废丁橡胶(WSBR)改性沥青基中间相的制备与研究

摘要

沥青基中间相是制备高性能炭材料的前驱体,其性能决定了碳材料性能的优劣,而利用废弃聚合物改性沥青并制备中间相,既可以避免污染环境和资源浪费,又能降低生产成本,因此对废弃聚合物改性沥青基中间相制备方法和性能的探究是制备高性能炭材料必不可少的前提. 本课题以废弃丁苯橡胶(WSBR)作为改性剂,分别对90A#石油沥青和中温煤焦油沥青进行改性,并在420℃和450℃下进行热处理以制备改性沥青基中间相.通过红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(RMS)及X射线光电子能谱(XPS)分析WSBR改性沥青基中间相的分子组成;通过偏光显微镜和扫描电镜(SEM)分析中间相的光学结构;通过热失重(TG/DTG)和热差式扫描(DSC)分析沥青基中间相的热行为. 通过各类检测对WSBR改性沥青进行表征后发现,WSBR改性剂以物理方式与沥青进发生混合,并未发生化学变化;随着WSBR含量的增加,改性沥青中的烷基含量也有所增加;WSBR对煤沥青体系的粘度/热变形能力的改善能力也远远大于对石油沥青体系的改善;在400-500℃内,WSBR对煤沥青液态向晶态转变过程有较大的促进作用,而对石油基沥青的促进效果则不如对煤沥青,这与WSBR在煤沥青中的分散结构和轻质组分质量分布有关. 在制备WSBR改性沥青基中间相的过程中,发现沥青中间相形成过程中有大量烷基结构增加:当炭化温度为420℃时,MMA0-420的中间相含量近乎为0;随着WSBR的添加,MMA10-420和MMA20-420的表面颗粒增多,表现出一定的有序性,并出现了具有光学活性特征的各向异性晶体结构;当炭化温度为450℃时,MMA0-450、MMA10-450、MMA20-450均形成光学各向异性晶体结构,且MMA10-450中间相含量最高,出现流线型和少量广域型晶体结构;MMA0-450各向异性区域所占面积比例明显小于添加WSBR改性剂的中间相沥青;炭化温度为450℃时可以形成少量广域融并体,表明在该温度下WSBR改性沥青转化为中间相的含量远远高于420℃. 在制备WSBR改性煤基沥青中间相的过程中,发现MMCP-420的中间相含量从高至低排列为:MMCP15-420＞MMCP20-420＞MMCP10-420＞MMCP5-420＞MMCP0-420.仅有MMCP15-420和MMC P20-420出现了部分广域流线型和部分广域型各向异性结构,并且MMCP15-420的各向异性光学结构含量高于MMCP20-420.当煤沥青在炭化过程中,表面颗粒较少,并伴有少许孔,且在横截面部分有不规则孔洞形成;而添加了WSBR改性剂后,表面颗粒增多,结构逐渐变得致密,并出现片层结构.通过对煤基和石油基沥青中间相分析发现,未添加改性剂的沥青,在高温下很难形成中间相,呈现各向同性结构,随着WSBR改性剂的加入,中间相的含量和结构有了明显改善.WSBR裂解形成的甲基、亚甲基和环烷结构,促进了稠环芳烃大分子进一步的融并,进而形成中间相. 在WSBR改性剂与沥青的共碳化过程中,WSBR热解产生的聚苯乙烯烷基链自由基与沥青产生的氢自由基和沥青稠环大分子自由基发生交联反应,产生了大量的甲基、亚甲基桥段和环烷结构;亚甲基桥段可以提高分子空间距离,提高分子平面度,改善稠环芳烃的融并,提高中间相含量,并改善中间相结构.

目录

声明

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 沥青的简介

1.2.1 煤沥青

1.2.2 石油沥青

1.3 包装废聚合物的研究现状

1.3.1 包装废聚合物的回收分离

1.3.2 包装废聚合物的再生利用

1.3.3 废丁苯橡胶（WSBR）的回收再利用现状

1.4 改性沥青形成中间相的研究现状

1.4.1 炭质中间相的研究现状

1.4.2 中间相制备方法

1.4.3 中间相形成理论

1.4.4 沥青基中间相形成过程中的影响因素

1.5 改性沥青形成中间相的机理

1.6 炭质中间相的应用

1.7 研究意义

1.8 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题

1.8.1 研究目标

1.8.2 研究内容

1.8.3 拟解决的关键问题

1.9 技术路线

第二章 改性沥青的制备

2.1 前言

2.2 WSBR改性沥青的制备

2.2.1实验

2.2.2检测

2.3结果与讨论

2.3.1红外光谱分析

2.3.2软化点分析

2.3.3热差式扫描（DSC）分析

2.3.4热失重（TG）分析

2.4小结

第三章 WSBR改性石油基中间相沥青的制备

3.1 前言

3.2 实验

3.3 测试

3.3.1中间相的FTIR分析

3.3.2中间相在偏光显微镜下结构分析

3.3.3中间相在扫描电镜（SEM）下的形貌分析

3.3.4中间相的TG/DTG分析

3.3.6中间相的X射线衍射（XRD）分析

3.3.7中间相的X射线光电子能谱（XPS）分析

3.4 结果与讨论

3.4.1 FT-IR分析

3.4.2 RMS分析

3.4.3 光学结构分析

3.4.4 XRD分析

3.4.5 TG/DTG分析

3.5 小结

第四章 WSBR改性煤基中间相沥青的制备

4.1 前言

4.2 实验

4.3 测试

4.3.1 中间相的FTIR分析

4.3.2 中间相在偏光显微镜下结构分析

4.3.3 中间相在SEM下的形貌分析

4.3.4 中间相的TG/DTG分析

4.3.5 中间相的RMS分析

4.3.6 中间相的XRD分析

4.3.7 中间相的XPS分析

4.4 结果与讨论

4.4.1 FTIR分析

4.4.2 RMS分析

4.4.3 光学结构分析

4.4.4 XRD分析

4.4.5 TG/DTG

4.4.6 XPS分析

4.5 小结

第五章 WSBR改性石油/煤基沥青中间相形成机理

5.1 前言

5.2 热解机理

5.2.1 离键能

5.2.2 不同分子结构的热解反应

5.2.3 WSBR 热解机理分析

5.2.4 共炭热解

5.3 小结

第六章 结论、创新和展望

6.1结论

6.2创新及特色

6.3展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果