TS0301-降低煤沥青粘度的改质处理案例简要说明:依据国家职业标准和炭素加工技术专业教学要求，归纳提炼出所包含的知识和技能点，弱化与教学目标无关的内容，使之与课程学习目标、学习内容一致，成为一个承载了教学目标所要求知识和技能的教学案例。
该案例体现了炭素生产工艺混捏工序、煤沥青的质量指标等知识点和岗位技能，与炭素加工技术专业沥青制备及应用课程煤沥青的改质处理单元的教学目标相对应。
降低煤沥青粘度的改质处理1.背景介绍煤沥青粘结剂在炭材料生产中的功能主要是提供塑性，混捏成型和焙烧形成粘结焦。
因此混捏中煤沥青与炭质骨料的粘结性能是焙烧成品质量好坏的前提。
在企业调研过程中，某炭素生产企业，主要产品如炭阳极、阴极炭块、石墨电极等，原料均为外购，其中包括作为粘结剂和浸渍剂的煤沥青，购买的煤沥青为软化点120℃的改质沥青。
企业技术人员反映在炭素材料生产工艺混捏工序中煤沥青由于粘度过大，与炭质骨料之间的浸润性和结合力较弱，影响了制品的性能，故提出在结焦值降低幅度不大的前提下在较低的混捏温度下降低煤沥青体系的粘度。
2.主要内容2.1煤沥青的用途和要求沥青是原油加工过程的一种产品，在常温下是黑色或黑褐色的粘稠液体或者是固体，它是一种棕黑色有机胶凝状物质，包括天然沥青、石油沥青、煤焦油沥青等三种。
煤沥青全称为煤焦油沥青（coal-tar pitch) ，是煤焦油蒸馏提出馏分（如轻油（<170℃）、酚油（170—210℃）、萘油（210—230℃）、洗油（230—300℃）、蒽油（300—360℃）等）后的残留物（residue) 。
（一）煤沥青的分类煤沥青品种较多，普通煤沥青产品包括四种：1.低温沥青（low temperature pitch)（软化点为30—75℃，又称软沥青soft pitch ）；2.中温沥青（medium pitch) （软化点为75—95℃）；3.高温沥青（high temperture pitch)（软化点为95—120℃，又称硬沥青hard pitch ）；4.改质沥青（modified pitch)。
目前，部分铝用炭素生产企业采用高温沥青或改质沥青做粘结剂。
（二）煤沥青的用途目前煤沥青主要用途可分为：1.生产各种类型炭材料的粘结剂（binder)和浸渍剂（impregnant)，这一部分产量最大；2.生产针状焦（needle coke)和炭纤维（carbon fiber)等高技术产品，产量不大，但附加值很高；3.防水防腐材料和筑路材料。
（三）煤沥青的功能煤沥青粘结剂在炭材料生产中的功能主要有两个方面：1.在混捏、成型过程中赋予糊料以一定的塑性，使其满足成型的要求；2.在焙烧过程中，于固体炭质物料之间形成炭膜粘结桥，将炭质物料结合成一个整体，使其具有一定的机械强度。
（四）改质沥青的特点改质沥青用作为炭材料生产粘结剂的特点：1.结焦残炭值高，焙烧时可生成更多的粘结焦，制品的机械强度高；2.软化点高，夏天运输和远距离运输问题易于解决；3.沥青脱水后磨粉使用，粉状沥青直接加入混捏锅中，也可熔化成液体后使用；4.混捏成型过程中，沥青逸出的烟气较少，可减少对环境的污染；5.使用改质沥青时，输送沥青的管道温度及混捏温度、压型下料、料室和压型嘴温度都要相应提高，其熔化温度也应高于中温沥青；6.改质沥青含有较多的β树脂和次生QI，具有较高的热稳定性，有利于提高炭材料的质量。
2.2粘结剂沥青的质量指标粘结剂煤沥青在适当的温度范围内是一种可流动的液体，加热混捏时能被炭质骨料及粉料吸附，并能渗透到骨料及粉料的孔隙中去，把各种散料颗粒粘结在一起，形成质量均匀有良好可塑性的糊料。
这种糊料具有良好的粘弹性和润滑性。
炭材料生产对粘结剂的具体要求：（一）对炭质物料有很好的浸润性和粘结力，这样才能保证糊料具有良好的可塑性；（二）粘结剂应具有较高的含碳量和结焦值；（三）粘结剂应为热塑性物质，常温下为固体，稍加热熔化成为液体，冷却后立即硬化；（四）来源广，价格便宜。
我国中温沥青质量标准见表1所示。
我国改质沥青的质量标准见表2。
2.3煤沥青粘度指标影响煤沥青的粘度的因素主要有分子量、分子形式及与溶剂的相互作用。
低粘度浸渍剂改质沥青的特性是在保证原有较高的结焦值的前提下，降低煤沥青的粘度，以提高其与炭质骨料的浸润性，糊料塑性好。
从煤沥青的组分分析（如图1），其中γ树脂的主要功能为降低沥青的粘度，使沥青易于被炭质骨料吸附，增加糊料的塑性，有利于成型。
γ树脂含量少，煤沥青流动性差，可塑性差，焙烧收缩小；γ树脂含量多，煤沥青流动性好，挥发分大，但过量的γ树脂会降低沥青的结焦值，并且焙烧时炭坯收缩大，影响焙烧品密度和机械强度。
因此，从提高轻质组分含量的角度出发，不能保证结焦值不变的同时降低粘度。
图1 煤沥青的组分分析流程通过对比中温沥青和改质沥青的粘度随温度的变化情况（图2），虽然中温沥青和改质沥青的软化点相差25℃，但要达到相同流变性能时，改质沥青所需的温度要比中温沥青高45~55℃，即改质沥青与中温沥青不大的软化点差异会带来很大的流变性能差异，这表明采用改质沥青作粘结剂时煤沥青使用温度要比中温沥青高得多，因此从改质沥青粘度测试数据来看，其用于炭材料生产时沥青和糊料混捏温度应在175~205℃范围内，即比改质沥青的软化点高70~100℃。
所以采用改质沥青作为粘结剂，改质沥青的软化点越高，用于炭材料生产时沥青熔化和糊料混捏温度就越高。
在炭材料生产中应用改质沥青粘结剂时一方面要充分提高改质沥青的使用温度，另一方面需向改质沥青中加入可降低沥青粘度和提高糊料塑性的添加剂，从而保证改质沥青使用时处于良好的流变状态。
考虑到节能环保，我们采用不改变混捏温度加入添加剂，实现煤沥青粘度的降低。
图2中温沥青和改质沥青粘度随温度的变化■—中温沥青●—改质沥青表面活性剂又可称为增塑剂，包括硬脂酸、皂片、石蜡、油酸等本案例采用硬脂酸、油酸作为添加剂。
其改质原理为：硬脂酸和油酸都属于阴离子表面活性剂，为两亲分子，具有亲油基（或憎水基）和憎油基（或亲水基），两者的结构式如下：硬脂酸：CH3(CH2)7—CH2CH2(CH2)7—COOH憎水基亲水基油酸：CH3(CH2)7—CH=CH (CH2)7—COOH憎水基亲水基硬脂酸和油酸分子呈不对称的线状结构，其一端是活性极化基团——羧基（亲水基），而另一端则是非活性烃基（憎水基）。
当表面活性剂硬脂酸和油酸溶于煤沥青中，根据极性相似相引、极性相异相斥原理，其亲油基与沥青非极性分子相吸引而结合于沥青，亲水基与沥青非极性分子相排斥而离开沥青。
为了克服这种不稳定状态，表面活性剂就只有占据到沥青液体表面，将亲水基伸向外面，而亲油基伸入沥青中，结果表面活性剂分子吸附在两相界面上，沥青表面的一些分子被表面活性剂分子取代，产生“表面过剩”，使两相间的界面张力降低，煤沥青的缔合度降低，从而显著降低了煤沥青的表面张力和粘度。
硬脂酸和油酸都是十八碳原子的表面活性剂，两者结构的差异：硬脂酸是直链结构，憎水基都是甲基和亚甲基，而油酸在碳链第九个键是不饱和双键，使其分子结构呈异动弯曲，故其作用截面积较大，对于相同表面积沥青胶团，数量较少的油酸就可达到分散胶团的目的；而硬脂酸为直链，其作用截面积要小一些，达到同样的分散效果，就需要较大的添加量。
表面活性剂油酸对煤沥青的改性作用更优于硬脂酸，达到相同降粘效果时，所需油酸用量也可稍少一些，从而可更好地改善煤沥青的流变性能。
3.分析路径该案例是生产案例，本案例体现了炭素生产工艺混捏工序、煤沥青的质量指标等知识点和岗位技能，与炭素加工技术专业沥青制备及应用课程煤沥青的改质处理单元的教学目标相对应。
根据国家职业标准关于炭素混捏工、炭素浸渍工工种要求，对应教学目标，从此生产案例归纳提炼出所包含的知识和技能点，弱化与教学目标无关的内容，使之与课程学习目标、学习内容一致，成为一个承载了教学目标所要求知识和技能的教学案例。
炭素生产企业一般不设有煤沥青生产设备，多数采用外购的方式，这就不能从原料的生产工艺上来调整煤沥青的软化点、粘度、结焦值等指标。
要想在相同的混捏温度下不大幅度降低结焦值的前提下降低煤沥青的粘度，考虑通过加入添加剂的方式。
该案例能够使学生掌握煤沥青的诸多质量指标及其对炭素制品的影响，学会分析和解决问题的能力。
从降低煤沥青粘度这个质量指标这个典型工作任务出发，使学生掌握煤沥青的组分、性能及其功能，从而掌握炭素生产过程的关键步骤——混捏工序对最终制品的影响。
下面以降低煤沥青粘度的改质处理为例，说明该改质案例教学、现场教学的经过。
4.教学目标（一）了解煤沥青的生产工艺；（二）掌握煤沥青的各项质量指标；（三）设计降低煤沥青粘度的改质方案，掌握改质结果；（四）全面复习所学知识，并将知识转化为能力。
5.教学方式方法现场调研、问题讨论、点评、案例分析、讲授、课堂练习、大作业。
具体教学过程设计如下：5.1课前计划（一）学生掌握知识：煤沥青的生产、质量指标、组分分析、在炭素材料生产中的使用和对制品的影响以及煤沥青的改质处理；（二）学生分组，指定组长；（三）与现场联系，进行现场教学准备，包括安全教育、劳保用品、行走路线，现场兼职教师，现场教室等；（四）安全教育，教师带领学生下厂调研，记录3份煤沥青试样的质量参数；（五）学生根据所学知识和实习、调研中获得的资料，总结该沥青的改质方案要点；（六）与技术人员交流，请技术人员准备讲授该煤沥青在改质中出现的难点。
（七）教室设置成学习岛，准备投影，为每组准备2张0开白纸，大号记号笔1支、作业纸每人2张。
5.2课中计划（一）学生按小组就座学习岛周围，选举记录人、发言人。
（二）采用头脑风暴法，每人总结一条操作要点，按顺时针顺序轮流发言，记录人将操作要点在0开白纸上按煤沥青的组分分析、质量要求、改质分模块记录。
要求每人发言，可以轮空，直到所有人员无法补充为止，时间15～20分钟；（三）整理完成后，小组发言人上台展示0开白纸上的记录，并向全体师生汇报交流钢种操作要点；发言学生汇报完成后，同组学生可以补充。
汇报完成，本组自评，其它组进行点评打分，现场技术人员参与对学生汇报的操作要点评价，指出优点和不足，每组时间8～10分钟；（四）技术人员讲授实际生产炭素制品时煤沥青的特性和对制品的影响的案例，时间20分钟；（五）教师讲授低粘度煤沥青用途、性能要求、成分控制要求，改质操作要点，时间45分钟。
5.3课后计划布置作业，见6.3。
6.思考题与考评6.1课前思考题布置课前思考题，保证学生下厂调研知道找什么材料、看什么操作、思考为什么如此操作。
（一）改质沥青用作为炭材料生产粘结剂的特点是什么？（二）煤沥青粘结剂在炭材料生产中的功能主要有哪几个方面？（三）炭材料生产中确定煤沥青粘结剂用量的理论依据是什么？影响煤沥青用量的因素有哪些？（四）煤沥青在炭糊料中分布呈现哪几种形式？（五）降低煤沥青软化点和粘度的方法有哪些？6.2课堂练习课堂提问或者集体回答，目的：及时复习、巩固知识，检查教学效果。