中温沥青超声萃取物的热解特性与分子结构间关联性的FTIR解析

沥青分子结构和沥青热转化行为的调控是制备高品质沥青基炭材料的关键。为进一步明晰沥青热解行为与沥青分子结构间的关联性,选用8种有机溶剂对中温沥青（AGMP）在常温下进行超声萃取处理得到8 种萃取物。利用 PeakFit v4.12 软件对各种萃取物的红外光谱吸收峰700~900,1 000~1 800,2 800~3 000和3 000~3 100 cm-1四个区域进行了分峰拟合处理,从而获得了萃取物所含各种官能团的精细结构信息,并引入6种分子结构参数（I₁~I₆）,表征萃取物分子结构与热解活化能的关系。傅里叶变换红外光谱(FTIR)谱图分析表明8种萃取物主要是以含氧、含氮等杂原子的脂肪烃侧链为主的缩合芳香环结构组成的复杂化合物。由于萃取剂结构差异,萃取物中的分子结构参数也略有差异。线性结构萃取剂所得萃取物链烃（I₅）含量较高,环结构萃取剂所得萃取物芳环（I₆）取代结构较多。利用热重分析法（TGA）在不同升温速率（3,6,10,15 K·min-1）下对8种萃取物的热失重行为进行了研究,在等转化率不考虑反应机理的情况下,依据Flynn-Wall-Ozawa法和Kissingr-Akahira-Sunose 法解析得出8 种萃取物的热解活化能（E_a）。结果表明8种萃取物热解活化能在78～116 kJ·mol-1之间,其值大小与官能团结构及含量密切相关。将红外光谱定量分析获得的萃取物红外结构参数与热解活化能进行关联,通过详细分析探讨不同萃取物结构参数与热解活化能的一元线性回归E_a=f(I_i)的分析结果发现,芳香性指数（I₃）和支链化程度（I₅）是决定萃取物热解活化能大小的主要指标,热解活化能与各单一指标（I_i）拟合结果的正负相关性,表示这一结构从体系中被热解破坏的难易程度。综合考虑各红外结构参数的共同作用,AGMP萃取物热解活化能与红外光谱结构指标之间的拟合关系模型为E_a=-4 294.53I₁+73 812.16I₂+207 673.32I₃-20 324.20I₄-168.56I₅+857.86I₆。结合红外分析得到的这一结果,揭示了更多关于煤沥青的热解特性和动力学的细节信息,有助于理解煤沥青的热解过程和热转化行为。     

外墙保温板残料基活性炭吸附苯酚的研究

活性炭是我们生活中常用的吸附剂,此次研究以外墙保温板残料为碳源制备了活性炭,并考察了所制备的活性炭对苯酚的吸附性能;针对吸附时间、吸附温度、p H、浓度等因素对苯酚吸附的影响,确定了吸附工艺参数:吸附苯酚最优条件为吸附时间90min,温度40℃,p H为4,浓度为0.78mg·m L~(-1),吸附量606.88 mg·g~(-1)。动力学分析:苯酚在外墙保温板残料基活性炭上的吸附符合内分子扩散模型,活化能为Ea=24.5kJ·mol~(-1),苯酚在外墙保温板残料基活性炭上的吸附符合Temkin模型;热力学分析得:在温度低于40℃时,ΔG(0,ΔH=15.761kJ·mol~(-1)(0,ΔS=141.7J·mol~(-1)/K(0,活性炭对苯酚的吸附是自发的吸热过程;混乱度增加,即活性炭更容易吸附苯酚。由此可见以外墙保温板残料为碳源制备的活性炭可以处理应急被苯酚污染的水。     

低阶煤热萃取物与瘦煤共炭化焦炭的微观结构及显微强度研究

以众唯瘦煤作为主炼焦煤,大同长焰煤萃取物作为添加剂,进行共炭化处理制备坩埚焦。利用偏光显微镜法定量研究焦炭光学显微组分,获得焦炭的各向异性指数(DRAS);采用XRD及分峰拟合的方法研究了焦炭的微晶粒径(L_c)、芳香缩合度(I_a)、石墨化度(g);利用Raman光谱结合分峰拟合的方法研究了焦炭中理想石墨微晶含量(I_g)。对所得焦炭的光学显微组分进行定量分析发现:大同长焰煤热解萃取产物的添加对共炭化焦炭的光学显微组分有显著的影响,利用偏光显微镜法计算出焦炭的DRAS与XRD和Raman计算的焦炭微晶参数呈现很好一致性。并且,焦炭的显微强度与其微观结构关联性极大。     

煤系针状焦煅烧过程中焦炭微晶结构的演变规律

以煤系针状焦的生焦为原料,在2和5℃/min的升温速率下进行煅烧,采用FT-IR、XRD、Raman光谱等分析手段研究煅烧过程中针状焦微晶结构的演变规律。结果表明,随着煅烧温度的升高,针状焦中碳微晶的直径La、炭微晶的高度Lc、晶体中的片层含量N以及每层中平均碳原子数n、趋于规整的石墨微晶含量Ig逐渐升高。但是受挥发分逸出和生焦收缩的影响,Lc出现了明显的"拐点"。新增片层与原有片层间存在的随机"层错",导致层间距d002的波动。相同温度下升温速率越快,晶格尺寸越小,片层含量N及每层平均碳原子数n越少,Lc出现"拐点"的温度越靠后。理想石墨微晶含量(IG/Iall)随温度的升高逐渐增加;而具有缺陷的石墨微晶间在煅烧过程中不断相互转化,最终发育为理想石墨微晶。碳网平面上C-C键平均键长α则随着煅烧温度的升高明显增加。     

煤系针状焦原料在成焦过程中的XRD结构分析

低QI(原生喹啉不溶物)含量的软沥青（SCTP）是制备煤系针状焦的优选原料,研究其在成焦过程中的结构变化有助于高品质针状焦的研制。基于样品的X射线衍射（XRD）数据,利用Smarsly团队开发的CarbX软件对其全谱拟合,定量出SCTP在不同炭化温度（400,500,600,800,1 000,1 200和1 400 ℃）下的微晶结构参数,进而在纳米尺度下研究SCTP的热致结构变化情况。结果表明,随炭化温度升高,微晶堆垛的石墨烯层大小L_a从初始沥青的10.3 Å逐步增大到1 400 ℃的47.9 Å,但在500 ℃前L_a增加缓慢,只有当温度超过800 ℃后,L_a才显著增大,这表明需要800 ℃以上的高温才能使交联石墨烯层内的原子重组,进而导致微晶长大。然而,石墨烯碳网的C—C键长l_cc受温度的影响很小,在1.41~1.42 Å范围内变化。由于SCTP在液相炭化成半焦过程中存在中间相转化,导致微晶堆垛高度L_c在500 ℃前逐步增大,在500 ℃时达到最大（L_c=31.1 Å）,随后由于半焦进一步热解缩聚,使L_c逐步减小,在1 000 ℃时达到最低点（L_c=15.4 Å）,超过1 000 ℃后又开始增大。与L_c的变化趋势相同,堆垛的石墨烯层数N从原始沥青的2.66层增加到500 ℃的约9.05层,随后减小到1 000 ℃的4.55层,超过1 000 ℃后又开始增大。由于500 ℃前样品仍处于沥青态,所以此阶段微晶的石墨烯层间距a₃都较大,约为3.50 Å。当在500 ℃变为半焦后,a₃迅速减小至3.44 Å。随后温度升高,a₃在1 000 ℃达到最小（a₃=3.39 Å）,1 000 ℃后又开始增大,这表明焦炭经历了收缩再膨胀过程。通过CarbX软件拟合样品的XRD数据,除了可得到样品炭微晶的主要尺寸（L_a,L_c,N,a₃）信息外,还可获得这些参数的分散性（k_a,k_c,σ₃,ε₃）以及堆垛的取向性（q）、均匀性（η）和无序碳含量（c_un）等信息,有利于深入了解样品的微观结构,有助于优质针状焦的生产。     

煤系针状焦微晶结构的XRD与Raman分峰拟合定量研究

采用XRD和Raman光谱分析技术,结合分峰拟合的数学方法,对不同生产厂家的三种煤系针状焦Coke-N,Coke-H,Coke-P进行了研究。由XRD分析结果计算出了三种针状焦的石墨化度、晶体结构类型以及晶粒尺寸(La和Lc),通过对XRD的分峰拟合处理,得出了三种针状焦中趋于规整结构的碳微晶含量(Ig)。通过对样品的XRD分析可知,Coke-N和Coke-P的石墨化程度及Lc相接近,并且明显大于Coke-H;La之间的关系为:Coke-NCoke-PCoke-H。通过Raman光谱结合分峰拟合的数学方法对样品进行了定量分析。研究结果表明,三种针状焦在拉曼位移1 000~2 000cm-1处有5个一阶谱拟合峰(G,D1,D2,D3,D4)。对样品的拉曼一阶谱拟合后所得出的每个拟合峰面积进行计算,可以用来定量分析三种针状焦中碳微晶结构的分布情况。由I_G/I_(All),I_(D1)/I_G,I_(D2)/I_G,I_(D3)/I_G,I_(D4)/I_G的计算可知,Coke-N和Coke-P的微晶结构比Coke-H的微晶结构更规整。在Coke-N中理想石墨碳微晶所占比例为0.33,而Coke-H和Coke-P分别为0.086和0.311。另外,Coke-H在三个样品中的无定形碳比例明显大于另外两个样品。Raman光谱分析结果与XRD的分析结果相吻合。由此可以看出,采用XRD和拉曼光谱分析技术可以从微观层面判定宏观质量不同的煤系针状焦差异的实质。     

净化沥青的傅里叶变换红外光谱分峰拟合定量分析

高温煤焦油沥青是人造炭材料的优质原料。为了获得高品质人造炭材料,必须对原料沥青进行净化处理,使得净化沥青具有合理的分子量分布、较高芳香缩合度和适宜的脂肪族侧链结构,炭化后才能生成易于石墨化的趋于规整的碳微晶结构。分别以中温沥青和热聚合改性沥青为原料,采用两种净化分离处理方法,得到四种净化沥青(RP-1,RP-2,RP-3和RP-4)。以四种净化沥青的傅里叶变换红外光谱数据为基础,结合分峰拟合数学方法,准确获得了净化沥青的芳香性指数(Iar)、支链化指数(CH₃/CH₂)、OH官能团的存在形式及分布情况和其他基础官能团含量。由分析研究结果可知,四种净化沥青均具有较大的芳香缩合度。RP-3芳香性指数高达0.90,芳香缩合度最高。RP-4支链化指数仅为0.07,脂肪族侧链数量较多、碳链较长。四种净化沥青中OH官能团存在形式有明显不同。研究结果将为人造炭/石墨材料的原料优选提供理论支持。     

MePEG-b-PCL-b-PDMAEMA的可控合成及性能研究

采用可控开环聚合(ROP)和原子转移自由基聚合(ATRP)相结合的方法制备出一系列单甲氧基聚乙二醇-b-聚(ε-己内酯)-b-聚甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯(MePEG-b-PCL-b-PDMAEMA). 采用核磁(¹H NMR)和凝胶渗透色谱(GPC)研究了聚合物的结构并对聚合物的分子量大小和分布进行了表征. 聚合物的热稳定性能、结晶性能和亲水性能分别由热重分析仪(TGA)、X-衍射仪(XRD)和静态水滴接触角测定. 分别采用荧光光谱法和¹H NMR(以D₂O为溶剂)方法研究了聚合物纳米粒子的形成. 激光光散射(DLS)和透射电镜(TEM)研究结果表明聚合物纳米粒子具有球形结构, 粒子大小在40～70 nm之间并且对外界环境具有pH敏感性能. MePEG-b-PCL-b-PDMAEMA纳米粒子在同时包裹带有正电荷药物以及疏水性药物方面具有潜在的应用前景.     

FTIR分峰拟合法定量分析精制煤沥青热转化过程的结构变化

精制煤沥青(QI＜0.2%)是制备煤系针状焦的原料，其热转化性质决定着所生产的煤系针状焦的质量。利用FTIR光谱及分峰拟合的方法考察了精制煤沥青在不同热转化温度下的结构变化。主要研究了芳香性指数(Iar)、支链化指数(CH₃/CH₂)、各基础官能团(C==O， C-O，芳环C==C)含量、芳环取代种类的变化情况。结果表明：精制煤沥青的Iar指数随着热转化温度的提高，逐渐变大，并且CH₃/CH₂指数逐渐增大，说明精制煤沥青热转化过程中支链的断裂形成活性位点是诱导芳香环增大的原因之一；随着热转化温度的升高，C==O含量由最初的26.25%降低为15.62%，芳环C==C含量由43.39%增加为51.28%，而C-O含量变化很少，说明C==O是诱导大分子芳环缩合反应的重要因素；精制煤沥青中芳环1H和3H含量随着温度升高逐渐减小，而4H含量逐渐升高，说明芳环取代逐渐减小，芳香性逐渐增加，与Iar分析结果相吻合。     

水溶性沥青分子结构的光谱解析

水溶性沥青是煤焦油沥青经酸氧化改质得到的水溶物含量大于70%的改性沥青，不仅兼有普通沥青的多环芳烃结构，同时表面结构中引入了大量含氧、氮、硫等极性官能团，可在水相中制备复合型炭材料。应用荧光、红外、紫外光谱及核磁共振技术并结合Yen-Mullins模型解析了混酸法制备的水溶性沥青的分子结构。结果表明：与中温煤沥青相比，主要杂原子N，O和S质量分数分别由1.06%，11.64%，0.79%增加到6.78%，29.59%，2.41%；O含量的显著增加，增强了沥青的亲水性。红外光谱体现了水溶性沥青的杂原子N，O和S以Ar-NO₂，Ar-OH，Ar-SO₃H和CO等形式存在；通过荧光发射光谱特征峰与Yen-Mullins模型对比，得出水溶性沥青的芳香结构主要是由3种稠环的“岛屿结构”芳香片段组成；1H-NMR和13C-NMR分析表明，水溶性沥青分子芳环侧链被氧化成仅含有1个C且链接不同官能团的脂肪碎片，该碎片与“岛屿结构”作为主要部分构成水溶性沥青分子的稳定结构。由此看出，元素分析结合红外光谱可从本质上解释水溶性沥青易溶于碱性水溶液的原因，荧光谱图与Yen-Mullins模型结合可从微观上解释水溶性沥青的主要结构，为判定不同性质的沥青提供一种方法。