煤沥青改性和其族组分炭化产物微观结构的研究

发布时间：2020-06-07 22:19

【摘要】：论文采用溶剂分离法将中温煤沥青分为甲苯可溶物(TS)、甲苯不溶物(TI)、β树脂及喹啉不溶物(QI)四种组分,并将中温煤沥青和这四种组分分别炭化,研究了中温煤沥青和其族组分的化学结构,热缩聚特征以及炭化产物的微观结构。论文以AlCl_3为改性剂,通过催化热缩聚对中温煤沥青进行改性,较系统研究了改性工艺条件对改性煤沥青组成及微观结构的影响。采用傅里叶红外光谱(FT-IR)研究了中温煤沥青和其族组分的化学结构组成。研究结果表明,TS组分的分子量小,其芳烃分子上含有发达的侧链和侧基;β树脂分子芳烃分子上含有的侧链和侧基少;QI组分的分子量最大,多为缩合程度较高的稠环芳烃分子。采用综合热分析(TG-DTA)研究了煤沥青族组分的热缩聚特征。研究结果表明:TS组分在较低的温度98℃左右开始失重,分子稳定性差,失重率为79.50%;β树脂在较高的温度208℃左右才开始失重,失重率为19.2%;QI组分在400℃左右开始失重,整个失重曲线较为平缓,失重率仅为7.06%。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)研究了中温煤沥青和其族组分炭化产物的微观结构和性能。研究结果表明:TS组分炭化产物的微观结构以流线型结构为主,同时有少部分区域型结构,微晶取向一致,相互平行排列,片层间距较小,一般在0.34~0.35nm之间。TI组分炭化产物的微观结构以镶嵌型和区域型为主,微晶取向有序性差,在局部发生弯曲,片层间距较大,一般在0.35nm以上。β树脂炭化产物的微观结构主要流线型结构,QI组分的炭化产物由各向同性的微米级的微细粒子组成,微晶取向杂乱,无方向性,形成了相互交缠的复杂结构。以AlCl_3为改性剂,对中温煤沥青进行改性,研究了改性工艺条件对改性煤沥青结构组成和性能的影响。研究结果表明:不同的改性温度下,改性温度越高,改性煤沥青的软化点和结焦值越高,特别是改性温度到了260℃以后,改性煤沥青的软化点和结焦值得到了大幅度的提高;不同改性剂的用量下,随着改性剂的用量的增加,改性煤沥青的软化点和结焦值升高,在改性剂的用量为6%以后,改性煤沥青的软化点和结焦值增幅下降;不同的改性时间下,改性时间越长,煤沥青的软化点和结焦值越高。采用偏光显微镜和扫描电镜对不同工艺条件下改性煤沥青炭化产物的微观结构观察分析,研究结果表明:随着改性温度的升高,改性煤沥青炭化产物的区域型结构面积先增加后减少,镶嵌型结构面积先减少后增加;随着改性剂的量的增加,改性煤沥青炭化产物的区域型结构面积先增加后减少,镶嵌型结构面积先减少后增加;随着改性时间的增加,改性煤沥青炭化产物的区域型结构增加,镶嵌型结构减少。采用综合热分析(TG-DTG)对AlCl_3改性剂的用量6%,改性温度260℃,改性时间3h的改性煤沥青和中温煤沥青的热缩聚特征进行了对比研究,结果表明:中温煤沥青的开始失重温度在126℃左右,结束失重温度在585℃左右,失重率为60.54%,而改性煤沥青的开始失重温度在158℃左右,结束失重温度在572℃左右,失重率为50.08%,相比之下,改性煤沥青的开始失重温度更高,结束失重温度和失重率更低。中温煤沥青的最大失重速率温度在426℃左右,而改性煤沥青的最大失重速率温度在452℃左右,改性煤沥青的最大失重率温度更高,DTG曲线明显向温度高的方向偏移,改性煤沥青的热稳定性更好。
【图文】：

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1-内釜热电偶 2-压力表 3-釜自带搅拌桨偶 5-不锈钢高温高压反应釜（内釜） 6-加热图 2.1 热聚合高温高压反应釜原理图Fig.2.1The schematic diagram of polymerization autoclav组分的提取煤沥青（C-1）与甲苯以 1g:20ml 比例加入 500m的恒温条件下搅拌 3h，转速为 350r/min，然后进次用热甲苯、丙酮冲洗甲苯不溶物，，分离出甲苯液在 140℃的温度下蒸馏，除去甲苯溶剂得到甲苯甲苯不溶组分（TI）与喹啉以 1g:20ml 的比例加 75±5℃恒温下搅拌 3h，转速为 350r/min，然后进次用热甲苯、丙酮冲洗喹啉不溶物，分离出喹啉

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图 3.4 煤沥青（C-1）和其族组分炭化产物的 SEM 照片（a）煤沥青（C-1）（b）TS 组分（c）TI 组分（d）β 树脂的炭化产物（f）QI 组分Fig3.4 SEM photographs of car carbide of coal tar pitch and its group components：（a）coal tar pitch（C-1）（b）TS（c）TI（d）β resins（e）QI 中温煤沥青和其族组分炭化产物的 XRD 分析图 3.5 为中温煤沥青（C-1）和其族组分经过 1200℃炭化产物的 XRD 谱 3.5 可知，中温煤沥青（C-1）和 TS、TI、QI 组分经过 1200℃炭化后，在 2θ=出现了炭的特征衍射 d002峰。TS 组分炭化产物的 d002特征衍射峰更尖锐的半高宽最窄，峰强最高， TI 组分和 QI 组分炭化产物的 d002特征衍射 2θ 衍射角向低角度偏移，其（002）特征衍射峰仅稍微隆起，衍射峰宽较低，在其左边出现了一个呈弥散型的小突起，根据 Bragg 方程 2dsinθ=errer 公式 Lc=0.89λ/(β/cosθ)可知，TS 组分炭化产物的晶格参数 Lc 最大，层间距 d 最小，这说明了在相同的炭化条件下 TS 组分更容易石墨化，
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ522.65

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