第1章緒論
炭是人類*早利用的能源之一，作為主要燃料，自人類發(fā)明了取火后就與炭結(jié)下了不解之緣。碳元素作為與人類*密切相關(guān)、*重要的元素之一，一直是各國學(xué)者研究的熱點(diǎn)。隨著科學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)了炭材料的許多新奇特性，如優(yōu)良的耐熱性能、高導(dǎo)熱系數(shù)、良好的化學(xué)惰性、高電導(dǎo)率等，使其在航空航天、能源、環(huán)保、醫(yī)療、電子、化工、冶金、機(jī)械等諸多領(lǐng)域體現(xiàn)出越來越重要的作用。
碳質(zhì)中間相是一類重要的炭材料前驅(qū)體，其結(jié)構(gòu)決定了所制備中間相炭材料的幾乎所有性質(zhì)，是影響其具體性能和*終應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。因此，控制碳質(zhì)中間相形成和形態(tài)發(fā)展及其向炭材料轉(zhuǎn)化過程中的結(jié)構(gòu)發(fā)展具有十分重要的科學(xué)意義。
1.1碳質(zhì)中間相的定義
國際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）在Compendium of Chemical Terminology（第二版）中對碳質(zhì)中間相作了如下描述：
碳質(zhì)中間相是瀝青的一種液晶狀態(tài)，呈現(xiàn)盤狀向列型液晶的雙折射特性。它可以由各向同性的瀝青熱解生成，也可以通過沉降選擇性萃取的瀝青分級獲得。一般說來，從熱解瀝青中沉淀出來的球形中間相具有Brooks-Taylor型結(jié)構(gòu)。通過持續(xù)熱處理，碳質(zhì)中間相融并成體中間相，然后隨著氫和低相對分子質(zhì)量物質(zhì)的進(jìn)一步逸出，形成生焦。
由IUPAC對碳質(zhì)中間相的描述，可以得出有關(guān)碳質(zhì)中間相的以下信息：
（1） 碳質(zhì)中間相是一種由盤狀分子構(gòu)成的向列型液晶物質(zhì)；
（2） 碳質(zhì)中間相可以通過熱處理從瀝青中獲得；
（3） 根據(jù)碳質(zhì)中間相的形態(tài)可以分為球形中間相和體中間相；
（4） 球形中間相一般具有Brooks-Taylor型結(jié)構(gòu)。
隨著碳質(zhì)中間相研究的深入，IUPAC的描述已不能準(zhǔn)確地定義碳質(zhì)中間相，其原因如下：
（1） 制備碳質(zhì)中間相的原料已不限于瀝青，還可以為重質(zhì)油，甚至是化合物，如萘、甲基萘、喹啉、異喹啉等［1-5］。
（2） 通過調(diào)整原料組分、添加固體物質(zhì)或控制反應(yīng)條件，球形碳質(zhì)中間相的結(jié)構(gòu)也可以為“洋蔥”型［6］、“同心圓”型［7］、“第四種結(jié)構(gòu)”型［8］和“非定義”復(fù)雜結(jié)構(gòu)［9-12］等。
（3） 構(gòu)成碳質(zhì)中間相的分子也可以不是圓盤狀，如萘系中間相瀝青分子為棒狀分子［13］。
（4） 此描述沒有把碳質(zhì)中間相和其他液晶區(qū)分開來。
結(jié)合碳質(zhì)中間相的各種性質(zhì)，可以把它大致描述為：碳質(zhì)中間相是重質(zhì)芳香烴類物質(zhì)在熱處理過程中生成的一種由圓盤狀或棒狀分子構(gòu)成的向列型液晶物質(zhì)，雖然在一些特殊的情況下中間相可以具有某種程度的熱可逆性質(zhì)，但由于中間相分子熱縮聚的不可逆性，形成的碳質(zhì)中間相往往不具有熱可逆性質(zhì)（即不是熱致液晶）；雖然在瀝青形成過程中不同大小的芳香分子之間的相互溶解造成了碳質(zhì)中間相在一定程度上具有溶致性質(zhì)，但它也不是傳統(tǒng)意義上的溶致液晶物質(zhì)。碳質(zhì)中間相的形態(tài)可以分為可具有多種結(jié)構(gòu)的球形中間相、體中間相和介于它們中間的過渡狀態(tài)。
1.2原料
由于碳質(zhì)中間相基本上由大芳香平面分子堆積而成，這就要求其制備原料含有或易于生成相當(dāng)數(shù)量的芳香平面大分子。按照液相炭化理論，各種烴類化合物按照液相炭化的難易程度從難到易的順序依次為烷烴、烯烴、芳烴和多環(huán)芳烴。因此，制備碳質(zhì)中間相的原料多為含有多環(huán)芳烴重質(zhì)成分的烴類，如煤系或石油系瀝青、重質(zhì)油等。目前，已用于制備碳質(zhì)中間相的工業(yè)或?qū)嶒?yàn)原料主要有煤瀝青、石油瀝青、萘瀝青、重質(zhì)油、焦油或它們的組合等。
1.2.1瀝青
1. 煤焦油瀝青
煤焦油瀝青簡稱煤瀝青，是煤焦油蒸餾提取餾分(如輕油、酚油、萘油、洗油和蒽油等)后的殘留物。亦即，煤瀝青是焦油蒸餾后殘留在蒸餾釜內(nèi)的黑色物質(zhì)，與煤焦油同屬煉焦的副產(chǎn)品。
煤瀝青常溫下為黑色固體，呈玻璃相，無固定的熔點(diǎn)，只有從固態(tài)轉(zhuǎn)化為過渡態(tài)的溫度范圍，通常用軟化點(diǎn)表示。根據(jù)軟化點(diǎn)的高低，煤瀝青分為低溫煤瀝青(軟瀝青)、中溫煤瀝青(普通瀝青)、高溫煤瀝青(硬瀝青)。各種煤瀝青因軟化點(diǎn)等的差異，以致其性質(zhì)不同、用途各異。
低溫煤瀝青主要用作筑路材料、加工防水油氈紙、建筑用防水涂料、生產(chǎn)瀝青漆(如瀝青環(huán)氧樹脂漆)、干電池的密封材料等；也是生產(chǎn)瀝青焦的原料，經(jīng)過特殊處理后可作為生產(chǎn)針狀焦、瀝青基炭纖維等的原料。
中溫煤瀝青是制備碳質(zhì)中間相及其系列新型炭材料（如中間相炭微球、針狀焦、瀝青炭纖維、泡沫炭等）的主要原料之一；并可作為炭材料生產(chǎn)用黏結(jié)劑和浸漬劑，如生產(chǎn)石墨電極、冶金爐用和鋁電解槽用炭塊、電解鋁用預(yù)焙陽極和陽極糊以及冶煉鐵合金、電石所需電極糊等。
高溫瀝青可作為生產(chǎn)瀝青焦或活性炭的原料，并用作各種高性能炭材料，如高功率和超高功率石墨電極、優(yōu)質(zhì)預(yù)焙陽極和炭塊、高密高強(qiáng)石墨、耐磨炭材料、高溫模壓炭磚以及微孔炭磚等的黏結(jié)劑。
煤瀝青的性質(zhì)及組成與原料煤的性質(zhì)、煉焦的工藝條件、焦油蒸餾條件及瀝青的生產(chǎn)工藝等有關(guān)［13-16］。
組成煤瀝青的主要化學(xué)元素是碳和氫，其中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于90%，氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過5%。C/H原子比高于1.6。煤瀝青中碳和氫的組分比例直接影響其物理性能和化學(xué)性質(zhì)。
表1-1是我國、蘇聯(lián)和日本煤瀝青的質(zhì)量指標(biāo)。
表1-1煤瀝青的質(zhì)量指標(biāo)［13］
表1-2列出了幾個國家煤瀝青的元素組成。
表1-2煤瀝青的元素組成［13］
表1-3中溫煤瀝青的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)［13］