Краткий обзор асфальта средней фазы

Thread Content

Последнее изменение в этом посте было сделано пользователем Молодость и нежность 9 апреля 2018 года в 08:04. Углеродные волокна на основе асфальта делятся по своим характеристикам на углеродные волокна общего назначения и углеродные волокна высоких характеристик. Асфальтовые углеродные волокна общего назначения из-за их низкой прочности и модуля упругости в основном используются в качестве изоляционных материалов. Высокопроизводительные углеродные волокна на основе асфальта обладают высоким модулем упругости, прочностью, теплопроводностью, стойкостью к высоким температурам и коррозии — это отличные характеристики, делающие их незаменимыми строительными материалами в авиакосмической промышленности. Высокопроизводительные углеродные волокна на основе асфальта представляют собой специальные волокна, получаемые путем обработки мезофазного асфальта с помощью таких процедур, как плавленое прядение, предварительное окисление, карбонизация и графитизация. В процессе производства углеродных волокон дефекты часто остаются наследуемыми, поэтому качество мезофазного асфальта в наибольшей степени определяет характеристики готовых углеродных волокон. 1. Что такое асфальт с промежуточной фазой: С 60-х годов прошлого века, когда при жидкостной карбонизации асфальтоподобных веществ были обнаружены анизотропные шарики, было проведено множество исследований процесса жидкостной карбонизации асфальта. Исследования показали, что при переходе асфальтоподобных веществ в состояние твердого полусульфида существует промежуточное состояние. В этом состоянии асфальт обладает анизотропией; поэтому, заимствуя термины из науки о легкокристаллических веществах, асфальт в этом состоянии называют асфальтом промежуточной фазы. Битум с промежуточной фазой обладает большим количеством источников поставки, низкой стоимостью и отличными характеристиками; поэтому он служит основой для производства многих высококачественных углеродных материалов. Помимо производства углеродных волокон на основе битума с промежуточной фазой, его можно использовать также для создания углеродных микросфер этой же фазы, а также пенопластов на основе битума. Среди всех этих продуктов углеродные волокна на основе битума с промежуточной фазой являются наиболее перспективным материалом для использования в качестве высокопроизводительных конструкционных материалов. 2. Приготовление асфальта с промежуточной фазой. Асфальт с промежуточной фазой получают путем термического поликонденсационного реакционного процесса из таких исходных материалов, как обычный асфальт, тяжелое масло, каменноугольный деготь или чистые ароматические соединения. По сравнению с обычным асфальтом у него более высокая молекулярная масса (от нескольких сотен до нескольких тысяч), большое соотношение C/H, а температура плавления обычно находится в диапазоне от 230 до 300 градусов. Для применения в процессе прядения среднемолекулярного асфальта необходимо, чтобы при температуре плавления его вязкость раствора была низкой. Кроме того, важно обеспечить стабильность его внутренней структуры (отсутствие разложения на длительное время), что способствует дальнейшей переработке среднемолекулярного асфальта. 2.1 Использование нефтяного асфальта в качестве сырья. Нефтяной асфальт имеет обильные запасы и низкую стоимость; в настоящее время он в основном используется при строительстве дорог и в качестве водонепроницаемых материалов. Исследования показывают, что нефтяной асфальт содержит большое количество олефинов с листовидной структурой высокой молекулярной массы, высоким уровнем ароматизации и термостабильности. Эти олефины в результате простых процессов циклизации и поликонденсации способны образовывать листовидные структурные единицы молекул промежуточного асфальта. Однако нефтяной асфальт также содержит множество молекул с низкой молекулярной массой и низким уровнем ароматичности. Поэтому процесс получения асфальта с промежуточной фазой представляет собой процедуру удаления этих мелких молекул, одновременно с этим происходит дальнейшее поликонденсирование крупных молекул с образованием ещё более крупных и стабильных листовидных молекул. Самый прямой метод — это промывка высокотемпературным азотом; например, нефтяной асфальт промывают азотом при температуре 400°C в течение 8–10 часов. Этот метод позволяет эффективно удалять низкомолекулярные вещества из нефтяного асфальта, а также способствует дегидрогенной полимеризации макромолекул. Благодаря этому можно получить асфальт с отличными свойствами. Однако при использовании этого метода выход асфальта средней фазы остается низким. Если провести обработку под давлением и при высокой температуре, а затем осуществить промывку, это позволит значительно повысить выход среднетельной смолы. Помимо метода прямой промывки, многие также используют метод экстракции растворителями для удаления легких компонентов из асфальта. Например, нефтяной асфальт экстрагируют с помощью растворителей таких как бензин, толуол, хинолин, после чего нерастворимую часть подвергают термической обработке для получения асфальта с промежуточной фазой. С помощью этого метода получается асфальт с высоким содержанием промежуточной фазы, однако органические растворители, оставшиеся в асфальте, негативно влияют на последующее прядение. 2.2 ? ? Битум на основе каменноугольного катрана. Каменноугольный катран является одним из важных продуктов коксохимической промышленности. Подход к получению асфальта с промежуточной фазой с использованием каменноугольного дегтя схож с подходом при получении асфальта с промежуточной фазой из нефтяного асфальта; главное — удалять легкие компоненты и оставлять тяжелые. В отличие от нефтяного асфальта, молекулы асфальта каменноугольного дегтя содержат меньше водорода; поэтому при его обработке часто необходимо добавлять источник водорода (например, нафтален). Это позволяет регулировать активность каменноугольного дегтевого асфальта, а также повышать температуру плавления асфальта с промежуточной фазой. Серия «DIALEAD» японской компании Mitsubishi Chemical — это углеродные волокна на основе асфальтового битума высоких характеристик, произведенные из этого сырья. 2.3 Используя чистые ароматические углеводороды в качестве сырья, с помощью термической обработки и каталитических методов можно получить высокопроизводительный промежуточный асфальт. Наиболее часто используемыми чистыми ароматическими углеводородами являются нафтален, метанафтален, антрацен, фенилен и т. д. В качестве катализаторов обычно используются HF/BF3, AlCl3. Методом получения среднемолекулярного асфальта имеется узкая диапазонная распределение молекул веса, высокий выход продукта и хорошая воспроизводимость экспериментов. Однако катализаторы зачастую трудно полностью удалить из асфальта, что в определенной степени сказывается на возможности переработки среднемолекулярного асфальта. 3. Простая характеристика асфальта с промежуточной фазой ??? Для определения того, подходит ли асфальт с промежуточной фазой для дальнейшей переработки, до начала формальных экспериментов можно провести его краткую оценку по свойствам. 3.1 Метод наблюдения под поляризационным микроскопом. Поскольку средняя фаза асфальта обладает анизотропией, её можно непосредственно наблюдать с помощью поляризационного микроскопа. На основе размера однотонных областей в поле зрения и степени их упорядоченности можно оценить свойства асфальта средней фазы; этот метод является наиболее экономичным и практичным способом его характеристики. Асфальт средней фазы, у которого области одинакового цвета имеют небольшие размеры, а структура потоковых линий хаотична, характеризуется плохой организацией внутренних слоев. Поэтому его трудно расплавить для прядения, в связи с чем создание высокопроизводительных углеродных волокон становится затруднительным. Напротив, если площадь однотонных областей в структуре среднего фаза велика и упорядоченность высока, то перерабатываемость такого асфальта средней фазы лучше. На рисунке ниже для среднейфазного асфальта, используемого в процессе прядения, левый вариант явно превосходит правый. Кроме того, это самый простой способ оценки содержания средней фазы в асфальте. В качестве показателя содержания средней фазы может использоваться отношение объема оптически анизотропного асфальта к общему объему асфальта. Этот метод проще и более точен по сравнению с растворительным методом (где содержание нерастворимых в хинолине веществ служит показателем содержания промежуточной фазы). 3.2 Точка смягчения. Точка смягчения является одним из важнейших технических показателей, характеризующих битум с промежуточной фазой. Точка плавления слишком низкая, молекулярная структура нестабильна, что затрудняет прядение и последующую термообработку. Точка плавления слишком высока, что приводит к «перегоранию» асфальта; движение асфальта ограничивается, что также мешает процессу прядения. Точка плавления среднетвердого асфальта, используемого для прядения, обычно контролируется в диапазоне от 230 до 300°C. Это имеет огромное значение как для последующей прядения, так и для предварительной окисления. 3.3 Содержание нерастворимых веществ различных типов. В асфальте присутствует множество ароматических полимеров с разным количеством кольцевых структур; к тому же существует огромное количество изомеров. Поэтому попытка отдельно выделить каждое соединение является нереалистичной. При исследовании асфальта обычно используют различные растворители (циклохексан, толуол, **фуран, хинолин и т. д.) для поэтапного растворения и извлечения компонентов асфальта. Затем связь между этими компонентами и общими свойствами асфальта изучается, а также рассматривается влияние этих компонентов на процесс производства углеродных изделий и их качество, что позволяет выявить определенные закономерности. Например, содержание нерастворимых в хинолине веществ в среднемофазном асфальте, используемом для прядения, не должно превышать 30%, в противном случае качество прядения будет очень плохим. 4. Другие применения смолы средней фазы Помимо использования в производстве углеродных волокон на основе высокопроизводительной смолы, смола средней фазы имеет ещё множество других применений: 4.1 Использование смолы средней фазы в качестве связующего вещества. Смола средней фазы обладает хорошими свойствами для синтеза материалов путем спекания; её можно использовать напрямую в качестве связующего вещества, без необходимости добавления других компонентов. Это позволяет упростить такие процессы, как смешивание, замачивание и обжиг при изготовлении графитовых изделий. Асфальт с промежуточной фазой обладает такими преимуществами, как высокий уровень остаточного углерода, высокая плотность и способность к графитизации. При этом по сравнению с аналогичными продуктами, полученными из обычного асфальта, он характеризуется более высокой прочностью, плотностью, а также электропроводностью и теплопроводностью. 4.2 Использование асфальта с промежуточной фазой для получения пенопластического угля. Пенопластический уголь на основе асфальта с промежуточной фазой представляет собой новый вид пористого материала, получаемого путем взбухания асфальта с промежуточной фазой. Благодаря низкой плотности, открытой пористой структуре, выдающимся механическим свойствам, хорошей термостабильности, а также возможности регулировки электропроводности и теплопроводности, этот углеродный материал может находить применение в соплах ракетных двигателей, в устройствах для защиты ракет от ударов и снижения уровня шума при запуске, в компонентах двигателей, в огнестойких дверях и окнах самолетов и кораблей, в высокоэффективных системах теплопередачи, а также в качестве электродов для хранения энергии и носителей катализаторов. 4.3 ? ? Электродные материалы на основе асфальтов фазового перехода. Углеродные материалы являются важными компонентами для изготовления различных батарей. Асфальт с промежуточной фазой, являясь углеродным материалом, способным к графитизации, после обработки при высоких температурах способствует преобразованию в кристаллическую структуру графита с правильно упорядоченной трехмерной структурой. Благодаря низкой энергии включения ионов лития в такую структуру, она способствует их глубокому включению, что повышает рекурсивную ёмкость. Этот материал может использоваться для изготовления электродных материалов. После поверхностной модификации смолы с промежуточной фазой она используется в качестве материала для ионно-линейных электродов; в результате получаются угольные электроды с высокой емкостью при зарядке/разрядке и хорошими характеристиками при многократных циклах ； Использование нефтяного среднемолекулярного асфальта, обработанного карбонизацией и графитизацией, в качестве материала для отрицательной электродной пластины литиево-ионных аккумуляторов позволяет не только сократить сложность процесса изготовления материала и снизить затраты, но также обеспечивает высокую удельную емкость продукта. Его характеристики могут соперничать с характеристиками коммерциализированных углеродных микросфер среднемолекулярного размера. 4.4 ? ? Композиты на основе углерода с промежуточнофазной асфальтовой смолой/углерод Композиты на основе углерода с промежуточнофазной асфальтовой смолой обладают такими преимуществами, как высокий процент остаточного углерода, высокая плотность и легкость графитизации; поэтому они являются идеальным сырьем для производства композитов на основе углерода/углерода. Композиты на основе смолы мезофазного асфальта/углерода обычно получают путем циклического процесса иммерсии и карбонизации, и находят широкое применение в различных областях. Это связано с тем, что у них есть множество превосходных свойств: низкая объемная плотность, высокая механическая прочность, хорошие теплопроводные свойства, низкий коэффициент теплового расширения, а также отличная стойкость к трению в инертной атмосфере. 4.5 ? ? Сепарация с помощью выбора растворителя: из смолы средней фазы можно получить микросферы углерода средней фазы (MCMB). Благодаря своей высокой реакционной способности, микросферы углерода с промежуточной фазой могут активироваться в довольно широких условиях. У них высокая плотность упаковки, они легко графитизируются, обладают хорошей термостабильностью, а также превосходными электропроводными и теплопроводными свойствами. Поэтому микросферы углерода с промежуточной фазой являются отличными предшественниками для получения высокопроизводительных углеродных материалов. Активированный уголь, полученный на основе углеродных микросфер, обладает чрезвычайно высокой площадью поверхности и активностью; его площадь поверхности значительно превышает показатели активированного угля в виде волокон и сферического активированного угля на основе асфальта. Изменяя условия производства, можно получить активированный уголь в виде микросфер средней фазы с разным объемом пор и размером частиц; его можно использовать в качестве молекулярного сита для разделения различных газов. Использование углеродных материалов в качестве электродов для литиевых батарей стало одной из актуальных тем в исследованиях углеродных материалов. Исследования различных углеродных материалов показали, что обработанные микросферы углерода с промежуточной структурой являются наилучшим выбором в качестве материала для электродов. 5. Заключение. По мере развития технологий растет спрос на новые углеродные материалы. Углеродные материалы стали широко используемыми материалами огромного количества видов; от повседневной жизни до высокотехнологичной авиастроительной промышленности они играют ключевую роль. Углеродные материалы, основанные на мезофазном асфальте, также играют важную роль во всех этих областях.