用热重分析仪研究沥青中间相的形成

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本文采用热重分析仪(TG)在不同的条件下制备中间相沥青样品,通过偏光显微镜对反应产物分析表征,以期观察不同热处理条件下沥青中间相的形成过程。相比传统的研究方法,该方法用量更少、更方便、数据可信度更高。首先对三种原料S1、S2、S3在TG内进行热处理并观察形貌,实验发现原料S2反应很慢,热处理温度400℃恒温45min时光学显微镜下很难观察中间相小球的状态,而S3反应过快,较早的成为镶嵌型结构。相比其它两种原料,S1反应速度适中,能较好的观察到中间相小球的状态。结果表明,利用TG对原料进行简单的热处理,能较快速的判断原料沥青的性质,这对原料的深加工具有重要的指导意义。实验选取S1为原料,通过调节热重分析仪温度程序及改变坩埚系统状态来探究热聚合条件对中间相形成的影响。实验发现Ⅰ系统时,热处理温度380℃恒温300min时中间相含量为67.6%,热处理温度升到400℃时,中间相含量达到了 94.0%。当温度升到410℃时,体系较早解体为镶嵌型体中间相,延长时间不能改变样品的形貌。温度升高降低沥青的收率,但中间相收率升高;Ⅱ、Ⅲ系统,中间相含量较Ⅰ系统时低,但沥青收率明显提升。密封性增加可以促进中间相小球的融并,提高中间相的结晶程度,同时使生成体型中间相的时间延长。实验运用一定的表征手段,统计了中间相小球尺寸分布随时间变化情况。温度较低时,随着时间延长中间相小球的数目减少,直径普遍变大,但是小球的尺寸变化非常缓慢。温度升高,中间相小球尺寸明显变大,且尺寸分布较为集中。提高密封程度,沥青系统中间相小球数量减少,且大尺寸小球的比重明显增多。通过对样品偏光显微照片分析发现,沥青中间相形成时中间相小球的沉降是有条件限制的。Ⅰ系统,热处理温度390℃、400℃恒温90min后很难观察到中间相沉降现象。缩短到45min时,390℃有中间相小球沉降的痕迹,400℃时则仍没有发现。当密封程度提升,中间相的沉降现象变得明显,Ⅱ系统400℃恒温45min能观察到中间相小球的沉降现象,而Ⅲ系统温度升到410℃恒温延长到90min时仍可以看到沉降现象。通过对样品的分析,结合TG曲线,拟合两种原料(S1、S4)中间相形成的动力学方程。中间相形成速率常数随温度的升高而升高,且温度越高反应速率提升越明显。通过中间相形成过程各参数进行线性拟合,证实两种石油沥青中间相形成过程都符合一级反应,且两种原料中间相形成的表观活化能分别为174KJ/mol、271KJ/mol。通过实验探索,验证了 TG可以初步判断原料的性质,同时可以探索沥青中间相的形成过程,实验数据为工艺参数的快速确定具有重要的指导意义。
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