咪唑类离子液体中阴离子对新疆褐煤阻燃性能

宋长磊^1,2，刘向荣^1,2，赵顺省^1,2，杨再文^1,2

1. 西安科技大学化学与化工学院2. 自然资源部煤炭资源勘察与综合利用重点实验室

摘 要：离子液体作为新型的煤炭阻燃剂,可通过破坏煤中的活性官能团,从根本上解决煤自燃的问题。采用两步法合成了4种阴离子不同的咪唑类离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氟化盐（[BMIM][F],Ⅰ）、1-丁基3-甲基咪唑三氟乙酸盐（[BMIM][CF₃COO],Ⅱ）、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[BMIM][BF₄],Ⅲ）和1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（[BMIM][PF₆],Ⅳ）。通过核磁共振（NMR）和红外光谱（FTIR）对其进行了表征,结果表明核磁共振和红外光谱各吸收峰与目标离子液体相同。将4种离子液体与新疆褐煤在50℃条件下作用8 h,利用热重技术研究了离子液体中阴离子对新疆褐煤的阻燃性能,发现经离子液体处理后,煤样的干裂温度点、着火点和最大失重速率点均增大,自燃过程的失重百分比均减小,4种阴离子对煤的阻燃能力大小为[PF₆]^->[BF₄]^->[CF₃COO]^->[F]^-,此顺序与阴离子中氟原子数量和离子半径从大到小的变化规律一致,原因是阴离子中氟原子数量越多,对-OH的诱导效应越强;且离子半径越大,与诱导产生的H⁺结合能力越强,阴离子的破坏能力也就越强。其中阻燃效果最好的Ⅳ将煤样的干裂温度点由145.8℃提高到173.4℃,着火点由349.6℃提高到380.2℃,最大热失重速率点由440.0℃提高到480.0℃,自燃过程的失重百分比由92.3%降低到80.7%。红外光谱显示,离子液体处理后煤样中的羟基官能团含量相比于原煤均降低,说明离子液体通过破坏煤中的羟基官能团达到阻燃的目的,破坏能力大小顺序为Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ。结果可为设计阻燃效果更佳的离子液体提供借鉴。

关键词：新疆褐煤;咪唑类离子液体;阴离子;阻燃规律;热重;