中温煤沥青热聚合改性机理研究

孟宇　郭卓　高平强

摘要：作为一种化学物质，煤沥青无论是在成分方面还是在结构方面都十分复杂，其主要的結构单元为多环芳径及相关的衍生物。随着我国科学技术研究水平的不断提升，对中温煤沥青热聚合改性机理的研究也渐渐引起了相关人士的重视。煤沥青的含碳量较高，同时流动性较好，因此可以在现实情况中进行利用，煤沥青的应用领域在现实中也不断的得到拓展。据此，本文分析了相关问题，研究中温煤沥青热聚合改性机理，希望能够对现实有所裨益。

Abstract： As a chemical substance， coal tar pitch is very complicated both in composition and structure. Its main structural unit is polycyclic aromatic diameter and related derivatives. With the continuous improvement of scientific and technological research in China， the research on the mechanism of thermal polymerization modification of medium temperature coal tar pitch has gradually attracted the attention of relevant people. Coal tar pitch has a high carbon content and good fluidity， so it can be utilized in real life. The application field of coal tar pitch is also continuously expanded in reality. Based on this， this paper analyzes the related problems and studies the mechanism of thermal polymerization of medium-temperature coal tar pitch， hoping to benefit the reality.

关键词：中温煤沥青;热聚合改性机理;发展

Key words： medium temperature coal tar pitch;thermal polymerization modification mechanism;development

中图分类号：TQ522.63                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）33-0202-02

0  引言

在炭材料的生产过程中，煤沥青具备一定程度上的应用空间，除此之外，煤沥青可以成为沥青漆的组成部分，可以成为筑路材料的主要结构，甚至还能应用于防水防腐材料中。由此可见，在现代煤沥青的应用领域已经得到了扩展，传统的沥青技术已经无法对现实的需求进行满足，针对这种情况，持续的对煤沥青改性工艺进行创新，提升研发水平具有较强的必要性。由于中温煤沥青既存在着应用优势也存在着缺点，所以在改性过程中需要对分子量的分布情况进行调整，尽量对低分子量物质进行消除，使中温煤沥青在具备高性能的基础上对成本进行降低，尤其是对于中温煤沥青最重要的性能来说，粘结性能直接决定着中温煤沥青的应用前景，所以应加强对中温煤沥青热聚合改性机理问题的研究，对其结构性能进行改性处理，进而提升产品的质量，促进我国化工水平的提升。本文对相关问题进行研究，具有一定程度上的现实意义。

1  煤沥青改性工艺研究

想要对整体问题进行研究，就必须要在一定程度上深入分析煤沥青的改性工艺。从改性方式来看，一般情况下会运用热聚合法，而改性剂的选择则以无烟煤、环氧树脂最为常见，在对改性剂用量进行明确、对改性温度进行确认、对改性时间进行控制后，能得出中温煤沥青结构改性后与改性前的差异。在此情况下，专业人士还需要通过偏光显微镜等方式确认中温煤沥青结构的变化，熟悉改性机理。这类操作具备着一定程度上的现实意义，尤其是在国内很少有学者研究中温煤沥青热聚合改性机理的背景下，加强对相关问题的研究可在一定程度上填补国内研究的空白，为进一步提升煤沥青改性水平提供基础。

截止到目前为止，我国掌握了很多中温煤沥青改性的工艺方法，但不同的方法具有着不同的应用范围，其具体的改性效率与改性合理程度都存在差异，相比较于加氢改性工艺、水蒸气蒸吹改性工艺、真空闪蒸改性工艺、化学催化改性工艺，热聚合的可行性、操作性最强，不仅仅工艺简单，同时可降低成本，目前已在一定程度上得到了普及。除此之外，运用热聚合的工艺方法还可以对中温煤沥青的粘结焦抗氧化性能进行明确，并对中温煤沥青的沥青结焦值进行强化，具有较强的实践意义。最后，想要取得良好的改性效果，还应合理选择改性剂。从改性剂角度来看，氧化剂改性剂、活化剂改性剂都具有较好的性能，可为中温煤沥青热聚合改性的实施打下坚实的基础。

2  中温煤沥青热聚合改性方法的研究

2.1 高温热聚法  在这一部分，细致的分析中温煤沥青热聚合改性方法，正如前文所说，相比较于其他改性工艺，热聚合的可行性、操作性最强，不仅仅工艺简单，同时可降低成本，而在热聚合方法中，还存在着不同的分支类别，主要包括高温热聚法、氧化热聚法、减压蒸馏热聚法等。从高温热聚法的角度来看，根据压力的划分，高温热聚法可以被分为常压法与加压法，其操作过程具有一定程度上的灵活性，只需要将中温煤沥青放置在聚合反应釜内进行加热，在一段时间后就可以除去挥发成分，进而提高煤沥青的结焦值，扩大其相关化合物的含量。高温热聚法的具体操作包括连续流程与间歇流程，在操作过程中应保证加热温度达到400℃以上，经过高温热聚改性后，煤沥青的各项基本指标都可以对工艺实际需求进行满足。

发展到目前为止，高温热聚法的技术最容易掌握，同时整体操控步骤也较为简单，但是，相關人士应注意煤沥青具有高粘结性的特征，所以使用高温热聚法可能会导致管道堵塞，降低生产自动化的水平。

2.2 氧化热聚法  从氧化热聚法的角度来看，所谓氧化热聚法主要是指以二次蒸发器为基础设施，将中温煤沥青放置于聚合釜内，合理控制温度，保持在360℃左右，最后加入氧气，形成氧化聚合的状态。在一般情况下，氧化热聚法的操作难度较高，之所以会如此，主要是因为受到氧化改性的沥青具有着较为复杂的控制程度，很多因素都可能会影响氧化钙性沥青的工艺参数，所以其质量可能无法达到标准，可见氧化热聚法的可行性在现实情况中并不算高。

2.3 减压蒸馏热聚法  作为热聚合法工艺方式中的一种，减压蒸馏热聚法的时间较短，能够在短时间内快速的对沥青进行减压，达到改性的目的。具体的操作流程为将煤沥青放置在闪蒸塔内，由于受到蒸汽喷射泵的具体影响，闪蒸塔的顶部会出现真空状态，在这种状态下对沥青进行减压蒸馏能够在最短的时间内挥发闪蒸塔的馏分，从而提升煤沥青的软化点。由于其聚合温度较低，所以其在所有热聚合方法中最为特殊，同时其基本的缩合程度较小，这需要引起相关人士的重视。

3  中温煤沥青热聚合改性机理

3.1 改性机理  煤沥青的价格较为低廉，性能较好，能够在多个领域发挥作用，但其无论是在结构方面还是在组成方面都较为复杂，因此在对中温煤沥青进行热聚合改性处理时需要注意相关的细节。

在对炭材料进行生产的过程中，煤沥青不仅仅可作为基体原料使用，由于其具备流动性较好、含碳量高的特点，所以煤沥青还可以“扮演”浸渍剂、黏结剂的“角色”。但有优点就势必有缺点，对于普遍用于商业的煤沥青来说，其缺点主要集中在炭化后孔隙率较高、残炭率较低等方面，如果不对这些问题进行解决，就可能会影响产品的碳素性能与质量。所以需要对中温煤沥青进行改性，通过改性可提高煤沥青的残炭率，对分子量分布的情况进行调整，进而满足碳素制品的使用需求。

改性煤沥青的各项性能会对炭材料产生较大的影响，除此之外，煤沥青的流变性以及热稳定性也可能会直接影响到产品的质量，所以相关人士需要加强对中温煤沥青改性问题的研究，在实践过程中深入的分析其改性机理。中温煤沥青热聚合改性需要以改性时间、改性温度入手，在保证搅拌速度的基础上合理控制温度与时间，除此之外，对于煤沥青来说，其基本的组分性质存在较大的差异，在经过热聚合处理后煤沥青往往会形成热力学稳定的大分子稠环芳烃平面，尤其是在特定改性条件下，改性处理时间越长，煤沥青的软化程度相应的温度也会提升，由此也可以得出结论：热聚合改性法可以对中温煤沥青软化点产生具体的作用。

想要在实践操作中提升热聚合改性的效果，就必须要注意好改性时间、反应温度等等细节，尽最大努力对热聚合改性的效果产生积极影响。

3.2 微观结构情况  在现实中对煤沥青的利用很多时候是将其作为炭材料的粘结剂，由于煤沥青具有较高的结焦值，所以作为炭材料的粘结剂较为适合，但除了结焦值之外，还需要使煤沥青具备较高的B树脂含量，其中煤沥青的结焦值与流变性会在实际情下产生相互制约的状态，煤沥青的结焦值越高，流动性就会越差。中温状态下的煤沥青在炭化后会出现孔隙率变高的情况，降低残炭率。为了对这一问题进行解决，就必须要结合各个性能指标对中温煤沥青进行改性处理，在提高其流变性的基础上提升中温煤沥青的残炭率。

通过环境扫描电镜分析法、偏光显微镜等方法研究煤沥青的改性机理、微观结构，对偏光显微镜的使用主要借助其双折射性质的各向同异性，对比中温煤沥青在改性前及改性后的微观结构变化，而扫描电镜分析法则可以对分子结构的信息进行反应，在具体研究工程中对混合物的成分进行测定，与此同时，电子显微分析还能够利用试样物质的物理信号对煤沥青热聚合改性的微观形貌进行分析。另外，通过用煤沥青吸收红外光谱带，能够使光谱带与原子团的振动频率出现对应的情况，对煤沥青的强度及相对含量进行测定。无论是哪一种方式，目的都在于明确中温煤沥青热聚合微观结构的具体情况，为现实中对煤沥青的应用提供理论基础。

3.3 结果分析  根据偏光显微镜的分析结果显示，在中温煤沥青热聚合后，结合照片进行具体的量化分析，发现其异性程度出现了增加的情况。另外，通过其他研究方式进行分析得出如下结果，在此一一进行列举：在中温煤沥青热聚合改性后，经改性的煤沥青出现了芳香度明显提高的情况，由此可见，热聚合改性中温煤沥青的效果较为明显。在中温煤沥青热聚合改性后，分析表明中温煤沥青出现了一定程度上的缩聚反应，不仅仅一环芳烃含量出现了减少的情况，2环芳烃同时出现了增加的状态，提升了聚合反应机理效应。在中温煤沥青热聚合改性后，煤沥青炭化产物的片层结构十分明显，具有较为良好的有序性。

4  结论

综上所述，由于中温煤沥青既存在着应用优势也存在着缺点，所以在改性过程中需要对分子量的分布情况进行调整，尽量对低分子量物质进行消除，使中温煤沥青在具备高性能的基础上对成本进行降低，尤其是对于中温煤沥青最重要的性能来说，粘结性能直接决定着中温煤沥青的应用前景，所以应加强对中温煤沥青热聚合改性机理问题的研究，对其结构性能进行改性处理，进而提升产品的质量。对于煤沥青来说，其基本的组分性质存在较大的差异，在经过热聚合处理后煤沥青往往会形成热力学稳定的大分子稠环芳烃平面，尤其是在特定改性条件下，改性处理时间越长，煤沥青的软化程度相应的温度也会提升，由此也可以得出结论：热聚合改性法可以对中温煤沥青软化点产生具体的作用。

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