煤系针状焦原料在成焦过程中的红外光谱定量分析

摘要

低QI含量的软沥青(SCTP)是制备煤系针状焦的优选原料,研究其在液相碳化成焦阶段(350～550℃)的结构变化有助于高品质针状焦的研制.利用样品的红外光谱,通过分峰拟合对谱图中3100～2800 cm-1区的C—H伸缩振动峰和900～700 cm-1区的芳香C—H弯曲振动峰进行了详细辨析,接着基于标准物质的相应C—H振动峰的校正因子,定量出SC T P在不同碳化温度(400,500,600和800℃)下的各类型芳香氢(Hsolo,Hduo,Htrio和Hquarto)和脂肪氢(HCH3,HCH2和HCH)的质量百分含量;进一步计算了样品的SP2杂化碳(SP2 C)和SP3杂化碳(SP3 C)的含量以及H/C原子比、芳香性指数(Iar)、芳香邻位取代指数(Ios)和支链化指数(CH3/CH2)等结构参数,讨论了SCTP在液相碳化成焦过程中芳香结构的变化情况.结果表明,煤系针状焦原料SCTP主要由低环数少侧链的芳烃构成,Iar为0.77,其82% 左右的芳香氢分布在含有三/四个相邻芳香C—H的结构中,而其脂肪氢主要分布在环烷的CH2结构中.随着碳化温度升高,SCTP的脂肪氢或S P3 C几乎呈直线下降,到400℃时损失约50%,这主要归因于轻组分的失去和环烷结构的脱氢,在500℃形成半焦时仅有0.15 W t.% 的脂肪氢和0.88 W t% 的S P3 C,600℃时已检测不到脂肪氢的存在.然而,由于环烷结构转变为芳环,导致芳香氢在400℃之前从原料的3.89 Wt% 轻微增加至4.5 Wt%.随温度进一步升高,芳香氢则迅速减少,到500℃时仅为1.14 W t%,表明在400～500℃中间相形成阶段沥青芳烃分子间发生了激烈的脱氢缩合反应,大量质子化S P2 C转化为非质子化S P2 C也证实了这点.在500℃后芳香氢继续减少,到800℃时已检测不到它们的存在.另外,发现芳烃的C—H面外弯曲振动比其面内伸缩振动对红外光更灵敏.Iar的增加以及H/C原子比、Ios和CH3/CH2等参数的减小,说明SCTP在成焦过程中其芳烃分子在逐步缩合长大,芳香性提高.利用红外光谱对各类型氢的快速定量,可及时了解成焦过程中沥青芳烃分子的结构变化,有助于针状焦的生产.