煤直接液化残渣与石油沥青相容性研究

DCLR (Direct coal liquefaction residue) is the by-product of coal. It has lots of asphaltene and heavy oil that can be developed into the asphalt modifier. However, due to the compatibility, modification mechanism of DCLR and asphalt is not clear and good, DCLR is always discarded as waste material. This project aims to study the compatibility of DCLR and asphalt. Based on the multi-scale simulation theories and methods, the structure and physicochemical characteristics of DCLR are qualitative and quantitative described. According to the compatibility theories and methods for the polymer blends, the compatibility of DCLR and asphalt is studied based on the molecular simulation technology from the perspective of molecular model. The compatibility behavior and evaluated system of DCLR and asphalt are established. To improve the compatibility of DCLR and asphalt, the interfacial energies of DCLR and asphalt are lowered and the interfacial cohesion and compatibility of DCLR and asphalt are improved by means of adding compatibilizer, plasticizer and stabilizer etc. The interfacial compound compatibilization and modification mechanism of DCLR and asphalt is discovered. The-low temperature plasticity properties of DCLR and asphalt are strengthened. Finally, the overall properties of DCLR composite modified asphalt are designed and optimized to popularize DCLR. Simultaneously, the new modified asphalt technology is developed.

煤直接液化残渣（direct coal liquefaction residue，DCLR）作为一种煤炭废弃物，含有大量沥青烯、重质油等有用成分，可开发为石油沥青改性剂。由于DCLR与石油沥青的相容性、交互作用机理等基础性科学问题没有得到解决，严重制约着DCLR的应用。本项目基于宏观、细观、介观相结合的手段，多尺度模拟与分析DCLR结构组成、物理化学特性与宏观性能；基于聚合物共混物的热力学相容性评价理论与方法，利用分子动力学模拟技术从分子层面研究DCLR与石油沥青的相容性，建立相应的相容性评价体系；通过优化外界条件、添加增容剂和增塑剂等降低DCLR与石油沥青的两相界面能，提高两者的界面黏结力和相容性，揭示增容剂和增塑剂耦合作用对DCLR与石油沥青的界面复合增容机理，增强其低温塑性，协同设计与优化DCLR复合改性沥青性能，为实现DCLR废物利用、开发新型沥青改性技术提供理论支撑。

项目基于聚合物共混物的热力学相容评价体系和理论，借助分子动力学模拟分析技术和微、纳观结构、宏观性能等测试手段，对煤直接液化残渣（DCLR）与石油沥青相容性、交互作用机理等基础性科学问题开展研究，为DCLR应用于石油沥青的改性提供必要的理论支撑。.首先，以神华DCLR为研究对象，采用宏观、细观、介观相结合的手段，对其结构组成、物理化学特性、宏观性能等方面进行了多尺度表征与分析，发现DCLR主要由C、H元素组成，是由20%~30%重质油、20%~40%沥青烯、15%~30%前沥青稀及45%左右四氢呋喃不溶物等组成一种成分十分复杂的混合物。.其次，从20种不同标号、来源、组分比例的基质沥青中优选出5种，分别与DCLR制备代表性共混物，采用离析软化点法、玻璃化转变温度法（Tg）、溶解度参数法（SP）以及Cole-Cole图法对5种共混物的相容性进行了评价，并利用红外光谱法（IR）、四组分分析法（SARA）、凝胶色谱法（GPC）以及原子力显微镜法（AFM）对5种共混物相容性的评价及微观作用机理进行了研究，发现基于流变学方法的Cole-Cole法更适用于评价DCLR与石油沥青的相容性，建议沥青质含量不高于11%且Ic值不高于30%的石油沥青作为DCLR改性的基质沥青。.第三，通过改变DCLR的添加量、熔融共混方式中的共混温度、剪切速率、剪切发育时间等外界条件制备了不同DCLR与石油沥青共混物，利用灰色关联法等研究了外界条件对共混物相容性的影响规律，提出了最优的外界条件组合，即DCLR添加量为10%左右，共混温度为150ºC，剪切速率为4000 r/min，剪切发育时间为45min。.最后，研究了3种增容剂（芳烃油、硅烷偶联剂及苯甲醛）和3种增塑剂（邻苯二甲酸二辛酯（DOP）、马来酸二辛酯（DOM）以及水性丙烯酸树脂（WAR））在不同组合条件下对DCLR与石油沥青相容性的影响，利用响应面设计法优选出增容剂和增塑剂的最佳掺量和组合方式，基于SPD、Tg、离析软化点法以及分子动力学（MD）方法探究了不同增容方式对DCLR与石油沥青的界面复合增容机理，从分子层面揭示了不同增容方式对共混物相互作用能、内聚能密度等参数的影响规律，建立了与低温性能之间的数字方程，协同设计与优化出性能优异的DCLR复合改性沥青，为实现DCLR废物利用、开发新型沥青改性技术提供科学依据。