1、引 言
针状焦是一种重要的炭素材料，外表为银灰色，金属光泽的多孔人造石墨。具有椭圆形孔结构，颗粒具有针状的纹理。针状焦具有较小热膨胀系数，较低的电阻率，并且耐热冲击性和抗氧化性强等特点，是制备特种炭素材料及其复合材料、超高功率电极的原料。
根据生产原料的不同将针状焦分为两大类，一类是以重油为生产原料的为油系针状焦; 另一类是以煤焦油、沥青及其重要馏分为原料的为煤系针状焦。在制备的过程中，可以添加物理扰动来提高反应产率和引发化学反应，已经形成新的研究方向。物理扰动包括，添加磁场和超声波震荡等。
可以有效的控制形成针状焦化学反应的进程和速率。磁场取向能够改善产物的性能和方向性，减小结晶临界尺寸。同时，原料的种类以及中间相的结构、压力、温度、保温时间等因素也是重要的影响因素。合成得到的结构如图1所示。
2 无磁场辅助制备
目前，我国高品质煤基针状焦的生产工艺尚未取得突破性进展，需要从发达国家进口原料。我国从上世纪末开始开发针状焦。生产工业步骤包括原料预处理，延迟焦化，煅烧，成品等。研究工艺过程主要集中在控制原料预处理和两段延迟焦化系统相结合，质量好 收率较低，工艺较复杂，投资较高闪蒸-缩聚法工艺收率适中，工艺简单工艺不够完善
2.1焦油-废弃物系针状焦
沥青焦油和废弃聚合物共热解易于形成中间相，并改善其性能。焦油-废聚苯乙烯体系共碳化，中间相沥青因烷基的增加可从触变性过渡到非触变性。体系黏度增长更有利于中间相的生长及排列，在固化阶段，生成气体促使产物分子的针形排列。
程相林等以废聚苯乙烯和乙烯焦油为原料，采用共碳化法制得了针状焦。研究表明，中间相沥青中生成了较多的烷基结构。烷基结构的多少直接决定了针状焦的理化性质，比如定向排列的光学结构和热膨胀系数。烷基结构的增加使得热膨胀系数逐渐接近优质针状焦，废聚苯乙烯和焦油共碳化体系的黏度的增长促进中间相的定向排列和生长。
张怀平在1．6 MPa、480℃条件下将石油渣油和煤焦油配比沥青焦化制得了针状焦。该针状焦组织结构各向异性。在共炭步骤进行到260 min时可以减小压力提高结构取向性。针状单一轴向取向有较大提高。
2.2 煤沥青系针状焦
用煤沥青及其馏分为原料制取针状焦都要经过液晶和中间相的形成过程，才能达到石墨型结构。熟悉石墨型结构的形成机理及条件，对制备针状焦及其工艺参数的选择具有重要的指导意义。煤沥青中含有丰富的芳香环结构。在加热阶段，以分子状态存在并可自由移动。分子体系内互相保持溶剂和溶质的关系。
热解后变为相容性较好，能形成面积较大的芳香环状分子平面和呈叠层有序排列。最后，生成石墨化较好的针状焦。马文明等以煤沥青与FCC油浆为原料，采用共炭化制得了针状焦。研究表明，焦化和共炭化后制得 的针状焦具有纤维结构，双电层结构和电容性。
方国等将净化后的沥青为原料，经过延迟焦化制得了针状焦。研究表明，适当的压力和温度等条件下，可以得到大面积的针状结构降低体系黏度。尤其在0．35 MPa、470℃条件下，针状焦结构最为理想。
程俊霞等较为系统考察了针状焦的结构与物理性质之间的关系。实验表明，针状焦的纤维组分和真密度没有明显的线性关系。纤维含量的增加，热膨胀系数下降。另外，热膨胀系数与纤维的质量存在一定关系。
3 磁场辅助制备
从结晶角度来看，聚合物的性能可以通过磁场取向得到显著改善，尤其是方向性。磁处理可减小结晶的临界半径，利于形成微晶。在热解煤沥青时，由于环电流产生的磁矩与外加磁场方向相同。因磁场作用，芳香族大分子可以有序排列，进而在煅烧时针状组织增多，分子排列更致密，更加有序化，最终形成密度较高和透光率较低的针状焦。磁场辅助制备的针状焦结构随着磁感应强度的提高而得到优化，微晶尺寸降低且针形结构致密，石墨化度和有序度得到提高。
王树岗等将中温煤沥青中的喹啉不溶物去除，然后以此为原料，在磁化的条件下，制得了针状焦。研究表明，制备温度不同得到的针状焦结构明显不同，420℃时，针状焦微观结构规则，石墨化度增加，电容量和比电容值较大，充放电性能良好。
赵世贵等利用煤焦油沥青为原料，在不同磁场强度下，经聚合，煅烧制备得到了针状焦。结果表明，磁场可以有效的提高针状焦的有序度，改善了纤维组织结构及形貌。增加磁场强度，可以提高针状焦的有序性。
解小玲等通过四氯化碳/庚烷浸沥煤沥青，脱除其中的杂原子官能 团，经过炭化和煅烧制得了针状焦。结果表明，经溶剂浸沥处理过的煤沥清除硫和氮效果良好。炭化和煅烧两步骤可以得到高取向的针状焦。
程兴磊等以煤沥青为原料，然后除去喹啉不溶物，在不同反应温度条件下，制得了中间相炭微球。在外磁场作用下，制得了具有有序结构的针状焦。结果表明，针状焦的结构与中间相的反应温度、保温时间和黏度有关。磁场可以促进针状焦流线结构的形成。
孙权等在压力反应釜中，采用中温煤沥青为原料，磁场条件下，经过缩聚和炭化步骤合成得到了针状焦。结果表明，外加磁场有利于促进针状焦结构的改善，并且明显改善针状焦的电导率。压力的大小与热缩聚反应的程度及收率有关。外加磁场有利于自由基的产生，并提高其利用率，加快反应速率，提升石墨化程度。
赵世贵等在超声波和磁场诱导条件下，采用煤焦油沥青为原料，制得了针状焦。结果表明，超声波空化和磁场诱导都能明显地提高针状焦的结晶度、有序度和石墨化程度。磁场诱导法与超声波空化法相比影响针状焦的质量程度较大。 高温煅烧较大程度的提高石墨化水平。
4 结论与展望
针状焦是重要的工业原材料之一，尤其在储能和超高功率电极材料上应用比较广泛，各国都在大力研发针状焦的制备工艺及其产品。目前，摆在研究者面前的几个重要问题不得以解决，会在很大程度上制约针状焦的宏量生成和实际应用。
(1) 中间相的影响因素直接影响针状焦的质量，因此，提高中间相的性能指标是亟待解决的重要问题。所以，要控制好中间相的生成过程的温度、压力等条件，还有掌握中间相的组成成分和结构以及在转变历程 中的化学反应性;
(2) 物理扰动可以制备出结构更加紧实的针状焦，但是主要局限于磁场和超声波震荡两种，其他的扰动方式开发的不多。需要研究人员研究其他的物理扰动以及控制针状焦结构的因素。以期得到结构更加多样，性能更加优良的针状焦;
(3) 煤系针状焦的研究取得的成果较多，但是，油系针状焦的研究报道还比较鲜见。研究者们要大力发展以石油废料为原料制备针状焦的工艺及影响因素;
(4) 针状焦的石墨化处理是一个高耗能的过程。简化针状焦的生成过程，其中间相向产品转化和石墨化过程一步完成，可以大大减少能耗，是摆在研究者面前的重要课题;
(5) 虽然，针状焦已经得到实际应用，但是价格较高，生成制备工艺复杂，实验参数不容易控制，原材料的选择比较受局限等因素都制约了其研究和发展。
随着成焦机理的完善，原料选取的广泛，原料处理技术的改进，石墨化条件的控制等问题的不断解决，相信针状焦的大规模应用会很快到来，服务人类。
来源:硅酸盐通报 作者：关磊，张力嫱，张宇航，张娜
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