秸秆液化制备生物沥青工艺及其性能研究

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在能源短缺和环境污染这两大突出问题的时代背景下,生物质资源因其可再生性逐渐受到重视。我国秸秆年产量近9亿吨而无法得到有效的利用,催化液化技术可将废弃农作物秸秆转变为液态高分子材料进而再利用。本文以废弃稻草秸秆为原材料,通过催化液化技术进行液化,探索不同的试剂及工艺条件对液化率的影响,并将液化产物用于生物沥青的制备,以减少路面材料对石油资源的依赖,实现道路材料的可持续发展。研究内容主要如下:(1)液化剂及催化剂种类对秸秆液化效果的影响针对不同种类液化剂对秸秆的液化效果,进行单一液化剂及不同比例复配液化剂的秸秆催化液化实验,确定酚(苯酚)、醇(丙三醇:PEG400=1:4)、酚醇联用(丙三醇:PEG400:苯酚=3:7:10)三种液化体系,并通过不同种类催化剂的催化效果对比,优选液化反应的催化剂为质量分数20%的硫酸。(2)秸秆液化影响因素及液化产物分析通过单因素分析,研究了反应温度、反应时间、固液比、催化剂用量及压力对秸秆催化液化结果的影响,并以此为依据进行酚、醇、酚醇联用三种液化体系的工艺条件优化,在各自的最佳工艺下,三种液化体系的液化率分别为96.53%、84.83%、91.24%。对最佳工艺下的三种液化产物及秸秆进行分析,通过FTIR发现液化产物中均含有大量的羟基、羰基,但不同液化产物的官能团结构有所区别;TG结果表明三种液化产物的主要质量损失在温度为200~500℃之间,且在此阶段的质量损失酚体系下的液化产物最快,醇体系下的液化产物最慢;SEM发现液化残渣中存在有少量未被分解的纤维残留,液化过程发生了缩聚反应;黏度实验显示液化产物具有与沥青相似的流体特性。(3)生物沥青的制备及其路用性能研究将酚、醇、酚醇联用最佳工艺下的三种液化产物在5%、10%、20%的掺量下分别制备F生物沥青、C生物沥青、H生物沥青,通过沥青常规性能指标测定发现,随液化产物掺量的增加,生物沥青的针入度逐渐变大,黏度逐渐变小,延度先增大后减小,C、H生物沥青的软化点逐渐增大,F生物沥青的软化点则相反。由PI、PVN、VTS、黏流活化能分析,生物沥青比基质沥青的温度敏感性低。由MSCR结果分析抗变形能力可知,C生物沥青及H生物沥青优于基质沥青,F生物沥青劣于基质沥青。通过生物沥青与液化产物的FTIR及TG结果对比,认为液化产物与基质沥青之间以物理反应为主,液化产物在沥青中形成了良好的分散状态,与基质沥青有着较好的相容性。
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