煤液化残渣结构及中间相形成和转化研究

摘要

炭质中间相是沥青类有机化合物由液态向固体炭过渡转变时的一种中间液晶状态，呈现盘状向列型液晶性质。重质稠环芳烃，如沥青、渣油、蒽、萘等在惰性气氛中热解时，一般经历液相炭化成炭，其温度范围一般在350-550℃之间，生成中间相沥青。中间相沥青性能优异，制备简单，被广泛应用于高性能炭纤维、针状焦、中间相炭微球、泡沫炭等先进炭材料的制备，因此探索中间相沥青的新型制备工艺有着重大的意义。
　　 煤液化残渣是一种高炭、高硫和高灰的物质，主要由未转化的煤、无机矿物质以及煤液化催化剂组成。在煤液化过程中会产生占液化原煤量20％-30％左右的液化残渣，被认为是难以处理的副产物，国内也没有成熟的技术对其进行综合处理，因此，无论从资源有效利用还是从环保方面考虑，煤液化残渣的有效处理问题都急需解决，而利用其制备中间相沥青则具有巨大的研究价值。本论文主要工作如下:
　　 (1)使用正庚烷、甲苯、吡啶依次对煤加氢液化残渣进行萃取，采用元素分析、GPC、红外、核磁共振等手段对萃取物进行测试分析，利用1H/13C-NMR分析法计算出平均分子结构参数，并推测出三种萃取物的平均分子结构模型，主要以缩合芳环结构单元为主，同时含有1～2个氮、氧杂环或脂肪环，一定量的烷基侧链取代基，芳香度高，杂原子含量少，研究表明，煤加氢液化残渣可溶组分的分子结构适宜制备中间相沥青。
　　 (2)采用直接热缩聚法，煤加氢液化残渣甲苯可溶组分在热聚合温度为380℃、反应6h以及吡啶可溶组分在380℃、反应4h的条件下均形成了光学组织结构优良，各向异性含量高的中间相沥青，产物收率分别为75.6％和83.3％，其形貌比煤沥青和石油沥青制备的中间相都更好。
　　 (3)采用催化法，AlCl3为催化剂，以煤加氢液化残渣甲苯可溶组分为原料，在热聚合温度为300℃、反应5h及8h的条件下得到了尺寸均一、表面光滑的中间相小球;在320℃反应8h或者在340℃反应5h，均形成了光学结构均一、各向异性含量近100％的中间相沥青，且软化点分别为275℃和260℃，为可纺性沥青。

目录

声明

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摘要

第一章 绪论

1．1 中间相简介

1．1．1 中间相发展历史

1．1．2 中间相的形成过程、结构特征及组成

1．1．3 中间相沥青的种类

1．1．4 中间相沥青的流动性能

1．2 中间相沥青的合成方法

1．2．1 直接热缩聚法

1．2．2 催化合成法

1．2．3 其它合成方法

1．3 中间相沥青的改性

1．3．1 溶剂浸湿法

1．3．2 空气吹扫法

1．3．3 化学改性

1．4 中间相沥青的应用

1．4．1 高性能炭纤维

1．4．2 粘结剂

1．4．3 中间相炭微球

1．4．4 泡沫炭

1．4．5 炭炭复合材料

1．5 课题的提出及研究意义

1．5．1 课题的提出

1．5．2 煤液化残渣的应用研究进展及意义

第二章 实验原料、装置、主要内容和测试方法

2．1 前言

2．2 原料

2．2．1 沥青原料

2．2．2 化学试剂

2．3 实验装置

2．3．1 旋转蒸发器

2．3．2 高压反应釜

2．4 主要内容

2．4．1 本课题研究内容

2．4．2 技术方案

2．4．3 热处理过程中的主要化学反应

2．5 主要测试方法

2．5．1 族组成分析

2．5．2 元素分析

2．5．3 分子量及分子量分布分析

2．5．4 红外分析

2．5．5 核磁共振分析

2．5．6 软化点

2．5．7 中间相光学结构分析

2．5．8 样品灰分

2．5．9 XRD分析

第三章 煤加氢液化残渣平均分子结构的研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 样品制备

3．2．2 测试分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 样品基本性能及参数

3．3．2 平均分子量与分子量分布

3．3．3 FT-IR分析

3．3．4 1H-NMR和13C-NMR表征结果

3．3．5 平均分子结构参数的计算

3．3．6 平均分子结构模型的推测

3．4 本章小结

第四章 直接热缩聚法制备中间相沥青的研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 中间相沥青的合成

4．2．2 测试分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 反应温度、时间对中间相形貌的影响

4．3．2 反应温度、时间对中间相含量的影响

4．3．3 反应温度、时间对产物收率的影响

4．3．4 结束压力的研究

4．3．5 中间相沥青族组成分析

4．3．6 中间相沥青可溶物的分子量及分子量分布

4．4 本章小结

第五章 催化法制备中间相沥青的研究

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 中间相沥青的合成

5．2．2 测试分析

5．3 结果与讨论

5．3．1 反应温度、时间对中间相形貌的影响

5．3．2 反应温度、时间对中间相含量的影响

5．3．3 反应温度、时间对软化点的影响

5．3．4 结束压力的研究

5．3．5 中间相沥青族组成分析

5．3．6 中间相沥青可溶物的分子量及分子量分布

5．3．7 残留催化剂的去除及表征

5．3．8 催化法与直接热缩聚法制备中间相沥青的比较

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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