煤沥青浸渍性能

煤沥青浸渍性能

摘要：采用热重/差热分析、核磁共振、热台显微镜在位观察等方法，对太钢改质沥青和北京焦化厂中温煤沥青的软化点、元素组成、结构、组成、粘度进行了分析，以评价其作为浸渍沥青性能。结果表明：太钢改质沥青比北京焦化厂中温煤沥青的吡啶不溶物含量高，芳香度低，高温流动性略好，产碳率也高。

1前言高性能石墨材料都需要进行浸渍处理，浸渍剂的性能是影响石墨材料性能的主要因素之一。我国浸渍剂沥青尚无专门生产线，一般采用中温煤沥青和改质沥青或者几种沥青的简单混合配制〔1〕。煤沥青的性能直接影响浸渍效果和成本。国产中温煤沥青和软化点为75～95℃，喹啉不溶物含量一般在6％～10％，产碳率(conradson法)一般低于40％，浸渍效果不佳。如果采用改质沥青，其产碳率则大于40％，但是改质沥青软化点在100～120℃，喹啉不溶物含量6％～15％。如果采用低QI改质沥青，浸渍效果则优于中温沥青。本文分析了北京焦化厂中温煤沥青和太钢改质沥青的结构、组成、粘度、热重和差热，进而比较二者作为浸渍剂的性能差异。

2实验软化点分析：按GB2294—80方法测定。元素分析：采用德国VarioEL元素分析仪。族组成分析：甲苯不溶物(TI)按GB2292—80方法测定；正庚烷不溶物(HI)参照TI分析方法测定；吡啶不溶物(PI)参照GB2293—80方法测定。动力学粘度：采用四川分析仪器厂生产的NXS－11粘度仪测定，剪切速率1s－1。TG/DTG/DTA分析：采用国产TG、DTA分析仪进行，升温速度率为5℃/min，用氩气作保护气体。13C－NMR分析：采用VARINFT－80ASpectrum仪器进行。热台显微观察：采用Leitz热台显微镜动态观察，用高纯氮气作保护气体，以10℃/min的速率升温。

3实验结果及分析讨论3.1沥青的组成两种沥青的组成如表1所示。由表1可见，太钢改质沥青软化点高，碳含量高，这是有利的一面，但是PI也高，灰分多，影响浸渍效果。关于PI(QI)对沥青浸渍性能的影响机制，文献已有报道〔2〕。北焦中温沥青氧含量较高，较多氧的存在对焙烧不利，容易使材料炭化时分解脱除CO2、CO，造成碳的损失及炭制品的结构缺陷。

表1两种沥青的组成

样品软化元素组成（质量分数）/％族组成*（质量分数）/％点/℃ C H N O S 灰分HS HI－TS TI－PS PI

改质沥

青

105 92.87 4.17 1.08 1.44 0.34 0.1 38.47 30.53 10.72 20.28 中温沥

青

92.0 91.59 4.18 0.91 2.79 0.50 0.03 42.08 31.41 13.36 13.15 注：H、T、P分别代表正庚烷、甲苯、吡啶，I、S分别代表不溶和可溶。

3.2沥青的TG、DTG、DTA分析沥青的TG、DTG曲线见图1、图2所示，DTA曲线见图3所示。由TG曲线可见，由于太钢改质沥青比北焦中温沥青软化点高，其初始分解(气化)温度高，最大质量损失率小。两种沥青最大质量损失温度点皆在300℃左右。到550℃以后，两条曲线皆趋于平滑，质量损失率基本不变。由DTA曲线可见，2种煤沥青皆呈吸热效应，无明显的吸热锐峰，这是因为沥青分子量分布较宽的缘故。但是太钢改质沥青较北焦中温沥青吸热峰面积小，这是因为前者分子量大，不易于气化带走热量。

图1两种沥青的TG分析曲线图2两种沥青的DTG分析曲线

图3两种沥青的DTA分析曲线

由图1可以初步估计沥青的产碳率。由于浸渍时升温速率较低，浸渍产碳率高于TG分析的产碳率。太钢改质沥青的产碳率大于42.5％，北焦中温沥青的产碳率大于37.3％。

3.3沥青的13C－NMR分析

上述两种沥青的13C－NMR谱图见图4、图5。

图4北焦中温沥青13C谱图

图5太钢改质沥青13C谱图

由谱图求得两种沥青的碳组成，如表2所示。由表2可见，北焦中温沥青比太钢改质沥青内碳含量高，芳香度高，其分子链的柔性不及太钢改质沥青。

表2两种沥青的碳组成％

样品内碳外碳脂肪碳芳香度太钢改质沥青25.2 71.1 3.7 96.3

北焦中温沥青27.9 68.9 3.3 96.7

3.4沥青的流变性分析

两种沥青的粘温曲线如图6所示。

图6两种沥青的粘度—温度曲线

由于太钢改质沥青比北焦中温沥青软化点高，分子量大，在200℃以前，前者粘度高于后者；由13C －NMR分析的结果，北焦中温沥青比太钢改质沥青芳香度高，在200～300℃范围内，由于北焦中温沥青小分子尚未将大分子充分溶解，分子流动阻力大，粘度高。而太钢改质沥青大小分子间已充分熔融胶体化，粘度较小；到300℃以后，两种沥青的分子分散状态相同，粘度接近相同的恒定值。由此可以得出结论，太钢改质沥青浸渍性能优于北焦中温沥青，二者合适的浸渍温度分别是250℃、300℃

3.5沥青的热台显微镜观察两样品热台显微镜观察结果如表3所示。由表3可见，太钢改质沥青比北焦中

温沥青球晶生成温度略低，易于生成融并体，有利于浸渍材料的石墨化。

表3沥青的热台显微镜观察结果

样品熔融温度/℃球晶生成温度/℃融并情况结焦温度/℃

太钢改质沥青120 440 550℃球晶融并570

北焦中温沥青100 490 560℃前球晶不长大

4结论

(1）太钢改质沥青比北焦中温沥青产碳率高，流动性好，浸渍温度略低，易于石墨化，浸渍效果较好，但是灰分含量较高。

(2)太钢改质沥青和北焦中温沥青合适的浸渍温度分别是250℃和300℃，产碳率分别42.5％、37.3％。

作者简介：吕春祥,男,1966年生，1990年毕业于清华大学化工系高分子专业。主要从事浸渍沥青、沥青基炭纤维、沥青基活性吸附材料和炭/树脂复合材料的研究开发工作，参加和完成了多项国家、省部委和企业课题。作者单位：吕春祥、乔文明、刘朗：中国科学院山西煤炭化学研究所，太原030001

凌立成：中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室