耐火材料结合剂——沥青的种类、性质及碳化
发布日期： 2020-05-23 11:01:09 阅读量（957） 作者：沥青是煤焦油或石油经蒸馏处理或催化裂化提取沸点不同的各种馏分后的残留物，组成和性能随原料种类、蒸馏方法和加工处理方法的不同而异，是由芳香族和脂肪族结构为主构成的混合物。为粘稠的液体、半固体或固体，色黑而有光泽，有臭味，不溶于水，熔化时易燃烧并有毒。
1.沥青的种类
根据其来源，沥青分为煤焦油沥青（煤沥青）和石油沥青两大类。耐火材料用沥青结合剂主要是煤焦油沥青。煤焦油沥青在常温下是固体，没有严格的固定熔化温度，因而用软化点来表示其由固态转变为液态时的温度。按软化点（环球法测定）的不同可分为低温沥青（软沥青）、中温沥青（中沥青）和高温沥青（硬沥青）等，如表1所列。
表1 煤焦油沥青的分类
2.沥青的组成
煤焦油沥青是由多种有机化合物组成的混合物，很难从中提取单独的具有一定化学组成的物质，通常是用不同的溶剂对其进行分离萃取，即把沥青分为若干具有相似化学物理性质的“组分”。常用的萃取溶剂有吡啶、苯胺、三氧甲烷、二硫化碳、二氧乙烷、甲苯、苯等，表2为用不同溶剂萃取沥青时不溶物的含量。甲苯不溶物也叫α-树脂即游离碳，游离碳高时沥青的残碳也高。也可以将溶解性能不同的溶剂搭配使用，如用苯和石油醚搭配做萃取溶剂时，可以把沥青分离为α、β、γ三种馏分。沥青由C、H、S、N和O等化学元素组成，其中C含量很高，其它元素含量很低。沥青中C含量越高，其软化点也越高。表3为不同软化点沥青及其馏分的元素组成。
表2用不同溶剂萃取沥裔时的不溶物含量
表3沥青及其馏分的元素组成
3.沥青的性质
作为耐火材料结合剂，沥青的密度（也有称为重度）、粘度、表面张力、润湿性等是重要基本性质。沥青的软化点越高，其密度越大；同一软化点的沥青，其密度随加热温度的升高而降低，见图1。
图1沥青的密度
沥青做结合剂时，其粘度决定了坯料的可塑性：做为耐火材料的浸渍剂时，粘度也是影响浸渍效果的主要因素。沥青的粘度与其软化点有密切关系，因为软化点就越代表某一定粘度时的温度。对某种沥青而言，粘度随温度升高而下降，两者呈指数关系（如图2）。在沥青中加入槺醛、煤油、甲苯、油酸、喹啉等添加剂，可使其粘度大大降低，可以使高温沥青的粘度降低到中温沥青的程度。
沥青作为结合剂或浸渍剂使用时，对耐火骨料的润湿性十分重要，这取决于其表面性质如表面张力、润湿角等。
图2 沥青的粘度与温度的关系
沥青的表面张力、润湿角与温度的关系见图3，可见提高混练和成型温度对改善沥青与耐火原料的润温性和结合力是十分有用的。
4.沥青的碳化与典型性能
作为碳复合耐火材料的结合剂，其碳化后的残碳量越高越好。至今为止，沥青之所以仍作为碳复合耐火材料的常用结合剂之一，是因为其残碳量高、价格便宜、使用可靠，同时沥青碳化后得到的碳的结晶状况、真密度和抗氧化能力都比树脂碳好。
图3 沥青的表面张力、润湿角与温度的关系
沥青的碳化过程是液相碳化，如图4所示。沥青在软化点（Ts）软化，然后粘度大幅度下降，到达粘度最低温度点Tv。在Ts至Tv范围内，沥青中各组分发生分解和聚合，于Tv时（约400℃左右）在范德华力和分子偶极矩作用下互相平行叠合而形成一新相，并在表面张力作用下成圆球形，是一种均相成核过程。这种小球形体具有可塑性，分子量约2000，是一种具有液晶性质的中间相。随温度的提高，小球形体逐渐融合、长大、粘度上升。到温度TL时形成大块中间相，这时仍有可塑性；到固化温度TR（500~550℃）时，材料变为固体，成为半焦状态，中间相的结构转变为碳的结构。若大块中间相是由任意取向的各向异性的小块中间相（10μm）组成，从整体上看大块中间相是各向同性的，最后就得到沥青碳的所谓“镶嵌结构”；若大块中间相在一定条件下变形而产生某种程度的择优取向，则形成纤维状结构，这就是所谓的沥青碳的“流动结构”。沥青的组成、氧和硫的数量影响沥青碳的结构。
图4 沥青的碳化过程
沥青碳化率的高低主要取决于沥青的组成及高分子芳香族化合物的含量。沥青中苯或甲苯不溶物含量越高，则碳化率越高。可以采用多种方法使沥青改性以提高其高分子芳香族化合物含量和降低挥发分，从而提高其碳化率。此外，碳化率还受碳化时的升温速度、环境压力等条件的影响。升温速度越慢，碳化率越高。
表4 碳素结合剂的残碳率（800℃）
800℃时的残碳量是碳复合耐火材料结合剂的主要指标。表4为沥青和其他炭素结合剂的比较。表5、表6分别为国家标准规定的煤焦油沥青和改质（性）沥青的技术条件。表7为国内某些沥青的典型性能。虽然沥青结合剂有一系列优点，但其含有害物质多、味道难闻及对环境的污染大等缺点，也限制了它的使用。目前将沥青与酚醛树脂在一定条件下混合使用能够较好地克服两者的缺点，同时最大程度地利用两者的优点。
表5煤焦油沥青的技术条件
表6改质（性）沥青的技术条件
表7中国沥青的一般性能
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