一种氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂及其制备方法与流程

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂及其制备方法。

背景技术：

煤沥青可用作粘结剂与石油焦、石墨碎或其他固态碳素材料混合后，再经各种不同的工艺处理制备成碳素电极，广泛用于钢铁冶金、有色金属冶金、化工等工艺流程。其中，相当一大部用于现代大型铝电解槽生产金属铝。由于粘结剂的性能对发挥整体碳素电极制品的品质和性能极为重要，现行工艺中通常采用添加改性剂的方法改善粘结剂的性能，以从整体上提升碳素电极制品的使用性能，其中一个重要的方面，是改善煤沥青粘结剂及其电极制品的强度和抗氧化性能，以降低电极材料消耗和生产成本，减少二氧化碳排放量和对生态环境的危害。

近年来，石墨烯作为一种有效的改性剂而应用于石油沥青、混合沥青以及中温煤沥青的改性，获得了改善石墨电极和碳纤维力学和电学性能的技术效果。氧化石墨烯保持石墨烯晶格形式的同时，表面上存在大量含氧功能团，应该具有很强的参与或促进化学反应的能力。目前改善煤沥青和碳素电极抗氧化性的方法，主要是通过添加一些无机金属化合物来实现，其改性效果有限。特别是当此类电极用于铝电解过程时，由于这些金属添加剂的氧化，还有可能在电解金属铝产品中引入额外的金属杂质。因此，采用更有效的抗氧化改性煤沥青并用于制备碳素电极，有益于降低使用过程中碳素电极材料消耗，减少二氧化碳排放和保护生态环境。

技术实现要素：

针对背景技术中问题，本发明的目的是提供一种氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂及其制备方法，该方法通过添加氧化石墨烯并与煤沥青基体充分均匀混合，经适当加热碳化处理，获得一种石墨烯改性煤沥青粘结剂以及制备成碳素电极，实现提升碳素电极抗氧化性、降低碳素电极材料消耗，减少二氧化碳排放，最终改善使用此类碳素电极的经济和环境效益。

本发明的技术方案是：一种以煤沥青为原料混合添加氧化石墨烯生产改性沥青粘结剂的制备方法，该方法以煤沥青为基本原料，以氧化石墨烯为添加剂，将二者在惰性液态媒介中充分混合并经分离净化，制备成改性煤沥青粘结剂，再与固态碳素组分混捏结合经高温处理后改善碳素电极的抗氧化性能，降低使用过程碳素电极材料的消耗。

该方法具体包括以下步骤：

步骤1.媒介分散：将氧化石墨烯粉末按一定比例加入高纯无水乙醇媒介中，同时施加超声波(28–60khz)强化分散作用一定时间后，获得氧化石墨烯均匀分散的混合溶胶。

步骤2.配料混合：将步骤1所获氧化石墨烯溶剂与煤沥青粉末按一定比例充分搅拌混合，获得氧化石墨烯-煤沥青-媒介液中间混合物。

步骤3.分离净化：将步骤2所获中间混合物经在一定温度下搅拌处理，蒸发去除其中的无水乙醇，并经干燥处理后，冷却后获得氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂。

步骤4.混捏烧结：将步骤3所获得氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂按一定比例与固态碳素颗粒或石墨碎在一定温度下混捏后，压制成电极生坯，高温焙烧得到电极制品。

进一步，所述媒介分散过程中，氧化石墨烯粉末的添加量可按5–15％质量比加入到高纯无水乙醇之中，超声波强化分散作用时间以30–90min为宜。

进一步，所述配料混合过程中，氧化石墨烯溶剂与煤沥青粉末混合比例，按实际控制其中氧化石墨烯量为0.2-2.0％(质量比)为宜。

进一步，所述分离净化过程中，将所获中间混合物经在90-170℃下加热至熔融态并搅拌蒸发去除其中的无水乙醇，然后再进行干燥处理。

进一步，所述混捏烧结过程中，将氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂与固态碳素颗粒或石墨碎按(15-30)：(70-85)的比例，在100-150℃下混捏后压制成电极生坯，经900-1300℃焙烧得到碳素电极制品。

本发明的主要优点在于：通过氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂制成的碳素电极的抗氧化性得到改善，由此可降低电极使用时碳消耗，减少二氧化碳排放量，有利于保护生态环境。

附图说明

图1：氧化石墨烯改性沥青粘结剂的炭化曲线；

图2：氧化石墨烯改性沥青900℃炭化后试样的显微图像；

a)未改性的煤沥青粘结剂；(b)氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂

图3：氧化石墨烯改性沥青制成碳素电极在960℃下反应性失重曲线。

具体实施方式

以下通过具体实施例，对本发明的技术方案及其应用做进一步说明。

实施例1：

媒介分散：将氧化石墨烯粉末按10％质量比加入到高纯无水乙醇之中，同时施加超声波(60khz)强化分散作用60min后，获得氧化石墨烯均匀分散的混合溶胶。

配料混合：将上述所获氧化石墨烯溶胶与煤沥青粉末按实际控制其中氧化石墨烯量为1.0％(质量比)充分搅拌混合后，获得氧化石墨烯-煤沥青-媒介液中间混合物。

分离净化：将所获中间混合物经在90-150℃下加热搅拌蒸发去除其中的无水乙醇，然后再进行干燥处理，冷却后获得氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂。

对所获氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂在高温下进行残炭率检验，结果显示与同样条件下煤沥青(未改性)相比，所获氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂的残炭率提高36％(参见图1)，表明掺加氧化石墨烯改进了煤沥青粘结剂本身的成炭率，为进一步提升整体碳素电极制品的致密性和抗氧化性提供了良好基础。

实施例2：

所用原料与实施例1相同。

媒介分散：将氧化石墨烯粉末按10％质量比加入到高纯无水乙醇之中，同时施加超声波(60khz)强化分散作用60min后，获得氧化石墨烯均匀分散的混合溶胶。

配料混合：将上述所获氧化石墨烯溶胶与煤沥青粉末按实际控制其中氧化石墨烯量为1.0％(质量比)充分搅拌混合后，获得氧化石墨烯-煤沥青-媒介液中间混合物。

分离净化：将所获中间混合物经在90-150℃下加热搅拌蒸发去除其中的无水乙醇，然后再进行干燥处理，冷却后获得氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂。

对所获氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂在900℃下进行进行碳化处理，对所获固态试样的显微结构进行分析，结果显示与同一条件下煤沥青(未改性)的孔隙率为43％，所获氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂的孔隙率则降低至24％(参见图2)，表明掺加氧化石墨烯改进了煤沥青粘结剂本身炭化后的致密性或气密性，因而有利于进一步提升由此粘结剂制备的碳素电极制品整体的抗氧化性。上述显微分析图像可参见图2。

实施例3：

所用原料与实施例1和2相同。

媒介分散：将氧化石墨烯粉末按10％质量比加入到高纯无水乙醇之中，同时施加超声波(60khz)强化分散作用60min后，获得氧化石墨烯均匀分散的混合溶胶。

配料混合：将上述所获氧化石墨烯溶胶与煤沥青粉末按实际控制其中氧化石墨烯量为1.0％(质量比)充分搅拌混合后，获得氧化石墨烯-煤沥青-媒介液中间混合物。

分离净化：将所获中间混合物经在90-150℃下加热搅拌搅拌蒸发去除其中的无水乙醇，然后再进行干燥处理，冷却后获得氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂。

混捏烧结：将所获得氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂与固态碳素颗粒按82.5：17.5的比例，在100-150℃下混捏后压制成电极生坯，经1200℃焙烧得到碳素电极制品。

将上述所获碳素电极的试样在960℃下按国际标准(iso12989-2：2004e)进行氧化反应性检验(co2气氛)，结果显示氧化石墨烯改性煤沥青粘结剂制成碳素电极试样的气化率(氧化造成的质量损失)比未改性煤沥青粘结剂制成碳素电极试样减少27％(质量比)，表明降低了化石墨烯改性煤沥青粘结剂制成碳素电极的碳消耗量。上述对比结果可参见图3。

参考文献

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