将炭化料置于活化气体中，在800℃~1000℃的情况下进行热处理，称为 活化。气体的氧化反应侵蚀炭化物的表面，从而产生丰富的多孔性结构。
第10章 煤基材料
10.1 煤基材料基础
10.1.1 碳的存在形式
碳的元素符号为C，原子序数为6，相对原子质量是12.01，位 于元素周期表的第二周期IVA族，电子轨道结构为1s22s22p2，即 碳原子核电荷数为6，中性碳原子的核外电子数为6，碳原子的 价数有2价、3价或4价。
碳的单质存在形式:
无定形碳 卡宾
金刚石
石墨
富勒稀
10.1 煤基材料基础
10.1.2 煤基材料的特点
煤基材料的特点：
优良的机械性能 电导性 热传导性 化学稳定性
煤的特点：
➢煤主要由有机质组成，且煤有 机质主要由碳、氢、氮、氧和硫 五种元素组成，其中碳元素含量 最高，为煤中最主要的一种元素；
➢煤中富含芳烃，尤其是缩合芳 烃，有较高的芳香度和石墨化程 度；
➢活性炭孔径从10-1～104 nm。孔径r < 2 nm为微孔，2 nm < r < 50 nm为中孔，r > 50 nm为大孔。在高比表面积活性炭中，比表面积主 要由微孔来贡献，中大孔在吸附过程中主要起通道作用。
10.3 煤基活性炭材料
10.3.2 制备方法
➢物理活化法：将原料先炭化，再利用气体（水蒸气和二氧化碳等） 进行炭的氧化反应，形成众多微孔结构； ➢化学活化法：将原料与化学药品以一定比例混合、浸渍一段时间后， 在惰性气体保护下将炭化和活化同时进行的一种制备方式。 ➢催化活化法：在原料煤中加入一定量催化剂，然后加工成型，再经 过炭化和气体活化作用后制造出具有特殊性能的活性炭。 ➢其他活化法：界面活化法、模板法、凝胶炭化法、表面改性法等。
10.3 煤基活性炭材料
10.3.2 制备方法
物理活化法：
原料
研磨
炭化
活化 洗涤
干燥 活性炭
活化气 物理活化法主要工序是炭化和活化：体
炭化是指在较低温度（500℃左右）下，物料中煤焦油的挥发和煤及沥 青的热分解和固化的过程，即预先除去其中的挥发分，制成适合于下一步 活化用的炭化料。炭化过程分为400℃以下的一次分解反应、400℃~700℃ 的氧键断裂反应、700℃~1000℃的脱氧反应三个阶段。煤中的芳香族大分 子经过上述反应，形成三向网状结构的炭化料。
10.2 煤基高聚物合成单体
10.2.3 煤基高聚物合成单体的应用
通用芳香工程高聚物。主要有聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)，聚丁烯对苯二甲 酸酯(PBT)等。二甲苯是PET和PBT的重要单体，PET聚酯的强度高、韧性好、 耐磨，可用于制造轮胎、齿轮及建筑构件等，还可用于胶卷、磁带及软饮料 瓶的制造；PBT有优良的热性质和机械性质。 高温耐热塑料。主要有聚酰亚胺(PI)，聚亚胺砜(PIS)，聚苯并咪唑(PBI)和聚 酯(E-101)等。PI可耐400℃高温，可用于制备各种密封件、轴承、齿轮、活 塞、刹车制动装置等；PBI耐高温纤维，可用于生产安全手套、宇航服等。 液晶高聚物(LCP)。它是指某些高聚物在熔融状态或溶液状态时是液态晶体。 其强度较高，被用于宇航、电子、运输等领域。它还可制成现代最轻的18层 增强纤维防弹内衣。 功能高聚物。主要有高聚膜材料，离子交换树脂和膜材料，光导高聚物和缩 聚多核芳香树脂等。主要应用于工业中气、液混合物的分离及生物和医药部 门。如纯化水，血液分离，人造心脏、肾、心肺肌等。
以其质量轻、高强度、高熔点、低膨胀、耐腐蚀、导热、导电等优 点被广泛用于航空、航天、核工业、军工及诸多民用工业领域。
10.2 煤基高聚物合成单体
10.2.1 概述
➢煤液包括煤的液化产物、煤热解焦油、煤抽提液态产物及经过氧化、卤 化、解聚、水解、烷基化后的液态产物等。
➢煤液体是富含芳烃的物料，大约含有70%的芳烃。 ➢ 煤液的基本构成是1~4个环芳烃和酚类等混合物，这是石油与天然气所 不具备的。
10.2.2 制备方法
➢通过对煤液的分离可获得用于合成芳香高聚物的芳香单体。煤液的 分离可通过溶剂萃取、蒸馏、溶剂抽提、柱吸附等方法实现。其中， 常用的溶剂萃取有酸洗、碱洗等；柱吸附是采用离子交换树脂柱吸附 杂质组分。如何高效地实现分离、纯化、催化重整是煤液制备高聚物 合成单体的技术关键。
➢对煤分子进行适当的剪裁、切割和分离从而获得高分子单体。通过 向煤中引入某种化学试剂，使其可以选择性地解离煤分子中已知的几 个键或指定结构，从而实现煤分子的剪切和剥离。分子裁剪技术制备 高聚物合成单体的关键是煤分子的确切结构和选择性反应催化剂。
➢每一种煤液都是复杂的煤液体混合物，它由几十种到几百种有机化合物 组成。煤液的组成受煤种、煤的组成、加工工艺等的影响。
➢煤液体衍生物具有芳香结构特征，以它们为原料经过简单的工艺就可转 化为高附加值的新型材料。
➢煤液的获得可通过煤直接液化、煤间接液化、煤的热解及溶剂抽提等方 法实现。
10.2 煤基高聚物合成单体
➢煤中含有丰富的官能团结构，尤其 是含氧官能团；
➢煤的组成不均一，各物理性质不 尽相同；
➢础
10.1.3 煤基材料的发展与应用
20世纪30年代，德国的F.Fischer将褐煤与含酚12%的笨混合，混炼 压制成板材，这是最早应用反应性共混技术制备的聚合物/煤共混物 材料。20世纪70年代，前苏联Corlow E.G和Zummenov.S.R将煤作为活 性填料与各种聚合物共混制取了热塑性共混物材料，推动了煤/聚合 物共混材料的发展。1984年，Rohlfing等用短脉冲高功率的激光束在 超氮气流中蒸发石墨时发现了C60原子簇，从而打破了人们对于碳同 素异形体的固有概念；1991年，日本科学家Iijima发现了碳纳米管，碳 素材料进入新型碳时期。
10.3 煤基活性炭材料
10.3.1 概述
➢将煤在一定温度下炭化活化后的物质称为活性炭（active carbon， AC）。 ➢活性炭是一种含炭材料（含炭90%~95%），具有十分发达的内部 孔隙结构和巨大的内比表面积，外表具有特殊功能的官能团。
➢活性炭具有吸附能力强、化学稳定性好、机械强度高、使用失效 后易再生等特点。