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La从初始沥青的10.3 Å逐步增大到1 400 ℃的47.9 Å, 但在500 ℃前La增加缓慢, 只有当温度超过800 ℃后, La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lcc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Lc在500 ℃前逐步增大, 在500 ℃时达到最大(Lc=31.1 Å), 随后由于半焦进一步热解缩聚, 使Lc逐步减小, 在1 000 ℃时达到最低点(Lc=15.4 Å), 超过1 000 ℃后又开始增大。 与Lc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(La, Lc, N, a3)信息外, 还可获得这些参数的分散性(ka, kc, σ3, ε3)以及堆垛的取向性(q)、 均匀性(η)和无序碳含量(cun)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 煤沥青 微晶结构 X射线衍射 Coal-based needle coke Coal-tar pitch Microcrystalline structure XRD