914515582環(huán)保型鋁用冷搗糊的研究

1、環(huán)保型鋁用冷搗糊的研究環(huán)保型鋁用冷搗糊的研究隨著鋁工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步,特別是石墨質(zhì)陰極炭塊的使用,鋁電解槽的壽命已有了很大的提高,因此,制約鋁電解槽壽命的關(guān)鍵材料已由傳統(tǒng)的陰極炭塊逐漸地向炭塊間的搗固糊轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的搗固糊則主要以煤瀝青為黏結(jié)劑制備的熱搗糊和溫?fù)v糊,由于這兩種糊料在施工搗固前,均需預(yù)熱,因此會釋放出對人體和環(huán)境都有害的瀝青煙氣體,操作環(huán)境惡劣,工人勞動強(qiáng)度高,且搗固的糊料易分層,局部出現(xiàn)缺陷的可能性很大,影響糊料自身的使用。冷搗糊室溫下即可施工搗固,不存在上述情況。但冷搗糊的生產(chǎn)主要掌握在挪威?？瞎?、法國鋁業(yè)等一些發(fā)達(dá)國家手中,因此,我國獨(dú)立自主研究開發(fā)一種鋁用冷搗糊,對于打破國

2、際先進(jìn)水平對冷搗糊的壟斷,提高我國鋁業(yè)的科技進(jìn)步和國際競爭力,努力使我國成為鋁業(yè)強(qiáng)國,將具有重要意義。本文以樹脂為主要黏結(jié)劑,添加適量的混合煤瀝青成功制備了一種環(huán)保、節(jié)能的鋁用冷搗糊,且常規(guī)性能達(dá)到了國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),部分非常規(guī)性能也較適宜,主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下： (1)采用最緊密堆積中的dinger-funk方程從理論上計算了不同顆粒分布系數(shù)下的粒度分布,通過測定制備糊料的空隙率、電阻率、抗壓強(qiáng)度等,確定了骨料的最佳顆粒配比即5-3mm為20.87%,3-1mm為3 1.49%,1-0.074mm為3 3.90%,0.074mm為1 3.74%。 (2)分別研究了以改質(zhì)煤瀝青、中溫煤瀝青、環(huán)氧

3、樹脂、呋喃樹脂、酚醛樹脂及復(fù)合黏結(jié)劑為黏結(jié)劑或主要黏結(jié)劑,以電鍛煤、石墨或二硼化鈦、碳纖維為骨料,經(jīng)過配料、混料、混捏等工序制備了鋁用冷搗糊,通過黏結(jié)劑的改性,對制備的糊料進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn),采用電子萬能試驗機(jī)、電阻率儀等測定了制備冷搗糊的常規(guī)理化性能,掃描電鏡和能譜儀(sem-eds)對制備糊料的微觀形貌及鈉滲透后糊料的微觀形貌及滲透的元素進(jìn)行了分析,應(yīng)用紅外技術(shù)(ft-ir)及x衍射儀(xrd)分析了碳化后黏結(jié)劑的結(jié)構(gòu)變化和石墨化程度,還利用熱重-差熱分析儀(tg-dsc)研究了制備冷搗糊在焙燒過程中各個階段的質(zhì)量變化和熱量變化。結(jié)果表明：以煤瀝青和葸油為黏結(jié)劑制備的冷搗糊,在焙燒過程分為三個

4、階段,但該黏結(jié)劑黏結(jié)性較差,制備的糊料疏松多孔,且其保鮮性較差,硫和苯甲醛對煤瀝青結(jié)焦值的提高較明顯,制備的糊料也得到改進(jìn)。以酚醛樹脂為糊料的1 2.5%時,制備冷搗糊的表觀性狀和常規(guī)理化性能最優(yōu),它在焙燒過程中分為四個階段。苯甲醛改性酚醛樹脂結(jié)焦值提高最明顯,且改性后酚醛樹脂制備的冷搗糊常規(guī)理化性能得到了提高。復(fù)合黏結(jié)劑為制備冷搗糊的黏結(jié)劑時,以復(fù)合黏結(jié)劑a3為糊料的1 2.5%時,制備的冷搗糊表觀性狀和常規(guī)理化性能較好,以2%苯甲醛為復(fù)合黏結(jié)劑a3的改性劑對制備的糊料進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)后的糊料常規(guī)性能最優(yōu),部分非常規(guī)性能也較合適,它在焙燒過程中分為五個階段。其中復(fù)合黏結(jié)劑a3為酚醛樹脂：混合煤

5、瀝青(中溫煤瀝青：蒽油=65：35)=80：20,骨料為電鍛煤、石墨、碳纖維,它們分別為骨料的5 4.7%、45%和0.3%。 (3)采用氣相色譜-質(zhì)譜儀(gc-ms)測定了制備糊料在焙燒過程中多環(huán)芳烴(pah)的釋放量,得出以2%苯甲醛為復(fù)合黏結(jié)劑a3的改性劑制備的鋁用冷搗糊在施工搗固及搗固后糊料焙燒過程都具有環(huán)保的特點(diǎn)。 (4)利用tg熱分析方法研究了苯甲醛改性后復(fù)合黏結(jié)劑a3在焙燒過程的質(zhì)量變化,選取失重較為明顯的兩段進(jìn)行研究,采用熱分析方法中積分法(flynn-wall-ozawa方程)和微分法(friedman方程)模擬其焙燒過程。結(jié)果表明,第一段(130-190)熱解過程是由多步復(fù)

6、雜的反應(yīng)組成,這階段主要是樹脂固化過程中及黏結(jié)劑中一些小分子有機(jī)物的揮發(fā)；第二段(390-600)熱解過程可分為兩步過程,第一步則在轉(zhuǎn)化率a為0.55-0.60間,平均表觀活化能e為4 3.28kjmol-1,平均ina為 1.3291s-1,第二步則在為0.65-0.80間,此步e為16 8.34kjmol-1,平均ina為1 7.06s-1。但兩步的機(jī)理函數(shù)相同即f()=3/2(1-)4/3(1-)-1/3-1- 1. (5)采用紅外和核磁共振(1h-nmr)分析了苯甲醛對復(fù)合黏結(jié)劑a3的改性機(jī)理,其機(jī)理反應(yīng)為苯甲醛與酚醛樹脂和混合煤瀝青中活性小分子發(fā)生了親電反應(yīng),使得酚醛樹脂和混合煤瀝青

7、中的活性小分子締結(jié)為大分子有機(jī)物,從而提高了它們的結(jié)焦值。 摘要3-5abstract5-12第一章 緒論12-31 1.1 冷搗糊基本簡介13-15 1. 1.1 冷搗糊的用途13-14 1. 1.2 糊料的分類14-15 1. 1.3 冷搗糊的組成15 1.2 鋁電解過程和電解質(zhì)滲透陰極機(jī)理15-16 1.3 骨料粒級級配理論16-22 1. 3.1 粒級級配理論模型16-19 1. 3.2 顆粒級配理論的應(yīng)用19-22 1.4 冷搗糊研究現(xiàn)狀22-27 1. 4.1 冷搗糊黏結(jié)劑的改性研究22-23 1. 4.2 國內(nèi)冷搗糊研究概況23-26 1. 4.3 國外冷搗糊研究現(xiàn)狀26-27

8、1.5 研究背景及意義27-29 1.6 研究內(nèi)容、目標(biāo)和創(chuàng)新點(diǎn)29-31 1. 6.1 研究內(nèi)容29-30 1. 6.2 擬達(dá)到的理化目標(biāo)30 1. 6.3 本文創(chuàng)新點(diǎn)30-31第二章 實(shí)驗31-43 2.1 實(shí)驗原料31-38 2. 1.1 骨料31-32 2. 1.2 黏結(jié)劑32-35 2. 1.3 冷搗糊改進(jìn)劑35-38 2.2 實(shí)驗設(shè)備38-39 2.3 糊料制備及焙燒39-40 2.4 冷搗糊性能檢測40-43 2. 4.1 冷搗糊電阻率的測定40 2. 4.2 抗鈉浸蝕性測定40-41 2. 4.3 冷搗糊環(huán)保性能測定41 2. 4.4 黏結(jié)劑碳化分析41-42 2. 4.5 冷

9、搗糊熱重分析42 2. 4.6 冷搗糊其它性能測定42-43第三章 冷搗糊顆粒級配研究43-52 3.1 實(shí)驗原理43-44 3.2 冷搗糊骨料中最大及最小粒徑的確定44-46 3.3 顆粒分布系數(shù)n的確定46-51 3. 3.1 n值對骨料堆積密度的影響46-47 3. 3.2 n值對糊料氣孔率的影響47-49 3. 3.3 n值對糊料抗壓強(qiáng)度的影響49-50 3. 3.4 n值對糊料電阻率的影響50-51 3.4 小結(jié)51-52第四章 以煤瀝青為主要黏結(jié)劑制備鋁用冷搗糊52-73 4.1 改質(zhì)煤瀝青為主要黏結(jié)劑制備冷搗糊52-55 4. 1.1 蒽油對改質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)和結(jié)焦值的影響52-5

10、3 4. 1.2 改質(zhì)煤瀝青和蒽油為黏結(jié)劑制備冷搗糊53-55 4.2 中溫煤瀝青為主要黏結(jié)劑制備冷搗糊55-60 4. 2.1 中溫煤瀝青軟化點(diǎn)的調(diào)節(jié)55-56 4. 2.2 中溫煤瀝青和蒽油為黏結(jié)劑制備冷搗糊56-58 4. 2.3 黏結(jié)劑含量對制備冷搗糊電阻率的影響58-59 4. 2.4 黏結(jié)劑含量對制備冷搗糊抗壓強(qiáng)度的影響59 4. 2.5 黏結(jié)劑含量對制備冷搗糊抗鈉浸蝕性的影響59-60 4.3 中溫煤瀝青和蒽油為黏結(jié)劑改進(jìn)制備的冷搗糊60-67 4. 3.1 黏結(jié)劑的改性60-62 4. 3.2 骨料的改進(jìn)62-67 4.4 中溫煤瀝青為主要黏結(jié)劑改進(jìn)制備的冷搗糊67-69 4.

11、5 中溫煤瀝青的石墨化69 4.6 中溫煤瀝青為主要黏結(jié)劑制備冷搗糊的熱重分析69-71 4.7 煤瀝青為主要黏結(jié)劑制備糊料的缺點(diǎn)71-72 4.8 小結(jié)72-73第五章 以樹脂為黏結(jié)劑制備鋁用冷搗糊73-102 5.1 環(huán)氧樹脂為黏結(jié)劑制備冷搗糊73-82 5. 1.1 環(huán)氧樹脂含量對糊料電阻率和抗壓強(qiáng)度的影響75 5. 1.2 環(huán)氧樹脂的改性75-76 5. 1.3 環(huán)氧樹脂為黏結(jié)劑改進(jìn)制備的冷搗糊76-77 5. 1.4 環(huán)氧樹脂的碳化分析77-78 5. 1.5 環(huán)氧樹脂為黏結(jié)劑制備冷搗糊的鈉滲透測定78-80 5. 1.6 環(huán)氧樹脂為黏結(jié)劑制備冷搗糊的熱重分析80-81 5. 1.7

12、 環(huán)氧樹脂為黏結(jié)劑制備冷搗糊的缺點(diǎn)81-82 5.2 呋喃樹脂為黏結(jié)劑制備冷搗糊82-91 5. 2.1 呋喃樹脂含量對糊料電阻率和抗壓強(qiáng)度的影響83-84 5. 2.2 呋喃樹脂的改性84-85 5. 2.3 呋喃樹脂為黏結(jié)劑改進(jìn)制備的冷搗糊85 5. 2.4 呋喃樹脂的碳化分析85-88 5. 2.5 呋喃樹脂為黏結(jié)劑制備冷搗糊的鈉滲透測定88-89 5. 2.6 呋喃樹脂為黏結(jié)劑制備冷搗糊的熱重分析89-90 5. 2.7 呋喃樹脂為黏結(jié)劑制備冷搗糊的缺點(diǎn)90-91 5.3 酚醛樹脂為黏結(jié)劑制備冷搗糊91-101 5. 3.1 酚醛樹脂含量對冷搗糊電阻率和抗壓強(qiáng)度的影響93 5. 3.2

13、 酚醛樹脂的改性93-94 5. 3.3 酚醛樹脂為黏結(jié)劑改進(jìn)制備的冷搗糊94-95 5. 3.4 酚醛樹脂的碳化分析95-98 5. 3.5 酚醛樹脂為黏結(jié)劑制備冷搗糊的鈉滲透測定98-99 5. 3.6 酚醛樹脂為黏結(jié)劑制備冷搗糊的熱重分析99-101 5. 3.7 酚醛樹脂為黏結(jié)劑制備冷搗糊的缺點(diǎn)101 5.4 小結(jié)101-102第六章 復(fù)合黏結(jié)劑制備鋁用冷搗糊及環(huán)保性檢測102-118 6.1 復(fù)合黏結(jié)劑制備冷搗糊102-109 6. 1.1 環(huán)氧樹脂和混合煤瀝青為復(fù)合黏結(jié)劑102-104 6. 1.2 呋喃樹脂和混合煤瀝青為復(fù)合黏結(jié)劑104-106 6. 1.3 酚醛樹脂和混合煤瀝青為復(fù)合黏結(jié)劑106-107 6. 1.4 復(fù)合黏結(jié)劑的選擇107-109 6.2 改性復(fù)合黏結(jié)劑a3制備冷搗糊非常規(guī)性能檢測109-111 6. 2.1 搗固溫度的測定109-110 6. 2.2 熱膨脹、導(dǎo)熱、楊氏模量等非常規(guī)性能的檢測110-111 6.3 改性后復(fù)合黏結(jié)劑a3制備冷搗糊的熱重分析111-114 6.4 制備糊料環(huán)保性檢測114-116 6.5 小結(jié)116-118第七章 苯甲醛改性復(fù)合黏結(jié)劑a3的熱分解動力學(xué)及改性機(jī)理118-129 7.1 改性后復(fù)合黏結(jié)劑