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热重分析仪专题

沥青及各组分热重分析

时间:2021-03-07 22:40:01 作者:admin 点击:

 
 
我国公路隧道总长度已达世界第一,大部分公路隧道采用沥青路面。由于隧道封闭性的特点,一旦出现车辆事故,发生火灾,沥青路面会参与燃烧,造成火势绵延并产生有毒气体,在日本,法国,奥地利的长大隧道火灾中均造成了较大人员伤亡和重大财产损失,奥地利工程技术人员提出的提高隧道运营安全的举措中就包括“长度超过1 000 m隧道路面宜采用水泥混凝土路面”的建议,研究沥青路面的阻燃抑烟性能具有重要意义。
 
沥青是沥青混合料的胶结材料,也是沥青路面参与燃烧的主要成分。深入研究沥青的燃烧特性是沥青路面阻燃抑烟研究的基础。沥青是一种复杂的烃类与及非烃类衍生物的混合物,它是原油加工过程的最后的一种产物,沥青的相对分子量是石油炼制产物中最大的,组成及结构也最为复杂,本文通过沥青及其组分的热重实验,分析沥青及各组分的热解特性,取得的结论对阻燃抑烟沥青混合料研制具有参考意义。
1 沥青的组分分离实验
 
利用沥青成分在不同溶剂中的溶解性质的差异及不同成分在吸附剂上不同的吸附作用,将沥青划分为化学性质较接近,胶体结构性质和路用性质有一定关系的几个组分,就称为沥青的组分[1],分离方法以及条件的改变会导致各组分的组成有所变化,但是这些组分的性质与沥青的路用性质有着千丝万缕的联系,使用分离的方法对沥青进行分析是具有工程研究意义的,国内外也制定相应的规范,对沥青组分进行划分,本文采用JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程中的沥青组分分离方法,将沥青分为饱和分,芳香分,胶质,沥青质四种组分,分离的各组分溶液有较明显的颜色差别,总体来讲颜色逐渐变深。
2 沥青及各组分热重分析实验
 
热重分析 (Thermogravimetric Analysis, TG或TGA) 是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术,用来研究材料的热稳定性和组分。
 
微商热重分析又称导数热重分析 (Derivative Thermogravimetry,简称DTG) ,它是TG曲线对温度 (或时间) 的一阶导数。以物质的质量变化速率 (dm/dt) 对温度T (或时间t) 作图,即得DTG曲线。
 
沥青及各组分热重实验方案:
 
实验材料:原样沥青,饱和分,芳香分,胶质,沥青质;
 
实验仪器:STA 449 F3 Jupiter;
 
升温速率:10℃/min, 15℃/min, 20℃/min;
 
温度范围:30℃~750℃;
 
实验气氛:空气 (模拟空气氧含量21%,氮气含量79%) ;
 
实验气体流量:50 m L/min。
3 沥青组分热重曲线关键温度分析
 
TG曲线的几个关键温度:TG曲线开始偏离基准水平线的温度,称为起点温度,如图1中A点;TG曲线下降段切线与基线的交点成为外延起始温度,如图1中点B;外延中止温度为切线与最大失重线的延长线的交点,如图1中点C;TG曲线达到最大失重量的温度,为终止温度,如图1中点D;图1中点E对应失重5%的温度,点F, G为失重10%,50%的温度[1]。
图1 TG曲线的关键温度表示法
 
 
下文对沥青及各组分TG, DTG数据进行具体分析。图2~图6为沥青及各组分的TG—DTG曲线特征图,可以明显看出沥青各个组分的燃烧曲线关键温度的差异。
图2 原样沥青20℃/min升温条件下TG—DTG曲线图
 
 
图3 饱和分20℃/min升温条件下TG—DTG曲线图
 
图4 芳香分20℃/min升温条件下TG—DTG曲线图
 
 
沥青的各个组分的TG曲线关键温度特征汇总见表1。
 
表1 沥青各组分热解温度特性    下载原表
4 沥青及各组分热重分析结论
图5 胶质组分20℃/min升温条件下TG—DTG曲线图
 
 
图6 沥青质组分20℃/min升温条件下TG—DTG曲线图
 
分析以上实验结果,可以得到以下几点结论:
 
1) 饱和分,芳香分,胶质,沥青质TG曲线的外延起始温度由低到高逐渐上升,一般认为外延起始温度与材料的自燃点接近。其中饱和分TG曲线的外延开始温度只有285℃,胶质和沥青质的外延开始温度相差不大,为440℃。
 
2) 对各组分的TG曲线进行微分,可以看出饱和分有3个失重峰,其他三种组分各有两个失重峰。饱和分的第一个失重峰失重速率较高,峰顶温度为345℃,第二、第三失重峰,失重速率较小,失重量较小。饱和分的第二失重峰与芳香分、胶质、沥青质的第一失重峰的温度分布在440℃~470℃之间,基本重合。饱和分的第三失重峰和其他组分第二失重峰温度分布在550℃~580℃之间,基本重合。可假设饱和分在受热氧化过程中有部分小分子物质转化为分子量较大的胶质或沥青质,可认为是饱和分轻质组分燃烧成碳的二次燃烧。
 
3) 芳香分,胶质,沥青质第一失重峰的最高失重速率依次下降,分别为15.07%,11.79%,8.86%,主要原因是随着平均分子量的增大,大分子物质的增多,易挥发燃烧物质的含量逐渐减少,可以看出,沥青质两失重峰最大失重速率相差最小,是沥青最难燃烧的组分。
 
4) 芳香分的第一失重峰失重速率明显高于第二,第三失重峰,胶质,沥青质两失重峰失重速率相差不大,表明芳香分为四组分中热稳定最差的组分。
 
5) 几种组分的失重峰分布与沥青的失重峰分布基本重合,可以判断,沥青失重的第一峰为饱和分大量燃烧失重导致,同时部分易挥发芳香分小分子参与燃烧。沥青燃烧第二,第三失重峰由饱和分残炭,芳香分,胶质,沥青质几种组分燃烧叠加而成,而且在第二,第三失重峰形成过程中,各组分分解贡献度不尽相同。
 
6) 沥青中轻质组分的含量,尤其是饱和分的含量对沥青的前期的燃烧性能有较大的影响。
 
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