探究煤沥青中间相的研究进展

摘 要：在炭化的过程中，煤沥青会发生各向异性的中间相，文章主要针对国内外关于煤沥青中间相研究的现状以及相关进展，对煤沥青中间相的形成条件以及形成机理进行研究，对煤沥青中间相转化的动力学和热力学的发展动态进行深层次的阐述，总结出了中间相的表征与分离技术，同时探讨了煤沥青的热条件处理和添加剂对煤沥青中间相结构和形成的影响以及化学组成，并提出了未来的发展方向。

关键词：煤沥青 中间相 热力学 动力学

煤沥青是一种结构和组成都非常复杂的混合物，对于它的确切成分，目前还没有一个明确的定义，但可以确定的是，其基本组成单元是稠环芳烃及其衍生物。煤沥青同其他物质相比较，具有诸多优点，煤沥青复杂的分解反应和缩聚反应是煤沥青基本的炭化过程，小分子从煤沥青中逸出，其残留物进行脱氢缩聚，进而形成以缩合稠环芳香族为主体的液晶形态，被称之中间相。中间相的形成使缩合碳网的堆积井然有序，最后形成了三维有序结构的易石墨化碳，需要强调的是，如果中间相物质在形成之前，产生过于剧烈的交联反应，就不会经过中间相，进而石墨化则难以完成，所以研究中间相的形成以及性能对于碳材料的制备具有非常重要的意义。

一、煤沥青中间相的形成原理

通常情况下，煤沥青中间相会出现在620至800K之间，在该温度区域，煤沥青的各个组分的分子会发生芳构化、聚合和分解等化学反应，其形成热力学稳定的多核芳香的平面状大分子，其芳的环数少到几个，多到几十个不等，由于分子间的热运动，而且相互靠近，然后由分子间的偶极矩和范德华力，在分子间力的作用下进行平行叠合，呈液晶状向列排列，呈现出一定的取向性，然而形成的液晶物质是各向异性的，导致它们的表面张力相对与周围的同性母液较高，因此在表面张力的作用下形成中间相球体，球体的表面自由能降低到最小，从而使成相稳定。中间相球体具有两种典型的结构模型，一种为“地球仪”结构，均相成核的沥青中间相球体大多数属于这个类型，还有一种为“洋葱”结构，它被认为出现在以碳黑或者游离碳的中间相球体中。在中间相球体生成以后，通过不断吸附周围母液中的大分子面长大。而当长大以后的中间相球体在相互靠近过程中，各个球体内的扁平大分子层面彼此贯穿，形成中间相叠复球体，该球体形成流动态的各向异性区域。之后中间相的含量会不断增加，最终形成中间相的大融并体

前面已经提到，煤沥青的组成非常复杂，所以在自由基合并的时候，同类自由基不仅会发生合并现象，异类自由基同样会发成合并。沥青的分子量主要被划分为3个部分，即：分子量在400以上700以下的组分被认为是在炭化反应中最活泼的分子，其能够很快发生缩聚反应，进而使分子量快速增大，分子量在700和1200之间的组分是过渡性的反应分子，反应活性一般，如果加以进一步的反应就会成为稳定的中间相，倘若分子在1200以上的组分则是中间相在形成过程中最稳定的分子，我们完全可以认为它的炭化过程是惰性的

普遍认为，中间相的形成必须要满足两个基本条件，一个是平面芳烃分子大小要足够，以保持分子间具有较为强大的分子间作用力，这也是组成分子有序排列的原始动力，另外一个则是体系必须维持在一个合适的粘度范围，以保证分子能够自由的移动，这也是中间相形成的外在条件。在研究中间相的形成过程中的体系粘度时，我们发现，体系的粘度是随着温度升高而不断减小的，当温度到达360摄氏度与400摄氏度之间时，粘度会达到一个极小值，之后则随着温度的不断升高而快速增大，所以，在中间相形成的过程中必须要控制好时间和温度，进而控制体系粘度和反应速度

二、煤沥青中间相的热力学

煤沥青中间相是在沥青熔融的过程中生成的，它的生成可以说是一种相转化的过程，也就是各向异性相和同性相之间的转化过程，所以，我们可以通过热力学进行相关的计算，建立转化相图，并以此为基础讨论研究中间相的转化情况以及生成条件，同样，由于煤沥青的反应和组成具有极大的复杂性，要想进行相关的定量计算则非常之困难的，所以，现在进行的大多数研究都必须通过实验数据进行推测，缺乏根本的理论指导，科研人员起初通过实验对中间相的转化相图进行了制定，他们把沥青看作是苯不溶物以及苯可溶物所组成的体系，并且按照不同的比例对其进行炭化和调制，进而得到了中间相的转化相图形，同时科研人员还利用了液晶混合物相关的统计理论建立模型，对该相图进行理论上的计算，虽与试验的数据吻合度有所差异，但这为今后的热力学理论探究奠定了坚实的基础

三、煤沥青中间相的表征以及分离方法

溶剂分离法、热过滤法及超临界抽提法都是把中间相从炭化产物中分离出来所采用的普遍方法。

溶剂分离法主要是把含有中间相的炭化物溶于化学溶剂中，并对其进行稍微加热，搅拌一段时间以后进行真空过滤，之后再将滤饼用溶剂在抽提器中提至无色，当溶剂中的不溶物干燥以后，我们就可以得到中间相。

超临界抽提法主要是将炭化物溶于适当的化学溶剂中，在升高一定温度的情况下进行加压，进而使溶剂达到要求的超临界状态，之后我们对可溶物进行抽提分离和萃取。

热过滤法同样需要将碳化物加热到一定的温度，在该温度下，各向同性相全都发生溶解，而异性的中间相仍旧保持原有的固态，之后进行抽提和过滤，最终分离出中间相。

四、总结

煤沥青中间相研究在近些年来取得了很多的重要成果，但是因为煤沥青结构和组合的复杂性，致使中间相转化很难进行具体表征，同时，更缺乏理论论证，所以，必须采取合适的方法对煤沥青和中间相进行合理、全面的表征，提出具有针对性的模型化合物组合，结合量子化学理论以及有机化学理论，建立正确的理论模型。虽然目前已经针对一些中间相的热力学模型开发出了一些中间相热力学模型，但距离成熟还相距甚远，需要我们对其进一步进行研究。相信会在不久的将来取得更大的突破。

参考文献

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