CN109060878A - 基于燃烧动力学参数的沥青组分热稳定性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于多种升温速率的沥青四组分燃烧动力学评价的新方法，属于沥青材料技术领域，解决目前基于单一升温速率难以模拟实际火灾时升温速率可变性、计算燃烧动力学参数可靠性差、难以客观评价沥青各组分热稳定性、不能深入评价沥青燃烧动力学特性的问题。本发明首先从沥青中分离四个组分，并分别进行工业和元素分析；在空气中对进行热重分析，以三种升温速率从室温升至800℃，获得TG‑DTG曲线；划分不同燃烧阶段，采用微分法和积分法分别计算不同燃烧阶段动力学参数，并进行互相校核；最后，观察燃烧残留物表面微观形貌，测试元素组成及其含量，比较沥青各组分不同燃烧阶段动力学参数，评价沥青四组分热稳定性，从组分层次揭示沥青燃烧特性。

Description

基于燃烧动力学参数的沥青组分热稳定性评价方法

技术领域

本发明是一种基于多升温速率下燃烧动力学参数的沥青四组分热稳定性评价方法，属于沥青材料技术领域。

背景技术

热分析是指在程序控制温度下测量物质的物理性质与温度之间的关系的一项技术。主要用于研究材料物理变化，如晶体转变、熔融、升华等，以及化学变化，如脱水、分解、氧化还原等。热分析不仅提供热力学参数，而且还能提供燃烧动力学参数。因此，热分析在材料研究和选择上以及在热力学和动力学的理论研究上都具有重要意义。

热分析是指用热力学参数或物理参数随温度变化的关系进行分析的方法。1977年，国际热分析协会将热分析定义为：热分析是测量在程序控制温度下，物质的物理性质与温度依赖关系的一类技术。最常用的热分析方法有：差热分析、热重(TG)分析法、微商热重(DTG)分析法、差示扫描量热法、热机械分析、动态热机械分析、逸气检测、逸气分析等。

热分析动力学是应用热分析技术研究物质的物理性质和化学反应的速率和机理的方法，从而获得相应反应的动力学参数和机理函数。由于测定可在等温或非等温条件下进行，所以操作上快速、方便；另外，所测样品用质量小，可以减少样品之间的热转换，从而提高了试验数据的重现性和重复性。

近年来，热分析动力学广泛应用于各个领域，如地质、物理、陶瓷、化学、化工、制药、冶金等。热分析动力学的研究方法分为等温动力学和非等温动力学。热分析动力学研究从简单的均相等温反应到复杂的非等温非均相反应的研究过程。从数学的角度上，热分析方法又可以分为微分法和积分法。微分法虽然不存在温度积分的误差，但却要用到精确的微商试验数据；积分法存在难解的温度积分和采用近似方法所带来的误差。因此，微分法和积分法在计算材料燃烧动力学参数时各有优缺点。

为了减少计算误差，更准确评价材料的热分析动力学特性，国际热分析协会(ICTAC)明确规定采用单一升温速率不能用于热分析动力学参数计算，至少采用三个升温速率的热分析数据才可用于计算热分析动力学参数。采用不同升温速率下所测得的多条热分析曲线对样品进行动力学分析方法主要有Coats-Redfern积分法、Flynn-Wall-Ozawa(FWO)积分法、Friedman微分法以及Kissinger微分法，可以得到活化能、指前因子、活化焓、活化熵和机理函数等，从而评价被测材料的燃烧动力学过程。

国内外学者对煤沥青在升温速率条件下进行热重分析，探究了中温沥青与精制沥青热分解过程。利用Kissinger法、Flynn-Wall-Ozawa法、Friedman法分别求出了中温沥青与精制沥青的表观活化能，利用Kissinger法求出指前因子，采用Coats-Redfern积分法判得出热分解过程反应机理函数积分式。但是，沥青是由复杂的碳氢化合物及其衍生物组成，通常包括饱和分、芳香分、胶质和沥青质四个组分。沥青中各组分的含量、性质与沥青性质有密切关系。目前的沥青燃烧研究方法主要是以沥青的宏观燃烧性能为主。化学组分分析法是研究沥青化学组分重要的方法之一。四组分分析法凭借其与沥青的路用性能的关系更为密切的优势成为最主要的分析手段。

然而，目前研究者很少基于沥青四组分燃烧动力学特性研究各组分的热稳定性，并没有将各个组分单独作为研究对象，难以从根本上揭示沥青的燃烧性能。因此，本发明提出一种基于多升温速率下燃烧动力学参数的沥青四组分热稳定性评价方法，从理论上评价沥青各组分热稳定性，为深入研究沥青的热稳定性奠定基础。

发明内容

(1)技术问题

本发明目的是提供一种基于多升温速率下燃烧动力学参数的沥青四组分热稳定性评价方法，该方法基于沥青热失重试验得到TG-DTG曲线，采用积分法和微分法分别计算沥青四组分燃烧不同阶段的活化能和指前因子，并相互进行校核，从而更准确评价各组分的热稳定性，解决目前基于单一升温速率难以模拟实际火灾时升温速率可变性、计算的沥青各组分燃烧动力学参数可靠性差、难以客观评价沥青各组分热稳定性、不能从组分层次深入评价沥青燃烧动力学特性的问题。

(2)技术方案

鉴于目前沥青四组分热稳定性评价方法存在基于单一升温速率难以模拟实际火灾时升温速率可变性、计算的沥青各组分燃烧动力学参数可靠性差、难以客观评价沥青各组分热稳定性、不能从组分层次深入评价沥青燃烧动力学特性的问题。本发明技术方案如下：首先从沥青中分离饱和分、芳香分、胶质和沥青质四个组分，并对各组分分别进行工业分析和元素分析，了解各组分的燃烧特性和元素组成情况；然后，采用热重-差热同步分析仪在空气气氛下对各组分进行热分析，以三种不同升温速率从室温升至800℃，分别获得各组分在不同升温速率下的TG-DTG曲线；其次，根据沥青各组分在不同升温速率下的DTG曲线划分燃烧不同阶段，基于TG数据采用微分法和积分法分别计算沥青四组分在不同燃烧阶段的活化能和指前因子，并对两种方法的计算结果进行校核；最后，观察沥青四组分燃烧残留物表面的碳化层微观形貌，并测试燃烧残留物中元素组成及各元素含量，比较沥青各组分不同燃烧阶段所计算的活化能和指前因子，并结合沥青各组分工业分析和元素分析试验结果，综合评价沥青四组分在不同燃烧阶段的热稳定性。

(3)有益效果

研究沥青各组分燃烧特性的梯度分布特征并计算其动力学参数，为了获取改性沥青各组分在不同升温速率下热分析试验得到的TG-DTG曲线，研究各组分分解动力学特性差异，求得沥青组分各阶段动力学参数，并测定燃烧残留物元素组成及其含量，揭示沥青四组分的燃烧性机理。本发明提出基于多升温速率下燃烧动力学参数的沥青四组分热稳定性评价方法，从理论上评价沥青各组分热稳定性，为深入研究沥青的热稳定性提供技术支持，也可用于确定与各组分相匹配的纳米型复合阻燃剂及其添加量，建立复合沥青阻燃抑烟体系，研发出具有良好经济效益和社会效益的阻燃剂，对推动沥青路面在隧道广泛使用具有重要意义。

具体实施方式

本发明提供一种基于多升温速率下燃烧动力学参数的沥青四组分热稳定性评价方法，具体实施步骤如下：

(1)从沥青中分离饱和分、芳香分、胶质和沥青质四个组分，记录各组分的含量，并对各组分分别进行工业分析和元素分析，了解各组分的挥发分、灰分、固定碳、水分的含量，以及C、H、N、S元素的含量；

(2)采用热重-差热同步分析仪在空气气氛下对各组分进行热分析试验，以5℃/min、10℃/min和15℃/min三种不同升温速率从室温升至800℃，分别获得各组分在不同升温速率下的TG-DTG曲线；

(3)根据沥青各组分在不同升温速率下的DTG曲线划分不同燃烧阶段，基于TG数据采用Kissinger微分法和Flynn-Wall-Ozawa积分法分别计算四组分在不同燃烧阶段的活化能和指前因子，对两种方法的计算结果进行相互校核；

(4)采用扫描电镜和能谱分析仪，观察沥青四组分燃烧残留物表面碳化层微观形貌，并测试燃烧残留物中元素组成及各元素含量；

(5)比较沥青各组分不同燃烧阶段所计算的活化能和指前因子，并结合沥青各组分工业分析和元素分析试验结果，综合评价沥青四组分在不同燃烧阶段的热稳定性。

Claims (1)

1.本发明是一种基于燃烧动力学参数的沥青组分热稳定性评价方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)从沥青中分离饱和分、芳香分、胶质和沥青质四个组分，记录各组分的含量，并对各组分分别进行工业分析和元素分析，了解各组分的挥发分、灰分、固定碳、水分的含量，以及C、H、N、S元素的含量；

(2)采用热重-差热同步分析仪在空气气氛下对各组分进行热分析试验，以5℃/min、10℃/min和15℃/min三种不同升温速率从室温升至800℃，分别获得各组分在不同升温速率下的TG-DTG曲线；

(3)根据沥青各组分在不同升温速率下的DTG曲线划分不同燃烧阶段，基于TG数据采用Kissinger微分法和Flynn-Wall-Ozawa积分法分别计算四组分在不同燃烧阶段的活化能和指前因子，对两种方法的计算结果进行相互校核；

(4)采用扫描电镜和能谱分析仪，观察沥青四组分燃烧残留物表面碳化层微观形貌，并测试燃烧残留物中元素组成及各元素含量；

(5)比较沥青各组分不同燃烧阶段所计算的活化能和指前因子，并结合沥青各组分工业分析和元素分析试验结果，综合评价沥青四组分在不同燃烧阶段的热稳定性。