新型碳材料

新型碳材料报告人：李玉峰现代化工进展2020/5/131碳材料基础石墨及其衍生物主要内容新型碳材料2020/5/132碳材料基础一、碳的存在碳元素地球上丰度第14位，90％以CaCO3存在。碳纤维、石墨、金刚石、富勒烯、纳米碳管、焦炭、炭黑、活性碳等。新型碳材料2020/5/133一、碳的存在1、煤炭形成：煤炭是远古植物残骸没入水中经过生物化学作用，然后被地层覆盖并经过物理化学与化学作用而形成的有机生物岩。分布：全世界标准煤可开采量5万亿吨，七位储量最大的国家依次为美国、中国、澳大利亚、印度、德国、南非和波兰中国煤炭资源分布面广，除上海市外，全国各个省、市、自治区都有不同数量的煤炭资源。山西、陕西、河南、东北，四川也有煤炭资源。2020/5/134一、碳的存在1、煤炭种类：中国的煤种分类，其中炼焦煤类占27.56％，非炼焦煤类占72.35％。前者包括气煤（占13.75％），肥煤（占3．53％），主焦煤（占5.81％），瘦煤（占4．01％），其它为未分牌号的煤（占0．55％）；后者包括无烟煤（占10．93％），贫煤（占5．55％），弱粘煤（占1．74％），不粘煤（占13.8％），长焰煤（占12．52％），褐煤（占12．76％），天然焦（占0．19％），未分牌号的煤（占13．80％）和牌号不清的煤（占1．06％）。2020/5/135一、碳的存在1、煤炭应用：直接做燃料火力发电干馏焦化厂气化液化2020/5/136一、碳的存在1、煤炭应用：直接做燃料火力发电2020/5/137一、碳的存在1、煤炭应用：干馏是煤化工的重要过程之一，指煤在隔绝空气条件下加热、分解，生成焦炭（或半焦）、煤焦油、粗苯、煤气等产物的过程。按加热终温的不同,可分为三种：900～1100℃为高温干馏，即焦化；700～900℃为中温干馏；500～600℃为低温干馏。2020/5/138一、碳的存在1、煤炭应用：干馏2020/5/139一、碳的存在1、煤炭应用：气化煤的气化过程是一个热化学过程，它是指在煤气发生炉内，以煤或焦炭为原料，以氧气(空气、富氧获纯氧)、水蒸气或氢气等作气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤或焦炭中的可燃部分转化为气体燃料的过程。气化时所得的可燃气体称为气化煤气，其有效成分主要包括一氧化碳、氢气及甲烷等。2020/5/1310一、碳的存在1、煤炭应用：气化1、固定床气化技术：固定床气化也叫移动床气化炉，在气化过程中，气化床层自上而下整体移动，固体气化原料之间相对固定；它以块煤为原料，是目前世界上应用数量最多的加压煤气化工艺。2、流化床气化技术：流化床气化也叫沸腾床气化，它的气化过程是粉煤在反应器内呈流态化状态，在一定温度、压力条件下与气化剂反应生成煤气。3、气流床气化技术：气流床工艺是煤炭气化的一种重要形式，原料煤以干粉或水煤浆形态入炉，煤粉(煤浆)和气化剂经喷嘴一起并流进入气化炉，并在气化炉内进行充分的混合、燃烧和气化反应。气流床气化技术的代表炉型是德士古气化炉和壳牌气化炉。4、煤炭地下气化：煤炭地下气化是通过热化学反应把地下煤层就地转化为可燃气体的过程。对保护环境和节省投资具有重要意义，但在其煤气的质量和数量及其控制上还有待提高。2020/5/1311一、碳的存在1、煤炭应用：液化煤的液化是把煤转化成液体燃料的过程。把煤与适当的溶剂混合后，在高温、高压下（有时还使用催化剂），使煤与氢气作用生成液体燃料。这是把煤直接液化的一种方法。煤还可以进行间接液化。就是先把煤气化成一氧化碳和氢气，然后再经过催化合成，得到液体燃料。例如，煤气化后得到的一氧化碳和氢气，可以用来合成甲醇。甲醇可以直接用作液体燃料。将甲醇掺到汽油中可以代替一部分汽油，作为内燃机的燃料。甲醇还可以进一步加工成高级汽油。2020/5/1312一、碳的存在1、煤炭应用：液化2004年9月13日，在内蒙伊金霍洛旗建设的神华煤直接液化项目一期工程正在施工2020/5/1313一、碳的存在2、焦炭生产电石产生的矿渣含碳物质高温裂解后产生的矿渣硬炭（原料为含异质元素的纤维素）软炭（原料为有机芳香化合物或亚稳态沥青）按原料分2020/5/1314一、碳的存在2、焦炭焦炭通常按用途分为冶金焦（包括高炉焦、铸造焦和铁合金焦等）、气化焦和电石用焦等。按用途分2020/5/1315一、碳的存在2、焦炭冶金气化电石人造石墨用途2020/5/1316一、碳的存在2、焦炭冶金用途2020/5/1317一、碳的存在2、焦炭人造石墨用途2020/5/1318一、碳的存在3、炭黑据记载,中国是世界上最早生产炭黑的国家之一。在古时候,人们焚烧动植物油、松树枝,收集火烟凝成的黑灰,用来调制墨和黑色颜料。这种被称之为“炱”的黑灰就是最早的炭黑。1821年人们在北美地区首次用天然气为原料生产炭黑,从此炭黑不再是“炱”那么简单,它是“气态或液态的碳氢化合物在空气不足的条件下进行不完全燃烧或热裂分解所生成的无定形碳,为疏松、质轻而极细的黑色粉末”。1912年人们发现炭黑对橡胶具有补强作用,从此炭黑逐渐成为橡胶工业不可缺少的原材料。目前世界橡胶工业原材料耗用量排在第一位的是生胶,第二位的是炭黑;换言之,炭黑已成为消费量最大的橡胶配合剂。炭黑的耗用量一般占橡胶耗用量的40%～50%,也就是说,在橡胶配方中,通常每使用2份橡胶就会搭配使用1份炭黑。2020/5/1319一、碳的存在3、炭黑最好的黑色颜料、几乎是最廉价的颜料、着色力及遮盖力最强的颜料、视觉感官上呈中性、最稳定的颜料、耐热、耐化学腐蚀、耐光。炭黑是仅次于钛白粉的重要颜料，全世界年消耗橡胶碳黑约六百万吨，着色和其他用途等特殊碳黑约为二十五万吨。2020/5/1320一、碳的存在4、玻璃碳玻璃碳是在惰性气氛中，将树脂、纤维素、纤维胶加热到1200℃以上碳化形成的一种新型碳，因其外形像玻璃一样光亮，故称玻璃碳(glassycarbon)，简称玻碳。玻璃碳具有气密性和导电性好、热胀系数小、质地坚硬和易于抛光成镜面、化学惰性、具有较高的氢超电位等特点，因此适用于做电化学和电分析用的工作电极材料。玻璃碳一般内部存大量的封闭孔隙。2500～3000度，可消失。无法机械加工，其形状须在加热固化前确定。2020/5/1321一、碳的存在5、碳纤维碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。2020/5/1322一、碳的存在6、活性碳活性炭是一种含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达，比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料，是一种常用的吸附剂、催化剂或催化剂载体。活性炭按原料来源可分为：木质活性炭、果壳活性炭、兽骨/血活性炭、矿物原料活性炭、合成树脂活性炭、橡胶/塑料活性炭、再生活性炭等；活性炭按外观形态可分为：粉状、颗粒状、不规则颗粒状、圆柱形、球形和纤维状等。活性炭的应用极其广泛，其用途几乎涉及所有的国民经济部门和人们日常生活，如水质净化、黄金提取、糖液脱色、药品针剂提炼、血液净化、空气净化、人体安全防护等。下一页2020/5/1323一、碳的存在2020/5/1324一、碳的存在南方网讯2002年5月26日晚7时，两名少年当日傍晚在村里发现了一个废弃的电石灯，两人将电石装进电石灯厚厚的铁壳里，然后又注入了水，没想到突然一声巨响，电石灯被炸得粉碎，一少年当场被炸死，另一少年被炸成重伤，目前仍在医院抢救。据了解，电石灯发生爆炸是由于他们装的电石太多，又加入太多的水，电石遇水急剧膨胀，最终导致爆炸。2020/5/1325一、碳的存在7、金刚石用途：1：当人服食下金刚石粉末后，金刚石粉末会粘在胃壁上，在长期的摩擦中，会让人得胃溃疡，不及时治疗会死于胃出血，是种难以让人提防的慢性毒剂。2：磨具3:割具4：饰品2020/5/1326一、碳的存在7、金刚石性质及鉴别：1、钻石的单折光性钻石的单折光性，是由于钻石的本质特性决定的。而其它天然宝石或人造宝石大都是双折光性的。冒充的钻石在10倍放大镜观察下，从正面稍斜的角度看，很容易看出棱角线出现重叠影像，并同时呈现出两个底光。2、钻石的吸附性石对油脂及污垢有一定的亲和力，即油污很容易被钻石吸附。因此，用手指抚摸钻石会感到胶粘性，手指似乎有粘糊的感觉。这是任何宝石所没有的。这种方法需要加以训练方能掌握其中微妙的区别。2020/5/1327一、碳的存在7、金刚石性质及鉴别：3、一线直落的特征钻石表面抛光很光滑。用一支钢笔蘸上墨水在钻石上划过，若是真钻石，表面留下的是一条光滑连续的线条，特征是一线直落。仿冒品留下的是一个个小圆点组成的线条。用此法观察应借助放大镜。4、特有的金刚光泽大致在100度的白炽灯光下，切磨很好的钻石与仿冒品相互比较，很容易看出哪个具有金刚光泽。此方法不宜在过暗或过强的灯光下是进行。2020/5/1328一、碳的存在8、富勒烯和纳米碳管2020/5/1329二、碳的结构1、石墨2、金刚石3、富勒烯和纳米碳管4、其他结构2020/5/1330二、碳的结构2020/5/1331二、碳的性质1、化学性质2、机械性质3、电子性质4、热学性质5、磁学性质6、光学性质7、表面特征