Разработка методики измерения пластических свойств материалов на приборе Гепплера

Аннотация

Юзиков С. Ю. – Разработка методики измерения пластических свойств материалов на приборе Гепплера
Рассмотрены основные физико-химические свойства каменноугольных пеков и нефтяных коксов, а также области их применения.Кроме того дано описание основных методов измерения вязкости – одного из контролируемых технологических показателей многих видов сырья и готовой продукции.

Характеристика каменноугольного пека

Каменноугольным пеком называется остаток, получаемый при фракционировании каменноугольной смолы. Он представляет собой вещество черного цвета, однородное по внешнему виду. Пек застывает в определенном температурном интервале в твердую хрупкую массу, имеет раковистый излом. Определенной температуры плавления и застывания он не имеет, а размягчается в температурном интервале. Размягчение и затвердевание пека не сопровождается тепловым эффектом – он не имеет скрытой теплоты плавления [1].

Элементный состав пека и его фракций характеризуется высоким содержанием углерода и низким содержанием водорода. С повышением температуры размягчения содержание углерода как в пеке, так и в его фракциях заметно увеличивается.

В состав каменноугольного пека по различным данным входит до 5000 различных соединений. Идентифицированных соединений не больше 500. По своему химическому составу каменноугольный пек представляетмногокомпонентную смесь многоядерных углеводородов и гетероциклов, образующихся не только в процессе получения каменноугольной смолы при коксовании углей, но и при ее переработке в результате термической поликонденсации. При определении химического состава каменноугольных пеков с помощью хроматографии отмечают большое содержание полициклических соединений, которые имеют больше четырех колец. К ним относятся четырехядерные углеводороды: флуорантен, пирен, хризен; пятиядерные–бензофлуорантен, перилен, пицен; семиядерный–коронен и ряд восьмиядерных типа бензокоронена [2].

Каменноугольный пек представляет собой переохлажденную систему истинных и коллоидных растворов, в результате чего по своим свойствам он резко отличается от обычных твердых кристаллических веществ. Для пека характерен температурный интервал пластичности. Он определяется разностью двух условных температурных точек: температуры размягчения и температуры появления хрупкости. Этот интервал является важным техническим показателем, характеризующим пригодность пека для тех или иных процессов.

В зависимости от температуры размягчения пеки разделяются на мягкие, среднетемпературные и высокотемпературные. Мягкие пеки имеют температуру размягчения 40–55 °С, среднетемпературные 65–90 °С и высокотемпературные 135–150 °С. Отечественная коксохимическая промышленность выпускает пеки двух видов: среднетемпературные марки А и Б и высокотемпературный пек.

Помимо температуры размягчения важными для технологических целей свойствами пека являются плотность, вязкость, поверхностное натяжение, смачиваемость, термостабильность, спекаемость, а также способность давать коксовый остаток. Эти свойства у пеков с разной температурой размягчения не одинаковые и зависят от качества сырья и условий получения пека[3].

Отличия в условиях получения и характеристике сырья особенно отражаются на таких показателях, как плотность, выход веществ, нерастворимых в толуоле и хинолине. При этом пеки с одинаковой температурой размягчения, но полученные не в идентичных условиях могут иметь разную плотность и величину нерастворимого остатка.

Плотность каменноугольных пековизменяется с повышением температуры размягчения по линейному закону, как показано на рисунке 1 [4].

В настоящее время, на отечественных заводах используется технология производства электродного связующего путем термоокисления среднетемпературного пека, который получается путем однократного испарения каменноугольной смолы в дистилляционных колоннах. Суть метода состоит в термической обработке среднетемпературного пека при 340–370 °С в кубах-реакторах непрерывного действия при непрерывном барботаже воздуха через реакционную массу. Кислород воздуха является фактором, интенсифицирующим реакции уплотнения (поликонденсации и полимеризации), которые приводят к необходимым изменениям физико-химических свойств пека.

Плотность каменноугольных пеков, полученных в аналогичных условиях, линейно растет с повышением температуры размягчения. С повышением температуры нагрева линейная зависимость, плотности от температуры размягчения пека, сохраняется.

С повышением температуры нагрева линейная зависимость плотности от температуры размягчения пека сохраняется, прямая плотность пеков при этом смещена параллельно друг другу, как показано на рисунке 2 [4].

При производстве электродных изделий и анодных масс, в процессе смешения сухой шихты и пека многие явления, происходящие на границе раздела фаз, определяются поверхностными свойствами связующего. На рисунке 3 показана зависимость поверхностного натяжения пеков с различной температурой размягчения от температуры нагрева. С ростом температуры размягчения поверхностное натяжение пека повышается[4].

Вязкость каменноугольного пека независимо от температуры размягчения определяется температурой нагрева и свойствами пека, причем для вязкости характерное резкое изменение значений в определенных температурных интервалах нагрева, которое показано на рисунке 4.

Зависимость вязкости от температуры имеет экспоненциальный характер. Наличие перегибов на линиях зависимости lgμ = f(T) объясняется изменением условной энергии активации вязкого течения с последовательным участием в нем новообразующихся структурных составляющих пека при повышении температуры нагрева. В процессе перехода пека из исходного стеклообразного состояния в жидкотекучее, по-видимому, происходят структурные изменения, связанные с ослаблением межмолекулярных связей и разрывом мостиковых связей надмолекулярных структур[2].

Список использованной литературы

1. Коляндр, Л.Я. Улавливание и переработка химических продуктов коксования / Л.Я. Коляндр.  – М.: Металлургиздат, 1962.  – 468 с.
2. Привалов, В.Е. Каменноугольный пек: получение, переработка, применение / В.Е. Привалов, М.А. Степаненко  – М.: Металлургия, 1981. – 208 с.
3. Лейбович, Р.Е. Технология коксохимического производства: учебник для техникумов. – 3-е изд., доп. и перераб./ Р.Е. Лейбович, Е.И. Яковлева – М.: Металлургия, 1982. – 360 с.
4. Справочник коксохимика: справочное издание: в 6 т. / под ред. Е.Т. Ковалева. – 1-е изд. – Харьков: издательский дом ИНЖЭК, 2009.  – Т. 3.  – 432 с.