制备中间相沥青的实验条件研究

制备中间相沥青的实验条件研究

近年来，由于碳泡沫材料具有良好的性能，人们越来越重视其研究。与碳纤维等重要的碳材料一样，其前材料应是良好的半相沥青。因此,只有生产出性能优良的中间相沥青,才能制备出高性能泡沫炭材料。1反应辕水、除尘器、排气、热电高压反应罐该实验台架为高压反应釜如图1所示,主要包括氮气、搅拌器、排气、热电偶和电热高压反应釜;其他设备包括氮气储罐、减压阀、温控仪、金相试样预磨机、手磨砂纸、金相试样抛光机、偏光显微镜等。2实验过程和方法2.1中间相沥青的制备采用热缩聚法,以煤沥青为原料,使煤沥青在0.5L高压反应釜内,在不同的温度、压力(氮气)、恒温时间条件下机械搅拌,制备中间相沥青。实验选取了3种煤沥青材料,分别为太化焦化厂沥青、鞍钢焦化厂沥青和北京焦化厂沥青,其实验过程如图2所示。2.2煤沥青反应机实验(1)大块煤沥青在粉碎机内粉碎。(2)粉碎好的煤沥青放在鼓风干燥箱中干燥5h取出。(3)将25g左右的煤沥青放入0.5L高压反应釜,在高纯N2保护下,每分钟小于5℃升温速率升至预定温度,实验中采用连续机械搅拌,终温控制在350℃～450℃,压力为常压～6MPa。每5min记数据一次,直到预定温度,恒温2h～10h,自然冷却或风冷。2.3实验计划的设计实验设计见表1。3中相青的性能测试对实验结果经过预处理,再进行偏光显微结构的测定。3.1中间相沥青的制备根据原料分类,以鞍钢沥青,太化焦化厂沥青为原料各制备了4个中间相沥青样品,以北京焦化厂沥青为原料制备了3个中间相沥青样品,以下选取有代表性的图片加以说明。3.2图像分析沥青中间相炭化产物偏光照片如图3～图10所示。3.3文字描述3.3.1间相及中间相含量的比较图3为鞍钢沥青400℃,恒温8h,中间相炭化产物200倍偏光照片。在终温为400℃,恒温时间为8h,初压是常压,终压为2.5MPa,恒温时间为8h条件下,偏光显微照片分别为200倍和100倍时,中间相含量近似为8.44%。在终温为400℃,初压是3.9MPa,终压是7.2MPa,但恒温时间较短,只为4h条件下。中间相含量近似为1.44%。在终温一样条件下,相比较可得,压力低,恒温时间长对生成中间相有利。图4～图6鞍钢沥青中间相炭化产物偏光照片。在450℃,初压2.1MPa,终压7.25MPa,恒温时间为6h条件下,测出中间相含量近似为3.73%,中间相含量很少,推测其原因可能主要也是因为终温太高,使得形成中间相的熔融体环烷烃和烷烃等轻组分过少,黏度较低,最终导致中间相含量不多。在终温为360℃,初压为常压,终压为4MPa条件下,恒温时间为2h,中间相含量近似为17.92%。结合上述结论可得出温度不宜过高。3.3.2偏光图像中中间相的变化图7和图8为太化焦化厂沥青中间相炭化产物偏光照片。在终温相同(都为400℃左右),压力不同;前者初压为常压,终压为1.0MPa;后者初压为2MPa,终压为6MPa;前者恒温时间2h,后者恒温时间为8h。反应在偏光照片上的结构分别为细镶嵌型结构和大融并体型结构,前者中间相含量为11.90%,后者中间相含量为8.55%。分析可知,虽然前者恒温时间短,但中间相含量依然比后者高,说明在温度稍高时,压力低相对较好一点。在压力和恒温时间都相同,升温速率也一样,只是终温不同条件下,前者为420℃,后者较低,为380℃。前者所制中间相为细镶嵌型结构,中间相含量为4.96%。后者所制中间相也为细镶嵌型结构,中间相含量为27.13%。可见,较低的温度对生成中间相有利。据此分析可知,前者所制中间相沥青中,中间相含量低确实是因为终温太高,从而进一步验证上述结论。3.3.3中间相含量检测图9和图10为北京焦化厂沥青中间相炭化产物偏光照片。在恒温时间都为4h,压力相差不大;前者初压为2MPa,终压为5.2MPa;后者初压为3.5MPa,终压为5.6MPa;终温不同,前者为420℃,后者为380℃。图9中,所制样品中中间相含量近似为13.77%。图10中,所制样品中中间相含量近似为62.64%,结构为典型的流线型,中间相含量极高,进一步证明温度不宜过高。3.3.4中间相沥青的制备反应温度在400℃左右,压力都不高,停留时间均不长的条件下,和用其他原料在相同条件下制得的中间相沥青相比,以北焦沥青为原料所制中间相沥青性能最好。4沥青热缩聚最佳配方根据对中间相沥青偏光显微结构的测定与分析,可得最适宜的工艺条件,即以北京焦化厂的沥青为原料,终温360℃～400℃,压力影响不大,但不宜过高,一般不超过3MPa;恒温时间要长一些,6h～10h比较适宜。原因分析如下:(1)温度的影响。低的热缩聚温度不仅节能,而且可以限制沥青分子的过度脱氢和聚合,使体系保留有较大量的环烷和短烷基侧链,维持分子量分布的均匀性,利于形成溶解性熔融性好的中间相沥青。低温热处理还提高了中间相沥青的收率。(2)恒温时间的影响。低温下时间的延长,有利于反应生成平面内排列的大分子结构,形成