對(duì)煤基瀝青中間相形成因素及針狀焦結(jié)構(gòu)影響的研究.pdf

1、針狀焦具有熱膨脹系數(shù)低、密度大、耐腐蝕、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)良的綜合性能，能滿足環(huán)境條件十分苛刻的要求。因而，它是高溫電弧爐煉鋼用高功率電極和超高功率電極的首選材料。研究表明，由針狀焦所制碳電極，同原有普通碳電極相比，可降低一半耗能。此外，在鋰離子電池負(fù)極材料、超級(jí)電化學(xué)電容器等方面亦得到重要應(yīng)用。我國(guó)是生產(chǎn)和消費(fèi)煤炭的大國(guó)，在煤炭深加工如煉焦過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生約2～3wt.％的煤瀝青。2013年焦炭的生產(chǎn)量就達(dá)4.76億噸，因此，產(chǎn)

2、生的煤瀝青的數(shù)量相當(dāng)可觀。對(duì)其高效利用，可實(shí)現(xiàn)資源的科學(xué)利用和有效配置。深入研究煤瀝青改性及外在條件對(duì)中間相形成產(chǎn)生的影響，以期揭示科學(xué)規(guī)律，對(duì)提高或改善針狀焦結(jié)構(gòu)具有重要的幫助，進(jìn)而提高針狀焦綜合性能，其研究對(duì)提升煤炭資源的利用率、延伸煤炭深加工的產(chǎn)業(yè)鏈條及改變只焦不化的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)具有重要意義。
　　本論文以中溫煤瀝青為原料，通過(guò)改變不同條件對(duì)去除喹啉不溶物的精制煤瀝青進(jìn)行炭化，研究了溫度、壓力、時(shí)間及電場(chǎng)強(qiáng)度等對(duì)中間相、半焦和針

3、狀焦的結(jié)構(gòu)及其性能的影響;在此基礎(chǔ)上，研究了溶劑預(yù)處理煤瀝青、提取中間相炭微球、添加石墨烯、改性煤瀝青等對(duì)中間相及針狀焦結(jié)構(gòu)的影響，并對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。
　　采用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、偏光顯微鏡、紅外光譜分析(FT-IR)、循環(huán)伏安法(CV)及電化學(xué)交流阻抗(EIS)等方法對(duì)精制煤瀝青、中間相、半焦及針狀焦的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了表征分析。得到的主要結(jié)論如下:
　　1、在壓力為0.5M

4、Pa、電場(chǎng)強(qiáng)度為300kV/m、炭化溫度為470℃條件下，保溫3h，得到的中間相小球完善均勻，而且中間相小球所占比例達(dá)到了52.3％。在升溫速率為0.5℃/min，終溫為600℃，保持時(shí)間為2h時(shí)，生成半焦的結(jié)構(gòu)比較完善。進(jìn)一步經(jīng)過(guò)煅燒處理，可明顯改善針狀焦的結(jié)晶性，即分子的層面堆積高度增大，分子層間排列趨于致密，纖維結(jié)構(gòu)更發(fā)達(dá)，石墨化程度得到明顯提高。
　　2、用不同極性和結(jié)構(gòu)的溶劑對(duì)去除一次性喹啉不溶物的煤瀝青進(jìn)行抽提，以去除

5、瀝青中雜原子，分析了不同溶劑的抽提效果。結(jié)果表明，不同溶劑對(duì)雜原子的去除效果不同。其中，采用庚烷和四氯化碳混合溶劑抽提得到的煤瀝青雜原子O、N和S含量明顯降低。它們的存在不利于芳香分子共軛程度的增加;相比而言，硫原子對(duì)其影響最為顯著，而N和O對(duì)纖維的取向程度影響較弱。
　　3、通過(guò)提取中間相微球并以其作為下一次制備煤瀝青中間相的晶種，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了對(duì)其中間相結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)二次、三次和四次晶種存在的環(huán)境下產(chǎn)生的中間相

6、，其微球的數(shù)量隨著次數(shù)的增加，出現(xiàn)開(kāi)始迅速增多而后緩慢增加的現(xiàn)象。其中，經(jīng)過(guò)二次、三次和四次晶種存在下得到的中間相瀝青，其微球數(shù)量所占比例分別為45.4％、69.8％、71.2％;而經(jīng)三次和四次晶種存在下制備的煤瀝青產(chǎn)生的針狀焦，其光學(xué)纖維組織分別可達(dá)89％和80％。在攪拌下表現(xiàn)出更好的電容性和更清晰完善晶體結(jié)構(gòu)。
　　4、探討了在煤瀝青中添加了石墨烯作為晶核對(duì)中間相形成過(guò)程及其對(duì)半焦和針狀焦產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，隨著石墨烯量的增

7、加，微球的數(shù)量也逐漸增多，合適添加量為0.2wt％。當(dāng)添加量超過(guò)0.2wt.％，微球數(shù)量的變化不再顯著;其中，由添加0.2wt.％的石墨烯得到中間相用于制備半焦和針狀焦，其光學(xué)纖維組織結(jié)構(gòu)比較完善;同未添加石墨烯的半焦及針狀焦相比，電容性增大。
　　5、采用烷基化試劑溴代正丁烷和溴代正丙烷作為改性劑，研究了改性后對(duì)煤瀝青中間相纖維組織和對(duì)針狀焦結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，經(jīng)溴代正丁烷改性的煤瀝青MCTP-7B，其軟化點(diǎn)降