溫度對等離子體熱解烴類生成炭黑形貌的影響

2宋 明孫 路夏維東2

(1.中國科學技術大學 熱科學與能源工程系，安徽 合肥 230027； 2.合肥碳藝科技有限責任公司，安徽 合肥 230051)

炭黑作為一種古老的人造材料，廣泛用于橡膠、油墨、涂料、塑料、電子元器件等眾多工業領域[1]。炭黑的最小單元是不可分割的聚集體，其形態決定了它的性能和最終用途[2]。按照Herd[3-4]等人的研究，典型炭黑聚集體形態分為球狀、橢球狀、線狀和支鏈狀等四大類，如圖1所示。

傳統炭黑大多數是使用碳氫化合物原料通過不完全燃燒(如爐法、槽法)方法、或熱裂法(如乙炔自熱裂解、天然氣外熱裂解)制造。近年來等離子體熱解碳氫化合物制備碳材料受到廣泛關注，其研究報道日漸增多。與傳統工藝相比，等離子體法生產炭黑具有碳收率高、能量效率高、排放大量減少等優勢[5]；同時由于等離子體的高溫、高化學活性，及可選擇惰性、氧化或還原氣氛，除了可生產和傳統工藝相同的聚集體形態的炭黑，還能制備出更多不同結構形態的新型碳材料，如富勒烯、石墨烯、碳管、碳蔥、碳納米角等[6-8]。這些新型材料具有更優異、特殊的性能，較傳統炭黑具有更大應用價值。

圖1 聚集體形狀的分類準則

熱等離子體具有比火焰更高的溫度和焓值：一方面使傳熱和化學反應速率顯著提高；另一方面等離子體能量高度集中，反應區參數梯度大，流動、傳熱、傳質過程更為迅速和復雜。因此對于等離子體方法制備材料存在巨大挑戰。夏維東等[9]設計了直流電弧等離子體熱解乙烯焦油裝置，并獲得微觀結構與乙炔炭黑相似的導電炭黑。……