新型炭材料的研究与应用论文

期刊名称:《新型炭材料》，2000年第1期 文章题名：“从煤焦油研制耐热性沥青树脂” 作者：魏兴海,查庆芳,陈荣耀,王红艳,崔桂忱,卫有存 摘要：煤焦油同交联剂苯甲醛在以对甲苯磺酸为催化剂作用下 ,按质子催化阳离子型缩聚反应机理 ,生成具有三芳基甲烷型结构特征 B阶沥青树脂。硬化后得到的 C阶树脂具有优异的耐热性能 ,可与合成树脂中最耐热的聚酰亚胺树脂相媲美 ,且成本低廉 ,并在高温耐热方面优于聚酰亚胺树脂 ,是一种有发展前景的耐高温廉价沥青树脂。 【作者单位】：中国科学院山西煤炭化学研究所!山西太原030001(魏兴海;查庆芳;陈荣耀;王红艳);太原煤炭气化集团有限公司!山西太原030024(崔桂忱;卫有存) 【关键词】：煤焦油;耐热性;沥青树脂 【基金】：中科院山西煤化所与太原煤炭化集团有限公司合作项目 【分类号】： 【DOI】：cnki:SCN: 【正文快照】： 原料煤焦油是焦化厂的大宗副产物 ,其中沥青占一半以上 ,其它各组分的含量均很低 ,含量在 1 %以上的仅 1 3种 [1 ] ,对各个纯组分的精制分离需复杂的工艺路线 ,并且成本高昂。本工作试图利用煤焦油本身的化学反应性 ,通过外加合适的交联剂和催化剂 ,开辟出一条直接利用煤焦油的新的途径——煤焦油沥青树脂的制备。沥青树脂是一种缩合多环多核芳香族化合物树脂 ,因缩合程度的不同 ,分为 A、B、C三阶 ,A阶室温下为粘稠液体 ;B阶为脆性固体 ,易溶于有机溶剂 ,加热可融 ,是一种热塑性树脂 ;B阶树脂进一步缩聚即 C阶树脂 ,成为一种热固性树脂… 全文内容可在cnki、VIP等上下载，或与期刊编辑部联系索要。另有一篇网上报道，可参考：题目：沥青树脂的研究开发；关键词：沥青树脂 石油 热固性树脂 渣油利用 合成 所属年份：2003成果类型：应用技术所处阶段：成果体现形式：知识产权形式：项目合作方式：成果完成单位：石油大学（华东）重质油研究所成果摘要：沥青树脂的研制是炭素技术研究与石油重油加工技术研究相结合的多学科的技术开发。沥青树脂是以FCC油浆、石油渣油等富含芳烃物质为原料，在催化剂作用下，由交联剂分子复杂的连接起来而构成的以多环多核芳香烃分子为基本结构单元的大分子物质。沥青树脂是新型的、具有多种用途的热固型、功能性材料。它在炭素材料、耐热性树脂材料、抗摩擦材料、密封材料、高分子磁性材料以及航空、航天材料等领域都有广泛的用途。80年代末日本的大谷衫郎教授为解决沥青纤维加热时容易熔化的问题，开始探索用容易控制的化学过程来代替不容易控制的热反应，着手开展了沥青树脂的开发工作。沥青树脂的类似产品国外仅有日本生产的SK树脂，SK树脂价格昂贵，生产原料要求苛刻。国内对沥青树脂的研究尚处于起步阶段，仅有少数研究机构进行了实验室研究，而已报道的工作都以纯理论研究为主要内容，多数是以纯芳烃化合物为原料的沥青树脂的合成及性能研究。沥青树脂具有多种用途，生产成本低，工业生产原料丰富，性能优越，具有市场竞争力。沥青树脂在耐热性材料、炭素材料粘结剂、防腐涂料改质剂等方面都有广泛的应用，因此，极有必要开展以实际工业生产为目的的合成沥青树脂的开发。沥青树脂的基本分子结构单元是缩合多环多核芳香烃大分子。石油系原料含有大量的稠环芳烃，利用它们合成沥青树脂，原料充足，工艺灵活，具有行业优势。但直接利用石油系原料合成沥青树脂，反应复杂、影响因素多，产品性能不确定。所以，沥青树脂的开发需要深入、系统、细致的研究。通过对原料进行予处理、筛选适宜的交联剂、工艺过程优化等手段，可以制得所需特殊性能的沥青树脂产品，这正是沥青树脂研究开发的原因所在。总体思路以分子模拟科学为基础结合炭材料科学研究的新进展，通过反应途径设计、优化合成工艺条件，选用不同的原料研制出性能优良的沥青树脂产品，并进行后继工业应用的探索。拟从基础理论研究、实验研究技术以及工业实际应用等方面，加以突破。研究过程为以典型纯芳烃化合物为原料合成沥青树脂，探索反应步骤、机理，建立反应模型及理论。并在此研究基础上，探索利用FCC油浆、石油渣油为原料合成沥青树脂工业产品的可行性，对产品的性能进行测试，考察作为各种功能材料的应用效果等。技术方案如下：(1)以典型纯芳烃原料和交联剂、催化剂合成反应，探讨反应步骤、机理，确定工艺条件合成沥青树脂的原料组成复杂，其中除含有芳烃以外，还含有脂肪烃等不利合成反应的物质，且它们的分子结构各异，很难确定。因此，对反应的干扰因素多，直接考察合成沥青树脂的反应机理并不容易。需要先从简单、典型的分子结构的纯芳烃为原料的合成沥青树脂入手，对原料、中间产物及最终产物的分子结构进行剖析，确定简单芳烃合成沥青树脂的机理、反应模型等为下一步研究工作打下基础。采用的主要研究芳烃原料有萘、菲、蒽、芘等，主要考察分子中电子云密度、芳环位阻、分子量分布、组成均匀性等对合成反应和最终产物结构、性能的影响。(2)采用FCC油浆、石油渣油等合成沥青树脂产品在确定简单芳烃合成沥青树脂的机理后，考察实际工业原料合成沥青树脂成为首要研究任务，只有实现了利用实际工业原料合成工业产品，该工作才体现出实际意义。利用FCC油浆合成沥青树脂是此阶段工作的第一步，由于FCC油浆的组成与重质渣油相比，相对简单，且其中含有大量2-3环芳烃，化学反应性较高。因此，合成沥青树脂较容易。第二步工作是利用石油渣油合成沥青树脂。该阶段工作包括原料的筛选、预处理、工艺路线的确定以及合成工艺条件的优化等。(3)合成易石墨化的沥青树脂作为活性炭成型用粘结剂，探索最佳沥青树脂粘结剂的分子构型沥青树脂作为粘结剂是具有实际意义的研究工作，如在活性炭的成型中，需要特殊的粘结剂，而此类粘结剂开发国内并无报道。为满足粘结剂的要求，沥青树脂的分子结构需在合成工艺过程中，加以调整控制，使之将来在炭化过程中既要满足粘结成型的需要而又不会影响活性炭的质量。主要手段为对原料进行溶剂萃取，提高合成反应温度，使沥青树脂在具有良好的流变性、粘结性同时还具有高残炭率。(4)沥青树脂的耐热性研究沥青树脂的优异性能之一是其耐热性，......。

近期， 武汉 科技 大学“超分子材料与分子纳米器件团队”梁峰教授课题组 以合成化学作为基础和核心，积极拓展与相关学科和领域的交叉融合，在新材料精准化制备和应用研究方向取得进展，发表了多篇高水平研究论文。

利用金纳米颗粒的可塑性， 梁峰教授课题组可控制备了低钯含量的星状金钯双金属纳米颗粒 。通过对金钯双金属纳米星的中间产物的系列表征， 提出了金钯纳米星“两步法”的生长机理：即先形成单金属金纳米球，再以此为核心形成双金属金钯纳米星。 由于纳米颗粒中钯元素的加入，该纳米颗粒不仅能够高效催化对硝基苯酚（工业废料）还原为对氨基苯酚（工业原料），还能够有效催化Suzuki偶联反应， 实现催化剂的多功能化 。研究成果 “ Au-Pd nanostars with low Pd content : controllable preparation and remarkable performance in catalysis ”在《 The Journal of Physical Chemistry C 》杂志发表。化学与化工学院2017级博士研究生马涛是该论文的第一作者。

金钯双金属纳米颗粒的可控制备及多功能催化示意图

通过将石墨烯气凝胶引入掺杂有聚多巴胺纳米颗粒（PDA-NPs）的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）网络中，梁峰教授课题组与国家纳米科学中心韩东研究员课题组合作，制备出了一种多功能水凝胶 。除了增强的机械性能、良好的导电性能和自粘附性能， 制备得到的水凝胶还表现出近红外和温度双响应性能，可以根据需要释放药物；并且，在药物释放过程中，水凝胶的电阻也随之变化，因此可以利用电阻变化来实时监测药物的释放浓度。 这使得其在药物可控载释和精准医疗等领域具有潜在的应用价值。研究结果“ Temperature/Near-Infrared-Responsive Conductive Hydrogel for Controlled Drug Release and Real-Time Monitoring ” 在《 Nanoscale 》杂志发表。化学与化工学院2016级博士研究生朱玉亭是该论文的第一作者。

在以农药为主的农业化学品的实际应用中，促进药液喷雾在目标作物上的铺展和沉积对提高农药使用效率，降低对环境影响具有重要意义。柱芳烃(Pillar[n]arene)是一类新型大环超分子主体。与传统的大环结构相比，柱芳烃具有高度对称的刚性骨架结构和独特的富电子空腔并易于衍生化，在超分子化学领域表现出了重要的应用价值。 梁峰教授课题组与华中师范大学李海兵教授课题组合作 ， 利用柱芳烃与农药分子间的主-客相互作用成功实现了农药分子矮壮素液滴在疏水表面上的铺展和沉积，并表现出优异的选择性 。这一研究 探索 了超分子化学在农业领域的应用，并对实现农药的精细利用具有指导意义。研究结果“ Pillar[5]arene promoted selective spreading of chlormequat droplets on hydrophobic surface ”在《 Langmuir 》杂志发表。化学与化工学院2017级硕士研究生余胜是该论文的第一作者。

此外，该团队硕士研究生王娇（导师为陈荣生教授）和曾艳教授团队合作研究的论文“ Catalyst-free fabrication of one-dimensional N-doped carbon coated TiO2 nanotube arrays by template carbonization of polydopamine for high performance electrochemical sensors ”在《 Applied Surface Science 》杂志发表。博士后张雄志（合作导师为刘思敏教授）等的研究论文“ Host-guest interaction-mediated fabrication of hybrid microsphere-structured supramolecular hydrogel showing high mechanical strength ”在《 Soft Matter 》杂志发表。

上述论文的第一单位为武汉 科技 大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室。研究工作得到国家高层次人才计划、国家自然科学基金、湖北省楚天学者计划、湖北省高等学校优秀中青年 科技 创新团队项目、省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室、煤转化与新型炭材料湖北省重点实验室、武汉 科技 大学优秀博士论文培育项目的资助。

来源 武汉 科技 大学

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新型炭材料研究室隶属于清华大学材料科学与工程系是教育部先进材料实验室。研究室主要从事天然石墨（鳞片石墨，微晶石墨）的深加工技术，多孔炭材料的制备和表征，及其在储能、节能、环保、绿色制造等方面的应用研究。研究室主要有以下几个研究方向：①石墨工艺与天然石墨深加工技术；②环保材料与吸附过滤；③储能材料与高性能电池；④节能材料与绿色制造。

研究室自成立以来，先后承担过国家“八五”、“九五”、“十五”科技攻关计划项目，2 项国家“863”项目，10项国家自然科学基金项目，同时承担了多项与科研院所、企业公司合作的横向课题。在我国天然石墨资源的开发利用，深加工技术方面作出了贡献，先后完成了增强柔性石墨复合材料的开发、制备和中试线实验，膨胀石墨在吸附重油和治疗创伤方面的应用等课题。目前实验室方向主要集中在能源材料和环保材料两个研究领域。在储能材料领域中，主要研究天然石墨和合成炭材料在锂离子二次电池、燃料电池和超级电容器等方面的应用。在环保材料领域中，主要研究多孔石墨材料，多孔炭材料在水处理和室内空气净化方面的应用。

研究室主要研究工作包括：①石墨研究：低硫膨胀石墨、柔性石墨的制备，多孔石墨对黏稠类有机液体的超吸附行为和再生技术研究，膨胀石墨基隐身材料与机理研究，石墨基燃料电池双极板研制，天然微晶石墨和鳞片石墨用作锂离子二次电池阳极材料的开发，核石墨研究。②其他研究：锂离子电池正极材料研究，多孔炭材料的制备以及其对挥发性有机物和腐蚀性气体的吸附规律研究，天然多孔矿物与碳反应过程的基本物理化学问题，室内空气质量的评估与控制技术，超临界环境下炭材料纳米孔空间形成过程的研究，直接甲醇燃料电池研究，碳电极超级电容器研制，纳米碳管隐身材料研究，等等。

研究室经过十几年的技术储备，已经具有完整的膨胀石墨，柔性石墨制备工艺，多孔炭材料的制备技术和孔结构控制技术，具有制备膨胀石墨和柔性石墨的成套设备，普通活化、超临界活化装置，吸附系统与室内空气评价系统等。实验室现有教授3人，副教授3人，讲师1人，工程师1人。

研究室曾经获得了1993年国家发明三等奖（阳极氧化法制备可膨胀石墨技术），2006年中国建筑材料工业协会 中国硅酸盐学会技术发明一等奖（天然石墨的深加工技术及其应用研究）。实验室在天然石墨深加工技术及应用方面拥有14项国内外发明专利（已授权10项），其中包括2项美国发明专利（已授权），2项新型实用专利（已授权1项），7项省部级科技成果鉴定。利用这些具有自主知识产权的创新性技术，研究开发了优质可膨胀石墨材料、多孔石墨材料、柔性石墨双极板材料、锂离子电池石墨负极材料、高性能电池正极石墨导电材料及石墨电磁波吸收和屏蔽材料等六类新材料，其中一些新材料已经产业化，另一些具有良好的市场前景。项目成果具有显著的经济效益和社会效益，为我国石墨产业的现代化提供了技术基础。在国际杂志上发表论文20篇，中文期刊上发表论文60篇。

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