摘要：以FCC油浆富芳油为原料制备中间相沥青基泡沫炭，在箱式电阻炉内800~1400℃、通入1L/min氮气稀释空气的条件下，考察中间相沥青泡沫在炭化前后的SEM微观形态、表面官能团和XRD衍射图的变化情况，尤其是炭化温度的影响。结果表明：随炭化温度的升高，泡沫炭孔壁逐渐被破坏，晶格规整性得到改善；中间相沥青泡沫固化后，表面存在大量的C-H、C=O、COO-基团，经过炭化后，COO-、C-H含量减少，O-H含量增加，在1100℃以上继续炭化，泡沫炭表面的C-H,C=O,O-H,COO－基团含量变化较小。综合考虑泡沫炭的表面官能团、品格参数和形态，确立适宜的炭化温度为1100℃，在此温度下可以得到形貌较好、孔径为150~300µm的泡沫炭样品，其晶体结构参数La,,Lc,,N,d002分别为2.5nm,2.31nm,10,0.3476nm。
据文献报道泡沫炭作为一种炭材料，在光学、电学、热学和力学等方面具有优异的性能，通过调整其前躯物和制备工艺，其性质会发生明显的变化。中间相沥青基泡沫炭具有单纯的组分和独特的石墨韧带网状结构，表现出众多奇异的性能，如密度小、热导率高、孔隙率高、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小、机械强度较高等。该材料一经问世就受到广泛关注，被认为可以引起新材料领域的革命。同时，通过改变其密度、孔径、热导率、电导率、表面性质和结构性质等可以满足不同的需要。目前，中间相沥青基泡沫炭制备及其传热、传质、导电和表面性质等的研究已成为炭学界的研究热点。
重油催化裂化(FCC)油浆富芳油的初馏点在350℃以上，含有大量2~4环芳烃，并具有渺位缩合结构特点，是制备优质碳素材料的原料之一。以往FCC油浆一般用作锅炉燃料、橡胶填充油等低附加值产品。本研究利用低附加值的重油FCC油浆为原料制备高附加值的泡沫炭。
选用中国石油大学(华东)胜华炼油厂FCC油浆为原料，经糠醛抽提，得到FCC油浆富芳油，其元素组成及基本性质见表1。由表1可知，该富芳油的S,N含量较低，均小于0.5，芳烃质量分数高达84.8%，是制备炭素材料的优质原料。
取600gFCC油浆富芳油置于容积为1L的高压釜中，在0.5L/minN2保护下，以50℃/min的速率升温至350℃，然后以10C/min的速率升温至420℃，在搅拌(100r/min)下热解4-6h即得到软化点为60-100℃的中温沥青。
取FCC油浆富芳油置于高压釜中，在0.5L/minN2保护下升温至420℃，在搅拌(100r/min)下热解8h，制备中间相沥青。然后在N2压力0.5MPa下，以100r/min的转速搅拌，降温至350℃，释放压力并冷却至室温后得到中间相沥青泡沫样品。
置于陶瓷柑祸中，盖上盖子后置于箱式电阻炉中，以10℃/min的速率升温至550℃，恒温1h。
将10g左右已固化的沥青泡沫置于带盖增涡中后放人高温箱式电阻炉，以1L/min的速率将N2通人炉膛，起到稀释炉膛内氧气的作用。并以50℃/min的速率从550℃分别升温至800,1100,1400℃，炭化2h，冷却至常温后即得到中间相沥青泡沫炭样品。
将10g左右已固化的沥青泡沫置于管式炉，以5mL/min的速率通人N2，升温至550℃后，以50℃/min的速率从550℃升温至1100℃，炭化2h，冷却后得到中间相沥青泡沫炭。
图1为不同炭化温度下中间相沥青泡沫炭及550℃固化样品断面的SEM微观形貌。由图1可知:炭化后的泡沫炭样品基本维持了原沥青泡沫的形貌;炭化到800℃时，与550℃固化样品的形貌相比，泡沫炭样品孔隙发达，出现开孔结构，孔径略有变大，孔型更圆;炭化到1100℃时，泡沫炭样品孔径较800℃泡沫炭样品略有变大，孔径大多在150~300um，在泡沫韧带出现轴向新生裂纹;炭化到14000C时，泡沫炭样品孔壁上出现许多2~4um的微孔，在泡沫韧带出现轴向和径向新生细小裂纹。说明在炭化过程中，随温度的升高，中间相沥青泡沫孔壁基体逐渐发生收缩，使得泡沫的孔形得到改善;在1100℃形成大量通孔，孔壁由于收缩逐渐形成一些轴向裂纹;在1400℃，孔壁进一步收缩而出现一些小孔和裂纹。因此，在箱式电阻炉中炭化制泡沫炭是可行的，适宜的炭化温度应低于1400℃，其中以1100℃比较理想。
2.2炭化温度对泡沫炭表面性质的影响
表2及图3分别为不同炭化温度下得到的泡沫炭样品的XRD衍射图及计算出的性能参数。在800℃炭化时得到的泡沫炭样品，其002峰衍射强度较原中间相沥青泡沫弱，微晶平均尺寸La、平均微晶堆积高度Lc及碳层数N也较小，分子片层间距d002增大。说明在箱式电阻炉中，在550-800℃下炭化时，对微晶生长具有破坏作用，不利于微晶的生长。随着炭化温度由800℃升高到1400℃,002峰衍射强度逐渐增强，La,Lc,N分别由1.5nm,1.84nm,6增加到4.2nm,4.41nm,l4,d002由0.3477nm减小到0.3454nm,同时101和102峰也逐渐增强。说明高温炭化温度高于800℃时，对微晶的形成与生长是有利的。中间相沥青泡沫经过1400℃炭化后孔壁片层取向明显提高，出现了排布规整的碳层结构，这有利于孔壁片层结构的进一步石墨化。
2.3稀薄氧气对泡沫炭形貌及晶体结构的影响
图4为箱式电阻炉中和管式炉NZ氛围中，中间相沥青基泡沫在1100℃下炭化2h得到的泡沫炭样品断面的SEM微观形貌照片。从图4可以看出，两种泡沫炭的泡沫直径、微观形貌差别不大，说明在1100℃箱式电阻炉中稀薄氧气对炭化产品的微观形貌和孔结构影响不大。这两种泡沫炭样品的微晶结构参数见表3。由表3可知，箱式电阻炉中炭化得到的泡沫炭样品的微晶结构参数与管式炉N2氛围下炭化得到的泡沫炭样品相比，d002峰位置相同，La、Lc和N均增加。说明在箱式电阻炉中炭化的过程中，炉膛稀薄氧气对微晶生长具有较弱的破坏作用，存在一定的不利影响。
(1)在箱式电阻炉N2稀释空气环境中炭化制备中间相沥青泡沫炭，炭化前，中间相沥青泡沫表面存在大量的C-H,C=O和COO-基团;炭化后，COO-和C-H含量大大减少，O-H含量大大增加。
(2)在箱式电阻炉N2稀释空气环境中炭化制备中间相沥青泡沫炭的炭化温度应低于1400℃,其中以1100℃比较理想。所得样品的孔壁片层取向明显提高，出现了排布规整的碳层结构，有利于孔壁片层结构的进一步石墨化。
(3)在箱式电阻炉中1100℃炭化制备泡沫炭，稀薄氧气对其晶体结构及形貌影响不大，可得到孔径在150-300um之间、晶体结构参数La、Lc,N,d002分别为2.5nm,2.31nm,10,0.3476nm的泡沫炭样品。
