石油系介相瀝青及其碳材料之應用介紹

刊登日期:2015/7/5
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石油是人類最仰賴的自然資源,其加工利用程序規模巨大且相當細膩。煉油廠以原油為原料,透過蒸餾、分餾、脫硫、裂解、焦化等製程單元,煉製出乙烯、丙烯、汽油、煤油、潤滑油、柏油等二十種以上的產品,成為現代科技進步的基石。除了能源方面的應用,石油化學衍生物更與現代生活發展密切相關。

我們的日常生活都與石油資源密切相關,例如需要能源來支持便利的生活,手指一撥,電燈就開了;火一點就煮出一頓美味;工廠不斷運轉的生產機器,織出一件件讓人愛不釋手的衣著;更是仰仗火車、汽車、飛機帶我們到處欣賞美景,這一切都維繫在人類善用石油資源所造就的美好。正因為石油最直接的應用是能源與石化原料,石油煉製過程的開發,一直著重於提升燃料油與C2、C3等石化原料之生產效率,汽柴油、航空煤油等燃料應用、聚乙烯、聚丙烯等塑膠應用,它們應用明確、市場廣大、價值清晰。

然而,石油的煉製不會只產生輕沸產品,亦會同時產生副產物。一支蒸餾塔,至少產生塔頂與塔底兩種產品,在煉油製程中,塔頂所產出的是目標產品,如石油腦、直餾汽柴油等;塔底的餾餘物(Residue)即為副產品。為了將原油經濟效益極大化,煉油製程不斷的深化,原油煉製至少會經過常壓蒸餾及減壓蒸餾等程序,並配合重油的催化裂化(重油裂解),將從蒸餾塔塔頂產出的輕質產品量提高至極大。而伴隨的副產品即為塔底產出的高溫渣油、裂化油漿及瀝青,這些副產品除了作為鍋爐燃油、繼續焦化將它作成發電燃料之外,目前為人熟知的產品之一即是用於舖設道路及建築防水用的柏油,其產品應用雖然相當重要,但產品價值並不高。因此,將石油瀝青開發作為高價值的人造碳材產品,是值得深入研究的題目。首要探討的課題即是如何從國內每年百萬噸的石油瀝青中,篩選出合適的瀝青料源進行碳材料開發。

石油瀝青可作為人造碳材之原料
碳材料為重要的工業基礎材料之一,主要原料之一即是石油瀝青,所製作成的人造碳材及人造石墨應用於重工業,如煉鋁的碳素電極、煉鋼的碳電極、半導體業高溫長晶爐之石墨加熱器、光電業的化學氣相沉積設備之晶圓載盤、太陽能產業的多晶矽之高溫熔晶石墨爐等,堪稱是台灣命脈產業群的關鍵材料(圖一)。


圖一、人造碳材產品的應用

介相瀝青概述
介相瀝青(Mesophase Pitch)又稱為中間相,原因是在常溫下的瀝青具有流動性,屬於液相,而在傳統的煉油製程中,最後的製程單元是焦化,將瀝青由管線輸送到焦化廠,經500˚C以上的高溫進行熱處理,使瀝青碳化而成為石油焦,失去液態的性質而成為熔點高達3,000˚C以上的固相,介相瀝青即是介在瀝青由液相轉化為固相石油焦過程的中間相,常溫下幾乎以固態的方式存在,但加熱即熔化成為液態,許多介相瀝青的軟化點均高達200 ~ 300˚C以上。然而,介相瀝青與屬於液相的瀝青及屬於固相的石油焦,並非只是巨觀型態上的差異,而是存在著更多的奧秘性質,讓它具有獨特的應用。

影響介相瀝青製備的因素
介相瀝青應用產值相當高,但成功的製作符合應用的介相瀝青並不容易,原因是石油瀝青算是世界上組成最為複雜的化學品之一,它是由幾百到幾千種結構與物性相似的化合物所構成。

先進國家掌握人造碳材生產技術
由瀝青製作人造碳材的工藝相當繁複,除了建立合適的純化分離技術來製作出介相瀝青材料之外,還需經過成型、煅燒、均壓、含浸及石墨化等程序……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文


圖六、不同多環芳香程度分子之應用方向示意圖

作者:杜子邦、朱麗萍 、張學明/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」343期,更多資料請見下方附檔。


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