分析煤沥青的改性及其机理研究进展

2019-10-11 版权声明 举报文章

摘要:煤沥青具有价格低廉、资源丰富等优势,但仍存在残炭率低等弊端,要想对这些弊端进行改善,必须通过改性来实现,文章对改性沥青的制备方法以及近段时间国外以及国内改性煤沥青的发展状况作了简要的介绍,并且深入探讨了其机理。但是由于煤沥青的组合较为复杂,所以并不能切实知道其真正的反应机理,我们只能根据相应的测试结果对其提出可能的改性机理。

关键词:煤沥青 机理 改性

碳材料是指选用无定型碳或者石墨作为主要的原料,辅以其他原料通过特殊的生产工艺,进而制出的无机非金属材料。碳材料发展至今,其种类越来越多,综合性能相比从前也非常优异,被广泛地应用于冶金、航空航天、机械和半导体等工业领域。研究高性能、低成本的碳材料,已经逐渐受到了国际范围内的普遍关注。研制高性能、低成本的碳材料的关键在于研制综合性能优良的基体前驱体。文章主要介绍了煤沥青的性质、种类以及组成,对改性煤沥青的制备方法以及国内外改性煤沥青的发展情况作出了深入的探讨。

一、煤沥青的性质

煤沥青的全称是煤焦油沥青,是煤焦油蒸馏以后提取馏分以后的残留物体。煤焦油是生产民用煤气时作为煤高温干馏的副产物或者生产炼铁用冶金煤得到的。它是煤焦油加工中分离出的产品,根据蒸馏条件的不同,其产率通常在50%以上,煤沥青在常温状态下为黑色固体,没有固定的熔点,呈现出玻璃性状,在受热之后软化进而熔化,在金属冶炼、碳素工业、耐火材料、道路建筑以及建材行业有着广泛的应用。

二、煤沥青的组成

其实,煤沥青的组成极为复杂,它是多种组成的共熔混合物体,现已经查明,其中的化合物大概有70多种,绝大部分为三环以上的多环芳烃,其中还有氧、氮、硫等元素的杂环化合物以及少量的高分子碳素物质。在这些化合物中,约有一半带有甲基、酚羟基、亚氨基、苯基等,沥青组成与炼焦煤的性质和杂原子的含量密切相关,其还受到了煤焦油蒸馏条件以及炼焦工艺制度的影响,与其他物质相比较,煤沥青价格低廉、资源丰富、流动性高、含碳量高以及易石墨化,这些优点决定了煤沥青被常常用来作为碳材料的基本前驱体。

基于煤沥青化学组成的复杂程度,我们常常用溶剂组分的分析方法对它的特征加以分析,煤沥青可以分离为若干具有相似物理、化学性能的芳香族化合物,选择不同溶解能力的溶剂对煤沥青进行溶剂抽提,就可以把煤沥青分为不同的组分,了解了这些,即可在一定程度上对煤沥青的组成情况产生一定的了解。

三、煤沥青的几种类型

煤沥青的种类繁多,普通煤沥青产品包括高温沥青、中温沥青以及低温沥青,高温沥青与改质沥青极为相似,它是普通煤沥青类型中的高级产品,改质沥青与高温沥青的不同在于:改质沥青除了软化点与高温沥青相似,还对沥青组分含量和结焦值有具体要求,而高温沥青仅仅对于软化点有要求,所以改质沥青在对质量品级和对煤沥青的结构组成要求上较为苛刻,而这些要求则是针对碳材料的生产需求进行科学设定的。

当前煤沥青资源的效益以及加工水准对整个煤焦油的加工起到关键的作用。在国内,很多的煤焦油加工企业,基本不再对沥青进行加工,而其价格常常低于原料焦油,这势必导致煤焦油加工企业的效益不佳,有的企业甚至亏损。由此可见,如何对煤沥青进行科学的深加工,从而提高产品的附加值是煤焦油加工行业的重要课题

四、改性煤沥青的制备技术

煤沥青的改性技术包括真空闪蒸、水蒸气蒸吹、加氢、回配、共碳化、空气氧化和化学催化等工艺。此外,我们可以通过添加改性剂,从而达到对沥青改性的基本目的。目前,在煤沥青中添加化学活性剂是煤沥青改性的主要趋势。因为化学活性剂既可以存进煤沥青发生分子交联,又可以阻止碳化过程中小分子组分的挥发,进而达到提高煤炭青残炭率和提高沥青残炭率的根本目的。但如果交联过度就会产生大平面状分子甚至近乎体状交联,大大影响了煤沥青的流变性能,阻碍了中间相的发展,对其石墨化性能会产生诸多不利影响。具体其改质处理的方法为以下几种:

1.氧化法,这种方法主要是在一定的环境下,对其通入空气使沥青产生氧化,采用该法优点在于:可以使残化率最大化,而且具有较好的流变性能,添加硫则会使残炭率进一步增加。但需要强调的是,如若氧的含量大于7%,会导致中间相的转化完全被抑制,而获得石墨化焦炭,加入硫会使沥青产生过度的交联,使软化点获得较大幅度的提高,一旦硫的含量增加到了10%,所得到的碳也不能石墨化。因为氧化法制出的改质沥青具有相对较高的软化点,而且工艺相对陈旧,很难生产出合格的电极用沥青,目前已经很少采用。

2.热聚合法,此法采用焦炉煤气对间歇式沥青加热炉直接加热,对其导入中温沥青,在加压釜内以规定的压力和400摄氏度的高温加热5小时,蒸气全部回流,避免其跑出釜外,之后用闪蒸塔进行闪蒸,将低沸点的物质进行快速导出,采用该法通过热处理和加压以后的沥青β树脂含量得到明显升高。其软化点相对较低,质量的各个指标较好。

关于改性煤沥青的制备方法还包括加压热聚处理法、G-T法、减压热聚法等,在这里就不做一一介绍了。

五、研究改性煤沥青的进展

在最近几年,国内外关于改性煤沥青的研究很多,并取得了一定的成果,一些专家对本二甲醛对煤沥青进行了改性,研究了改性沥青的热行为以及粘度与温度的关系,结果证实,本二甲醛改性沥青的粘度和温度呈现出一定的关系,可以作为浸渍剂煤沥青使用。他们还用树脂对煤沥青进行了改性,并研究其碳化行为所得的半焦光学结构,该法对沥青的改性所得的焦光学结构得到了显著提高。

六、结论

我国对改性沥青的研究仍处在探索阶段,承担这一工作的多数为一些科研单位和高等院校,产业和研究仍然存在着脱节现象,这就导致我国的工业化的实际应用相比国外存在一定的差距,此外我国改性沥青的生产设备相对滞后,缺乏竞争力,所以对改性沥青反应原理的研究,是当前需要重点解决的问题。

参考文献

[1]郭彦文,秦英月,吕永康等,煤在新型炭材料制备中的应用[J].煤炭转化,2005,28(3):93.

[2]何玉秀,各种用途电极沥青的生产[J],燃料与化工,2003(6):328

[3]罗道成,刘俊峰,煤沥青改性后流变性能的变化分析[J],煤化工,2008(3):52.

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