山西煤化所在基于分子結(jié)構(gòu)演變的中間相瀝青形成機(jī)理方面取得進(jìn)展
作為高性能碳纖維、瀝青基針狀焦及電池電極材料等眾多高端碳材料的優(yōu)良前驅(qū)體，中間相瀝青的可控合成一直備受關(guān)注。煤焦油瀝青是煤焦油蒸餾提取餾分后的殘余物，具有來(lái)源廣、芳香度高等優(yōu)勢(shì)。在熱轉(zhuǎn)化過(guò)程中，煤瀝青可產(chǎn)生具有高度有序的碳質(zhì)中間相，被認(rèn)為是是合成中間相瀝青的優(yōu)質(zhì)原料。然而，煤焦油瀝青具有組分復(fù)雜、雜質(zhì)含量高以及反應(yīng)過(guò)程難以精確調(diào)控等特性，使合成分子量分布集中、流變性能良好的中間相瀝青面臨巨大挑戰(zhàn)。
加氫縮聚技術(shù)通過(guò)引入環(huán)烷和烷基結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了煤焦油瀝青的結(jié)構(gòu)缺陷，顯著提高了中間相瀝青的可紡性。然而，氫化瀝青向中間相瀝青轉(zhuǎn)變時(shí)，分子結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著變化，目前人們對(duì)其轉(zhuǎn)變機(jī)理認(rèn)識(shí)有限，尤其是分子結(jié)構(gòu)與光學(xué)織構(gòu)之間尚未建立關(guān)聯(lián)。
近日，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所申文忠研究員團(tuán)隊(duì)（904課題組）在中間相瀝青形成機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展。以精制煤焦油瀝青為原料，通過(guò)加氫-熱縮聚工藝合成可紡中間相瀝青，從光學(xué)織構(gòu)與分子結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)角度系統(tǒng)探究了中間相瀝青的形成機(jī)制，相關(guān)結(jié)果以《Investigation of the formation mechanism of mesophase pitch based on the evolution of molecular structure》為題發(fā)表于Fuel期刊。
通過(guò)控制加壓熱縮聚條件，結(jié)合13C-NMR、MALDI-TOF/TOF MS、EPR及同步輻射熒光等多種分析測(cè)試手段，研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)探究了氫化瀝青向中間相瀝青轉(zhuǎn)化過(guò)程的反應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明，中間相瀝青的形成遵循“成核-生長(zhǎng)-融并-解體”的演化路徑，最終在MP-12中形成了各向異性含量超過(guò)90%，具有發(fā)達(dá)纖維型織構(gòu)的中間相瀝青。為了進(jìn)一步評(píng)估其紡絲性能，以MP-12為前驅(qū)體，成功制備出具有明顯徑向輻射狀結(jié)構(gòu)的中間相瀝青基碳纖維，其拉伸強(qiáng)度為1.39 GPa，楊氏模量為69.48 GPa。
該研究工作不僅優(yōu)化了中間相瀝青合成的工藝條件，而且從光學(xué)織構(gòu)與分子結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)視角闡明了加氫-熱縮聚法制備可紡中間相瀝青的反應(yīng)機(jī)理，建立了微觀分子結(jié)構(gòu)與宏觀特性之間的關(guān)系，為分子層面可控合成中間相瀝青提供了理論指導(dǎo)和實(shí)踐策略。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.fuel.2025.136281
中間相瀝青形成過(guò)程中的光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)及各向異性含量
中間相瀝青的13C-NMR譜及其擬合曲線
中間相瀝青基碳纖維的SEM圖
中間相瀝青形成機(jī)制示意圖
（904課題組）
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