碳化（英文名稱：carbonization）又稱炭化、干餾、焦化，將含碳物質(zhì)干餾，排除揮發(fā)物，變成含碳高的物質(zhì)，是固體酒精的熱化學加工方法。干餾可通過熱解分解礦物質(zhì)鹽（例如對硫酸鹽干餾可產(chǎn)生二氧化硫和三氧化硫，溶于水后得到硫酸），也可將煤、木材、油母頁巖等在隔絕空氣下加熱分解為氣體 (煤氣)、液體 (焦油)、固體 (焦炭)及粗氨水等產(chǎn)物；或有機化合物在隔絕氧氣下熱分解為碳和其他產(chǎn)物，以及用強吸水劑 (硫酸 )將含碳、氫、氧的化合物 (如糖類 )脫水而成炭的作用。實際脫的是氫和氧，并不是說該物質(zhì)就含水。
碳化的方法有模板法、聚合物共混法、高壓碳化法、碘處理碳化法和低溫碳化法。如活性炭是指炭在炭化前、炭化時、炭化后經(jīng)與氣體或化學品作用以增加吸附性能的多孔的炭；碳纖維是將含碳原料在特定條件下經(jīng)高溫炭化等處理而制得的含碳量高于90%的一種有機高分子化合物纖維狀材料；冶金焦是幾種煉焦煤按照一定的配比在煉焦爐中高溫干餾焦化而得到的一種固體殘留物。
碳化會產(chǎn)生有毒高溫氣體，吸入易使呼吸系統(tǒng)黏膜受熱腫脹而窒息。產(chǎn)生的大多數(shù)有害氣體遇新鮮空氣會重新燃燒，使火災(zāi)蔓延，造成更大的損失。
定義分類
碳化是將含碳物質(zhì)干餾，排除揮發(fā)物，變成含碳高的物質(zhì)。是固體酒精的熱化學加工方法。將煤、木材、油母頁巖等在隔絕空氣下加熱分解為氣體（煤氣）、液體（焦油）和固體（焦碳）產(chǎn)物，干餾設(shè)備一般為工業(yè)爐窯，焦油蒸氣隨煤氣從焦爐逸出，可以回收利用，焦碳則由焦爐內(nèi)推出。有機化合物在隔絕空氣下熱分解為碳和其他產(chǎn)物，以及用強吸水劑（硫酸）將含碳、氫、氧的化合物（如糖類）脫水而成碳的作用（實際脫的是氫和氧）也稱碳化，瀝青熱解可稱為液態(tài)碳化，碳氫等氣體熱解可稱為氣態(tài)碳化，固化后樹脂熱解可稱為固態(tài)碳化。碳化過程可能涉及到的反應(yīng)，如熱解、脫氫、縮合、異構(gòu)化等。根據(jù)加熱的最終溫度，一般可分為高溫干餾（約900~1100℃）、中溫干餾（約660~750℃）和低溫干餾（約500~580℃）。此外，還有成堆干餾或煤堆干餾等。干餾所得氣、液、固產(chǎn)物的相對數(shù)量隨加熱溫度、時間和壓力變化而變化。
方法
模板法
模板法技術(shù)是首次使用二維空間在層狀化合物上，例如蒙脫石、云母等，成功制備薄膜取向石墨。碳驅(qū)體，例如丙烯腈（乙烯）分子插入二維蒙脫石，緊隨聚合作用，然后在700℃碳化。再通過HF和HCI除去蒙脫石化合物成分，可獲得易剝落的碳顆粒。模板法的一系列工作揭示了在一維到三維通過選擇合適的模板材料可控制其組織結(jié)構(gòu)：一維的碳納米纖維通過陽極氧化鋁薄膜合成，二維的石墨層使用層狀化合物，三維的微孔碳材料使用各種沸石礦物。
聚合物共混法
聚合物共混法：在碳材料里為了控制其孔狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合兩類碳驅(qū)體，一類是獲得相對高的碳化產(chǎn)率，另一類是低碳化產(chǎn)率。這種技術(shù)可以通過聚醚多元醇型氨酰亞胺薄膜合成制備多孔碳材料。聚醚型氨酯亞胺薄膜合成是通過結(jié)合酰胺酸和苯酚聚氨酯制備的，然后加熱到200℃，聚酰亞胺（PI）和聚氨酯（PU）兩相的分離，前者形成基質(zhì)，后者則形成小島。通過加熱到400℃，PU成分被熱分解為氣體，導致生成多孔聚酰亞胺薄膜。生成多孔聚酰亞胺薄膜易通過在惰性氣氛下碳化轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫滋疾牧稀?/p>
高壓碳化
在碳化過程中，來自碳驅(qū)體部分分解產(chǎn)物是氣體。碳氫氣體中各分子質(zhì)量減少，使得碳的最終產(chǎn)率降低。如果在壓力下碳化，氣體分解產(chǎn)物能碳化形成固體碳，結(jié)果可獲得高產(chǎn)率的碳顆粒。此外，高壓碳化獲得的碳顆粒組織結(jié)構(gòu)不同于常壓或負壓獲得的碳顆粒。碳化壓力過程通過外壓實現(xiàn)或通過在密封的容器內(nèi)生氣體而造成壓力。受壓容器是否加熱是個重要的因素。氣體分解產(chǎn)物的某一部分在容器的低溫部分沉積，然后從碳化系統(tǒng)（在壓力下經(jīng)過通口系統(tǒng)）排除出來。
碘處理碳化
大部分的碳驅(qū)體都能轉(zhuǎn)化為碳材料，例如不同來源的瀝青、不同分子結(jié)構(gòu)的PF及各種碳氫化合物，如聚合糖醇（氯乙烯），具有相對低的碳化產(chǎn)率，因為組成前驅(qū)體的部分碳原子被轉(zhuǎn)化成揮發(fā)成分，通過實驗和各種方法可以增加其碳化產(chǎn)率。最終發(fā)現(xiàn)碘處理可以增加其碳化產(chǎn)率和改變其光學組織結(jié)構(gòu)。在碘處理后，瀝青的超細顆粒保持其形貌，甚至在800℃碳化獲得的碳顆粒大小大約在50nm。
低溫碳化
對有機驅(qū)體的碳化，必須要求加熱到較高溫度。為了排除來自于有機驅(qū)體分子非碳原子（O原子），需要高于400℃的溫度，碳原子的損失在此也是無法避免的，這是由于小的碳氫分子和碳的氧化物的分離。如果在碳氫化合物分子中所有氫原子都被鹵原子取代了，可以通過金屬除去所有的被取代鹵原子。所以有金屬鹵化物的形成發(fā)生在低溫甚至室溫下，希望在低溫下獲得高產(chǎn)率的碳材料，理論上可達到100%。
常見碳化產(chǎn)物及應(yīng)用
活性炭
活性炭是由含碳材料制成的外觀呈黑色、內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、比表面積大、吸附能力強的一類微晶質(zhì)碳素材料。根據(jù)國際純粹和應(yīng)用化學聯(lián)合會（IUPAC）的定義，活性炭是指炭在炭化前、炭化時、炭化后經(jīng)與氣體或化學品作用以增加吸附性能的多孔的炭。活性炭主要由碳元素組成，還含有少量的氫、氧等元素，相對密度為1.8~2.1，表觀相對密度為0.08~0.45，含碳量為10%~98%。可以作為吸附劑、催化劑、催化劑載體、雙電層電容器電極材料，廣泛應(yīng)用于制藥、化工、食品、加工、冶金工業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域。
碳纖維
碳纖維（Carbon Fiber）是將含碳原料在特定條件下經(jīng)高溫炭化等處理而制得的含碳量高于90%的一種有機高分子化合物纖維狀材料。碳纖維是一種新穎的非金屬材料，由片狀石墨微晶沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維及其復(fù)合材料具有高的比強度和比模量，且碳纖維比重小、耐化學腐蝕、耐熱、耐熱沖擊和耐燒蝕。碳纖維作為復(fù)合材料的增強體已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、土木工程、醫(yī)療醫(yī)用器械、體育、軍事工業(yè)、娛樂器材及能源等領(lǐng)域。
冶金焦
冶金焦是高爐焦、鑄造焦、鐵合金焦和有色金屬冶煉用焦的統(tǒng)稱，是幾種煉焦煤按照一定的配比在煉焦爐中高溫干餾焦化而得到的一種固體殘留物。由于90%以上的冶金焦均用于高爐煉鐵，因此往往把高爐焦稱為冶金焦。冶金焦是生產(chǎn)各種炭塊、炭電極以及各種電極糊、陰極糊等的主要原料。此外還作為焙燒爐的填充料、石墨化爐的保溫材料和電阻料。
石油焦
石油焦的主要成分是炭。是以原油蒸餾后的重油或其他重油經(jīng)延遲焦化工藝而生成的焦渣稱為延遲石油焦，簡稱石油焦，又名生焦。石油焦的外觀為形狀不規(guī)則、具有金屬光澤、黑色或暗灰色的多孔固體穎粒，具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)。
碳化木
碳化木就是將木材放在高溫（通常在160~240℃）的環(huán)境中進行一段時間的熱解處理，通過降低木材組分中游離羥基的濃度，減小木材的吸濕性和內(nèi)應(yīng)力，從而達到增加木材的尺寸穩(wěn)定性的目的。同時木材組分在碳化熱處理過程中發(fā)生了復(fù)雜的化學反應(yīng)，改變了木材的某些成分，減少了木材腐朽菌的營養(yǎng)物質(zhì)，從食物鏈這一環(huán)節(jié)上抑制菌類在木材中的生長，因此，碳化熱處理的木材的耐腐性能得到了提高。
碳化木是具有栗色美觀外表的材料。準確來說碳化木應(yīng)該被稱作高溫熱處理木材或熱改性木材。碳化木也是衛(wèi)浴裝飾新的流行趨勢。室內(nèi)主要應(yīng)用方式：擺件、家具、窗戶、地板、桑拿房中的木質(zhì)構(gòu)造及壁板等。而在中國寒冷的北方，越來越多住戶選擇使用采暖地板。以前因為尺寸穩(wěn)定性不高，無法使用實木地板，只能使用強化地板或者是多層實木復(fù)合地板，但是在地熱的環(huán)境下，強化和復(fù)合地板膠層的甲醛釋放，使得室內(nèi)空氣受到污染，成為了一個裝修難題。而現(xiàn)在烏木尺寸穩(wěn)定性高，可以用來作為地熱地板，而且還不會產(chǎn)生環(huán)境污染問題。室外主要應(yīng)用方式：露天院落家具、房屋外墻板、公共場合輕型木質(zhì)結(jié)構(gòu)、露天地板或甲板、院落建筑飾品等。但是因為水沉木脆性高，所以不推薦在重型木結(jié)構(gòu)中使用。
碳化的危險
碳化的危害主要表現(xiàn)在以下三個方面：
碳化產(chǎn)生的氣體中含有較高濃度的一氧化碳。據(jù)統(tǒng)計，火災(zāi)中因CO中毒喪生的人比其他任何毒性燃燒產(chǎn)物致死的人都多，故CO是火災(zāi)中人員中毒死亡的主要原因。CO燃燒時，火焰呈淺藍色。經(jīng)驗表明，煙越黑，空氣中的C濃度也就越高。人體5min致死濃度為0.5%~1%。研究證明，毛巾折四折，可過濾掉60%的煙氣，并且保護呼吸道黏膜免受灼傷，當然毛巾不可太濕，也不是折得越多越好。
參考資料 >
碳化.術(shù)語在線.2023-12-30
術(shù)語在線—權(quán)威的術(shù)語知識服務(wù)平臺.術(shù)語在線.2023-09-18
什么是碳化木?碳化木有什么優(yōu)缺點?.興國縣人民政府.2023-12-31