碳化

碳化（英文名称：carbonization）又称炭化、干馏、焦化，将含碳物质干馏，排除挥发物，变成含碳高的物质，是固体燃料的热化学加工方法。将煤、木材、油页岩等在隔绝氧气下加热分解为气体 (煤气)、液体 (焦油)和固体 (焦炭)产物的热化学加工过程；或有机化合物在隔绝氧气下热分解为碳和其他产物，以及用强吸水剂 (浓硫酸 )将含碳、氢、氧的化合物 (如糖类 )脱水而成炭的作用。

碳化是将含碳物质干馏，排除挥发物，变成含碳高的物质。是固体燃料的热化学加工方法。将煤、木材、油页岩等在隔绝空气下加热分解为气体（煤气）、液体（焦油）和固体（焦碳）产物，焦油蒸气随煤气从焦炉逸出，可以回收利用，焦碳则由焦炉内推出。有机化合物在隔绝空气下热分解为碳和其他产物，以及用强吸水剂（浓硫酸）将含碳、氢、氧的化合物（如糖类）脱水而成碳的作用也称碳化，沥青热解可称为液态碳化，碳氢等气体热解可称为气态碳化，固化后树脂热解可称为固态碳化。碳化过程可能涉及到的反应，如热解、脱氢、缩合、异构化等。根据加热的最终温度，一般可分为高温干馏（约900~1100℃）、中温干馏（约660~750℃）和低温干馏（约500~580℃）。

模板法技术是首次使用二维空间在层状化合物上，例如蒙脱石、云母等，成功制备薄膜取向石墨。碳驱体，例如丙烯腈（氰[qíng]乙烯）分子插入二维蒙脱石，紧随聚合作用，然后在700℃碳化。再通过HF和HCI除去蒙脱石化合物成分，可获得易剥落的碳颗粒。模板法的一系列工作揭示了在一维到三维通过选择合适的模板材料可控制其组织结构：一维的碳纳米纤维通过阳极氧化铝薄膜合成，二维的石墨层使用层状化合物，三维的微孔碳材料使用各种沸石矿物。

聚合物共混法：在碳材料里为了控制其孔状结构，结合两类碳驱体，一类是获得相对高的碳化产率，另一类是低碳化产率。这种技术可以通过聚醚型氨酯[zhǐ]酰亚胺薄膜合成制备多孔碳材料。聚醚型氨酯酰[xiān]亚胺薄膜合成是通过结合酰胺酸和苯酚聚氨酯制备的，然后加热到200℃，聚酰亚胺（PI）和聚氨酯（PU）两相的分离，前者形成基质，后者则形成小岛。通过加热到400℃，PU成分被热分解为气体，导致生成多孔聚酰亚胺薄膜。生成多孔聚酰亚胺薄膜易通过在惰性气氛下碳化转变为多孔碳材料。

在碳化过程中，来自碳驱体部分分解产物是气体。碳氢气体中各分子质量减少，使得碳的最终产率降低。如果在压力下碳化，气体分解产物能碳化形成固体碳，结果可获得高产率的碳颗粒。此外，高压碳化获得的碳颗粒组织结构不同于常压或负压获得的碳颗粒。碳化压力过程通过外压实现或通过在密封的容器内生气体而造成压力。受压容器是否加热是个重要的因素。气体分解产物的某一部分在容器的低温部分沉积，然后从碳化系统（在压力下经过通口系统）排除出来。

大部分的碳驱体都能转化为碳材料，例如不同来源的沥青、不同分子结构的酚醛树脂及各种碳氢化合物，如聚合糖醇（乙烯基氯），具有相对低的碳化产率，因为组成前驱体的部分碳原子被转化成挥发成分，通过实验和各种方法可以增加其碳化产率。最终发现碘处理可以增加其碳化产率和改变其光学组织结构。在碘处理后，沥青的超细颗粒保持其形貌，甚至在800℃碳化获得的碳颗粒大小大约在50nm。

对有机驱体的碳化，必须要求加热到较高温度。为了排除来自于有机驱体分子非碳原子（O原子），需要高于400℃的温度，碳原子的损失在此也是无法避免的，这是由于小的碳氢分子和碳的氧化物的分离。如果在碳氢化合物分子中所有氢原子都被卤原子取代了，可以通过金属除去所有的被取代卤原子。所以有金属卤化物的形成发生在低温甚至室温下，希望在低温下获得高产率的碳材料，理论上可达到100%。

活性炭是由含碳材料制成的外观呈黑色、内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料。根据国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）的定义，活性炭是指炭在炭化前、炭化时、炭化后经与气体或化学品作用以增加吸附性能的多孔的炭。活性炭主要由碳元素组成，还含有少量的氢、氧等元素，相对密度为1.8~2.1，表观相对密度为0.08~0.45，含碳量为10%~98%。可以作为吸附剂、催化剂、催化剂载体、双电层电容器电极材料，广泛应用于制药、化工、食品、加工、冶金工业、农业等多个领域。

碳纤维（Carbon Fiber）是将含碳原料在特定条件下经高温炭化等处理而制得的含碳量高于90%的一种高分子纤维状材料。碳纤维是一种新颖的非金属材料，由片状石墨微晶沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维及其复合材料具有高的比强度和比模量，且碳纤维比重小、耐化学腐蚀、耐热、耐热冲击和耐烧蚀。碳纤维作为复合材料的增强体已广泛应用于航空航天、汽车工业、土木工程、医疗医用器械、体育、军事工业、娱乐器材及能源等领域。

冶金焦是高炉焦、铸造焦、铁合金焦和有色金属冶炼用焦的统称，是几种炼焦煤按照一定的配比在炼焦炉中高温干馏焦化而得到的一种固体残留物。由于90%以上的冶金焦均用于高炉炼铁，因此往往把高炉焦称为冶金焦。冶金焦是生产各种炭块、炭电极以及各种电极糊、阴极糊等的主要原料。此外还作为焙烧炉的填充料、石墨化炉的保温材料和电阻料。

石油焦的主要成分是炭。是以原油蒸馏后的重油或其他重油经延迟焦化工艺而生成的焦渣称为延迟石油焦，简称石油焦，又名生焦。石油焦的外观为形状不规则、具有金属光泽、黑色或暗灰色的多孔固体颖粒，具有发达的孔隙结构。

碳化木就是将木材放在高温（通常在160~240℃）的环境中进行一段时间的热解处理，通过降低木材组分中游离羟基的浓度，减小木材的吸湿性和内应力，从而达到增加木材的尺寸稳定性的目的。同时木材组分在碳化热处理过程中发生了复杂的化学反应，改变了木材的某些成分，减少了木材腐朽菌的营养物质，从食物链这一环节上抑制菌类在木材中的生长，因此，碳化热处理的木材的耐腐性能得到了提高。碳化木是具有深棕色美观外表的材料。准确来说碳化木应该被称作高温热处理木材或热改性木材。碳化木也是卫浴装饰新的流行趋势。室内主要应用方式：摆件、家具、窗户、地板、桑拿房中的木质构造及壁板等。而在中国寒冷的北方，越来越多住户选择使用采暖地板。以前因为尺寸稳定性不高，无法使用实木地板，只能使用强化地板或者是多层实木复合地板，但是在地热的环境下，强化和复合地板胶层的甲醛释放，使得室内空气受到污染，成为了一个装修难题。而现在炭化木尺寸稳定性高，可以用来作为地热地板，而且还不会产生环境污染问题。室外主要应用方式：露天院落家具、房屋外墙板、公共场合轻型木质结构、露天地板或甲板、院落建筑饰品等。但是因为炭化木脆性高，所以不推荐在重型木结构中使用。

碳化的危害主要表现在以下三个方面：

• 产生有毒气体对进入该区域进行消防作业的人员构成威胁，当消防人员未戴防毒面具时，就可能发生中毒和窒息。
• 产生高温气体，在无防护的情况下吸入这些高温气体易使呼吸系统黏膜受热肿胀而窒息。
• 产生的大多数有害气体遇新鲜空气会重新燃烧，使火灾蔓延，造成更大的损失。

碳化产生的气体中含有较高浓度的一氧化碳。据统计，火灾中因CO中毒丧生的人比其他任何毒性燃烧产物致死的人都多，故CO是火灾中人员中毒死亡的主要原因。CO燃烧时，火焰呈浅蓝色。经验表明，烟越黑，空气中的C浓度也就越高。人体5min致死浓度为0.5%~1%。研究证明，毛巾折四折，可过滤掉60%的烟气，并且保护呼吸道黏膜免受灼伤，当然毛巾不可太湿，也不是折得越多越好。