成。

　　添加劑——促進(jìn)中間相小球生成，阻止其融并.如：炭黑

　　制備工藝

　　中間相碳微球的制備方法主要有熱縮聚法、乳化法、懸浮法以及其他制備方法。熱縮聚法制備中間相碳微球即熱處理稠環(huán)芳烴化合物縮聚產(chǎn)生中間相小球體，而形成的小球體分散在反應(yīng)體系的母液中，最終采用合適的方法從母液中分離出來(lái)。乳化法制備中間相碳微球，首先要熱處理稠環(huán)芳烴化合物得到球狀中間相，然后把中間相乳化成中間相小球體。懸浮法制備中間相碳微球的具體方法是把中間相瀝青溶于有機(jī)溶劑中，利用表面活性劑與水或其他溶劑組成懸浮液，在一定溫度下強(qiáng)力攪拌，使中間相瀝青成球，然后加熱除去有機(jī)溶劑，冷卻、濾析、預(yù)氧化、炭化后得到中間相碳微球。

　　1.直接熱縮聚法工藝流程圖

　　2、乳化法工藝流程圖

　　3、懸浮法工藝流程圖

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　　碳微球的應(yīng)用

　　因?yàn)橹虚g相炭微球不但具有層片分子平行堆砌的結(jié)構(gòu)，而且兼有球形的特點(diǎn)，分布均勻并且球徑小，所以大量新型碳材料已先用中間相炭微球作為基礎(chǔ)的材料，如高密度各向同性炭—石墨材料、鋰離子二次電池的電極材料、高效液相色譜柱的填充材料、高比表面活性炭微球等。

　　1、制備高密度各向同性炭—石墨材料

　　由炭—石墨材料制成的各種物品，對(duì)于結(jié)構(gòu)材料或是導(dǎo)電材料，它都必須有非常高的強(qiáng)度，這樣才能在受壓、彎曲、碰撞過(guò)程中承受的住。在大量的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，事實(shí)證明平行于擠壓或模壓方向的力學(xué)性能和電性能要好于另一方向，由此對(duì)這種特點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。

　　但是對(duì)于在一些特殊的領(lǐng)域中，要求材料的各向異性程度要小，即從材料的各個(gè)方向檢測(cè)，性能指標(biāo)的差別要非常小。在核反應(yīng)堆中，對(duì)材料的要求特別高，石墨的抗壓強(qiáng)度必須達(dá)到750×98MPa 以上，體積密度1.819kg/cm3以上，而且石墨顆粒必須盡可能的各向同性。各種氣體壓縮機(jī)大量被使用在化工生產(chǎn)中，要求被壓縮氣體不被污染或者在一起不會(huì)起化學(xué)反應(yīng)，從而可以使?jié)櫥偷玫奖M可能少的使用甚至避免使用，在這些場(chǎng)合，石墨耐磨損材料便可以得到充分使用，盡顯其本職性能，但對(duì)石墨材料的性能要求也很高。

　　2、制備高比表面微孔炭

　　高比表面積微孔炭在制備一些高性能材料具有非常重大的意義，它是由納米孔、表面、不規(guī)則結(jié)構(gòu)和超微粒子組合的。微孔炭的基本結(jié)構(gòu)單元為超微粒子，它是類石墨經(jīng)過(guò)微晶過(guò)程而形成的一次和高次粒子。微孔炭富含表面官能團(tuán)或雜環(huán)是由于在制備微孔炭的過(guò)程中，它的原料及一些特點(diǎn)影響形成的。超微粒子以多種方式在一起結(jié)合構(gòu)成豐富的納米空間，使其具備非常大的比表面積的原因是它的大小與超微粒子屬同數(shù)量級(jí)。

　　上述這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)均使微孔炭具有很大的表面能，這些表面能能夠使孔壁分子與微孔一起相互作用而形成極大的分子場(chǎng)，不僅在吸附過(guò)程中，這樣強(qiáng)大的分子場(chǎng)能夠決定微孔的充填，另一方面極其重要的是，這樣的分子場(chǎng)能夠賦予本體狀態(tài)和吸附分子截然不一樣的物理化學(xué)性質(zhì)，因此，它的存在為進(jìn)行下一步的物理與化學(xué)變化的標(biāo)準(zhǔn)高壓體系提供了一個(gè)吸附態(tài)分子，而且通過(guò)改變一些參數(shù)，將這樣的分子場(chǎng)進(jìn)行修飾后，一個(gè)與原表面完全不同的新型分子場(chǎng)便得以形成。上述所有這些都是微孔炭在一些特殊領(lǐng)域的奇妙用途。

　　3、高性能電池的電極材料

　　中間相碳微球本身就是球狀結(jié)構(gòu)，而由于其良好的堆積密度，且單位體積嵌鋰容量比較大。而且小球具有片層狀結(jié)構(gòu)，有利于鋰離子的嵌入和脫嵌。另一方面，中間相碳微球較小的外比表面積使得在充放電過(guò)程中邊界反應(yīng)少。因而中間相碳微球用來(lái)制備高性能電池的電極材料是最佳的選擇。

　　石墨化程度高的MCMB用于鋰離子二次電池具有很好的特性，如經(jīng)2800℃熱處理的中間相碳微球做負(fù)極材料制作的電池具有500mA·h 的容量，可低于1h快速放電。用中間相碳微球作電極制成的鋰離子二次電池工作電壓高達(dá)3.6V，為普通電池的3倍，并且循環(huán)壽命好(500～1000次)，可以在-20～60℃溫度范圍內(nèi)使用。此外，這種電池還具有質(zhì)量輕、無(wú)污染、比能量大(120W·h/kg)、安全可靠、無(wú)記憶性等優(yōu)點(diǎn)，很有可能向二次電池市場(chǎng)發(fā)起沖擊，最終占據(jù)Cd/Ni 電池的傳統(tǒng)第4C(Cordless tools)市場(chǎng)。

　　4、高效液相色譜填充劑

　　中間相碳微球的另一個(gè)重要用途是作為高效液相色譜柱的填充材料。作為液相色譜的填充劑要求：a,耐高溫(150-250℃);耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿溶液;b，膨脹系數(shù)小;c，耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿溶液;d，化學(xué)惰性;e，分離能力不變。

　　5、碳微球研究現(xiàn)狀

　　從碳源、制備工藝、產(chǎn)量、碳微球的形貌與結(jié)構(gòu)以及潛在的應(yīng)用前景等諸多方面綜合考慮，溶劑熱法是制備碳微球的有效方法，有可能成為未來(lái)制備碳微球的主要方法。然而，碳微球的結(jié)構(gòu)又決定了其性質(zhì)和應(yīng)用，因此，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，通過(guò)設(shè)計(jì)碳微球的結(jié)構(gòu)來(lái)改變其性質(zhì)，是碳微球制備研究領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向。

　　另外，碳微球的應(yīng)用將會(huì)成為今后的研究重點(diǎn)，碳微球結(jié)構(gòu)和性能的多樣性使其在眾多相關(guān)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用尚未開(kāi)發(fā)。如以磁性金屬為核，碳微球?yàn)闅さ暮藲そY(jié)構(gòu)的碳微球，既有金屬的磁性作用，又有碳微球的載體作用，在其表面負(fù)載上藥物球比表面積大、穩(wěn)定性好以及表面可以滲透，也有望在醫(yī)藥生物等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用;除此之外，空心結(jié)構(gòu)的碳微球密度低，電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率低，耐磨損和耐燒蝕，這些性能決定其在航空航天領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而，縱觀碳微球的應(yīng)用，雖然多種應(yīng)用已實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化，但欲使多的應(yīng)用走出實(shí)驗(yàn)室，仍然需要不懈的努力。

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