碳素材料翻譯

1、生物質(zhì)焦油的成分分析和其碳材料改性發(fā)展材料化學(xué)與工程學(xué)院，九州大學(xué)，春日，福岡816-8580,日本刊塞電力公司，兵庫(kù)縣尼崎市661-0974, 口本摘要：通過(guò)飛行時(shí)間質(zhì)譜，氣相色譜，質(zhì)譜，紅外線譜的核磁共振和甘油三 酯完成了對(duì)木焦油的分子組成分析。表明木焦油是含有苯酚的有機(jī)化合物，木焦 油被濃縮在用甲醛溶液作為催化劑，在90。c下分別以草酸和鹽酸酸反應(yīng)一個(gè)半 小時(shí)制備。由此產(chǎn)生的樹(shù)脂被成功剝離,在2030° c自固化和在650-1000° c炭化。實(shí)現(xiàn)碳纖維的力學(xué)性能的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量630mpa44gpa。關(guān)鍵詞：碳纖維焦油碳化色譜法機(jī)械性能1 簡(jiǎn)介和煤與石油等化石燃

2、料相比，木材是一個(gè)豐富的可再牛能源提供現(xiàn)成的能量。木 材已成為部分日常生活的重要前體為其準(zhǔn)備碳熱材料，如木炭。碳在沒(méi)有空氣的 氣氛下發(fā)生熱解作用，生成木炭，液體和氣體燃料。油相液體屮rre的叫木焦 油，是一種混合物，其中包括許多有機(jī)化合物。雖然其中一些例如，來(lái)自生物質(zhì) 熱解油的酚是非常有價(jià)值和有用的化學(xué)物質(zhì)【1, 2】，但其分離和提純?nèi)匀粡?fù)雜 瘋狂困難到現(xiàn)在還不易【3-51。苯酚，含多種木焦油傭分，有可能開(kāi)發(fā)出類似 木焦油樹(shù)脂過(guò)程作為酚類聚合成高性能指定樹(shù)脂【6, 7,如玻璃般的碳材料, 碳纖維，高產(chǎn)量碳化粘結(jié)劑等。人們一直在做分析和利用木焦油許多研究。一般而言，氣相色譜質(zhì)譜分析對(duì) 木焦油組成

3、的分析是非常有用的【7-13】。然而，這不是足夠應(yīng)用的方法。除此 之外的其他方法，如紅外光譜，核磁共振，氣相色譜，氫火焰離子化檢測(cè)器和其 他方法被用來(lái)分析和分離酚焦油【7, 1417】。氣相色譜質(zhì)譜，紅外光譜，核 磁共振飛行時(shí)間質(zhì)譜，甘油三酯的的組合當(dāng)然更加有利于獲得更多的準(zhǔn)確的關(guān)于 木焦油成分的信息，從而更有效地使用它。在本研究中，通過(guò)飛行時(shí)間質(zhì)譜，氣相色譜質(zhì)譜，紅外光譜，h型核磁共振和甘油三酯聚合等方法完成木材成分的分子分析。它是用甲醛溶液 在草酸和鹽酸的分別催化作用下，在90。c的溫度下，反應(yīng)95分鐘，聚合生成 木焦油樹(shù)脂。由此產(chǎn)生的樹(shù)脂紡成功的在200。c下自固化和在650- 1000

4、° c 下炭化從而達(dá)到各向同性的碳纖維。2 實(shí)驗(yàn)21 木焦油的分析在本研究中，兩種木焦油（混合木焦油，竹焦油，其元素分析如表1）被用來(lái)研究。氣相色譜質(zhì)譜法用來(lái)識(shí)別半定量在焦油有機(jī)化合物的種類。 飛行時(shí)間質(zhì)譜法分析的化合物分子量在焦油中的分布。核磁共振是用來(lái)獲取焦油 中的有關(guān)芳香指數(shù)。紅外光譜是用來(lái)定性分析焦油中的官能團(tuán)。廿油三酯聚合是 用來(lái)測(cè)出焦油的碳化性能。表1木焦油，竹焦油及其樹(shù)脂聚合后的基本數(shù)據(jù)元素分析（水分/%）c/0sp(° c)chn0木焦油64. 666. 920. 1628. 263. 05竹焦油61.987. 330. 4230. 272. 73木焦油樹(shù)脂

5、6& 986. 780. 1424. 13.8260竹焦油樹(shù)脂70. 026. 560. 5222.94. 0880附：正己烷不溶2.2. 木焦油（竹焦油）聚合成樹(shù)脂120克木焦油和37%甲醛溶液在三個(gè)120g的口瓶放在加熱器，采用草酸 和鹽酸酸作為催化劑，在90。c溫度下，反應(yīng)95分鐘，聚合生成木焦油樹(shù)脂。 聚合，冷卻后，含水多樹(shù)脂取出，并進(jìn)一步消除了在低壓的未反應(yīng)小分子。2.3. 碳纖維的制備和表征由木焦油樹(shù)脂由此產(chǎn)生的樹(shù)脂紡成功（寬0.3mm*長(zhǎng)0.9mm）在加熱速率是10° c /h下 達(dá)到200° c溫度后自固化，在加熱速率是2。c /h下達(dá)到650-10

6、00° c溫 度后碳化后，在基于cf卡的措施下和氮?dú)饬髁恐袑?shí)現(xiàn)碳纖維樹(shù)脂各向同性。3.結(jié)果與討論3.1. 組成木及竹焦油顯示高氧含量，分別為28%和30%。含有的碳含量前者比后者 高。木焦油溶于正己烷部分遠(yuǎn)高于竹焦油，表明木焦油中含有較多的極性成分。核磁共振和h型核磁共振光譜包含兩個(gè)主要區(qū)化學(xué)約1 -5ppm的轉(zhuǎn)變和 69ppm,分別由于芳香族和脂肪族質(zhì)子影響。木焦油芳香指數(shù)略高于竹焦油， 分別為0.48和0.47o焦油類兩種光譜表明，他們含有大量的官能團(tuán)，尤其是輕基團(tuán)。這些團(tuán)體在從木 和竹焦油聚合過(guò)程中發(fā)揮重要作用。由于酚疑基和竣基自由基的原因，觀察到強(qiáng) 吸收性，為3200-360

7、0/厘米。兩撥基帶證明了存在的竣酸和酮在1700/厘米和 乙儲(chǔ)和酚類，輕基在1100-1200/厘米，這些峰值在1400-1600/厘米當(dāng)然是歸 因于芳香族結(jié)構(gòu)。飛行時(shí)間質(zhì)譜焦油光譜表明，木焦油顯示介于200至600分布，同時(shí)，竹焦油顯示略有下降，從160到450.他們的平均分子量是分別310和315o氣相色譜質(zhì)譜法分析焦油譜顯示所用的焦油，是對(duì)多種有機(jī)化合物的混合 物組成的超過(guò)50種。竹焦油中含有較多量的苯酚，甲基苯酚,4乙基4 甲氧基 苯酚,2,6二甲基酚焦油。木焦油顯示更多的苯二酚，朦朧乙基苯酚量，二甲氧基 4丙基苯酚,2甲氧基4（1 丙烯基）含有苯酚在71 %和50%。分別所有竹， 木

8、焦油量峰面積酚組峰的面積，也表明前者比后者更含有酚量。甘油三酯聚合結(jié)果表明，在900 °c f竹焦油碳化產(chǎn)量比木焦油高，分別為 16和12%。它是與由氣相色譜質(zhì)譜法分析所得的信息是一致的。3.2. 聚合木焦油飛行時(shí)間質(zhì)譜焦油樹(shù)脂光譜表明，產(chǎn)品的分子量從與甲醛在酸性催化劑聚 合得到焦油，成放人趨勢(shì)。從木材焦油和竹子焦油所得兩種樹(shù)脂種顯示分子量分 布更廣泛,從200到800。它們的平均分子量分別為386 （木焦油樹(shù)脂），406 （竹焦油樹(shù)脂）。這種增加肯定是歸因于在中酚焦油。兩種前體聚合是由液態(tài)轉(zhuǎn) 化為固態(tài)聚合反應(yīng)后。竹焦油樹(shù)脂比其他顯示，80 °c和6（fc時(shí)，前者分別顯 示

9、了較高的軟化點(diǎn)較高的碳與氫原子比，如表1。應(yīng)當(dāng)指出，在分子的重量沒(méi)有 增加主要是因?yàn)槌朔宇惢衔餂](méi)有反應(yīng)用福爾馬林來(lái)獲得較大的分子。在相同 的制備條件，由木焦油和竹焦油產(chǎn)生的樹(shù)脂產(chǎn)量分別為72%和80%,后者含有 較多的酚類化合物。3.3. 碳纖維的制備上述結(jié)果顯示，樹(shù)脂在130-185° c間良好的自旋低溫能力。而后在200 ° c固化，紡纖維已成功開(kāi)發(fā)碳纖維碳化。表2由木焦油派生竹碳纖維樹(shù)脂的機(jī)械性能前導(dǎo)碳化(° 0纖維直徑(um)拉伸模量(gpa)拉伸強(qiáng)度(mpa)竹焦油樹(shù)脂65019.3273428001744632100014. 343616木焦油樹(shù)脂

10、100020.937247有一個(gè)約10%揮發(fā)量減少，原因是與一些小分子化合物反應(yīng)起到一定固化效 果。緩慢升溫速率可避免的纖維炭化過(guò)程中蛻皮。固化后的樹(shù)脂從竹子衍生表明 高于從木焦油衍生的樹(shù)脂，碳化產(chǎn)量分別48%和40%。基于焦油量，竹，木焦 油總產(chǎn)量分別為43和35%,更多歸因于以前的酚類物質(zhì)，稱為以熱定型樹(shù)脂聚 合量來(lái)提高產(chǎn)量。由竹焦油樹(shù)脂基制備的碳纖維從x射線衍射圖案顯示出更大 的界面聯(lián)系為0.3850.417與從拉曼光譜顯示出中等強(qiáng)度的i.aso /i.580的比為 0.720.96。自木焦油樹(shù)脂制備的碳纖維從x射線衍射圖案顯示的界面聯(lián)系為 0.350- 0.385nm,由此表明這有兩種

11、微晶結(jié)構(gòu)，較大的微晶結(jié)構(gòu)的1劇/1關(guān)強(qiáng) 度比為1.09o表2總結(jié)了生物質(zhì)焦油樹(shù)脂炭纖維的力學(xué)性能。從竹焦油樹(shù)脂形成炭纖維顯 示高于木焦油，分別得出為620和250mpa,這是由酚醛樹(shù)脂派牛的商業(yè)碳纖 維抗拉強(qiáng)度【17】。應(yīng)該指出，從生物質(zhì)焦油樹(shù)脂炭纖維表現(xiàn)出很人的較高的拉 伸彈性模量(高達(dá)44gpa),這些酚炭纖維的拉伸彈性模量(10 -30gpa)o炭 化溫度對(duì)力學(xué)性能的影響如表5顯示。碳化在800-1000°c間可能獲得高強(qiáng)度, 高模量碳纖維。從木焦油樹(shù)脂基碳纖維抗拉強(qiáng)度低，因?yàn)轱@示的樹(shù)脂中含有較多 的揮發(fā)物，其正在發(fā)展的對(duì)碳纖維的表面空洞形成的結(jié)果，減少了機(jī)械性能。在 研究碳纖

12、維制備直徑比碳纖維更大的商業(yè)用途。碳纖維力學(xué)性能高，應(yīng)預(yù)計(jì)從生 物質(zhì)焦油準(zhǔn)備通過(guò)對(duì)嚴(yán)格控制薄直徑得到纖維紡絲。4.結(jié)論總之，木，竹焦油分子成分的分析表明，二種的焦油含有酚基化合物很少。 這些組件可以聚合成一個(gè)特殊的熱定型樹(shù)脂，它可以作為一個(gè)很好的前兆有望開(kāi) 發(fā)高性能碳材料如碳纖維，碳片，碳膜，玻璃炭，炭粘結(jié)劑等。在本研究中，從 由此兩種焦油樹(shù)脂形成碳纖維已經(jīng)研制成功，發(fā)現(xiàn)它們的性質(zhì)是和制備有商業(yè)價(jià) 值的碳纖維。為了獲得更高的產(chǎn)量和進(jìn)一步提高碳纖維的性能，目前仔細(xì)的調(diào)查 研究仍在進(jìn)行。此外，焦油來(lái)自不同的樹(shù)木和不同的條件應(yīng)在后面的研究調(diào)查中 涉及到。參考文獻(xiàn)1 churin e, maggi r

13、 , grange p, delmon b. in： bridgwater av and kucstcr jl, editors .research in thermochemical biomass conversion, elseviel applied science, barking(1988), p 896.ogank, katze . anal . chem 1981； 53(2): 160-163elder t. r, sores ej wood and fiber 1980； 12： 217-226achladas ge. journal of chromatography 1

14、991； 542, 263275【5】5 anlen-chen c, pakdel h, roy c biomass and bioenergy 1997； 13, 1 2： 25-37【6】galli van r/vl, matshi pk usa paten t 4, 209, 647(1980)7 suzuki t, hiroshi n, yamada t homma t mokuzai gak. 1992； 38： 321 -3248 chandal p, kaliaguinc s, grandmaison jl, mahay a apple catal 1984；10(3)： 317

15、-3329 evans rj, m訂ne ta energy fuels 1987； 1(2)： 123137【10】 fraga ail gaines af. kandiyoti r fuell991； 70(7)： 803-80911 villiams pt, home pa j anal pyrol 1995； 31： 15-37121 pimcnta as, vital br, bayona jm, alzaga r fuel 1998； 77： 1 1331139. f131 egenberg im, aasen jab, holtekjolen ak,lundanes e j anal pyrol2002； 62： 143-155schweighardt fk, retcofsl (y hl, friedel rafuel 1976； 55(4)' 313-317pakdel h, roy c, zeidan k. tn： bridgwater av,