山西煤化所在基于分子結構演變的中間相瀝青形成機理方面取得進展
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良前驅體，中間相瀝青的可控合成一直備受關注。煤焦油瀝青是煤焦油蒸餾提取餾分后的殘余物，具有來源廣、芳香度高等優勢。在熱轉化過程中，煤瀝青可產生具有高度有序的碳質中間相，被認為是是合成中間相瀝青的優質原料。然而，煤焦油瀝青具有組分復雜、雜質含量高以及反應過程難以精確調控等特性，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。
加氫縮聚技術通過引入環烷和烷基結構，彌補了煤焦油瀝青的結構缺陷，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變時，分子結構和理化性質會發生顯著變化，目前人們對其轉變機理認識有限，尤其是分子結構與光學織構之間尚未建立關聯。
近日，中國科學院山西煤炭化學研究所申文忠研究員團隊（904課題組）在中間相瀝青形成機理研究方面取得重要進展。以精制煤焦油瀝青為原料，通過加氫-熱縮聚工藝合成可紡中間相瀝青，從光學織構與分子結構關聯角度系統探究了中間相瀝青的形成機制，相關結果以《Investigation of the formation mechanism of mesophase pitch based on the evolution of molecular structure》為題發表于Fuel期刊。
通過控制加壓熱縮聚條件，結合13C-NMR、MALDI-TOF/TOF MS、EPR及同步輻射熒光等多種分析測試手段，研究團隊重點探究了氫化瀝青向中間相瀝青轉化過程的反應機制。結果表明，中間相瀝青的形成遵循“成核-生長-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90%，具有發達纖維型織構的中間相瀝青。為了進一步評估其紡絲性能，以MP-12為前驅體，成功制備出具有明顯徑向輻射狀結構的中間相瀝青基碳纖維，其拉伸強度為1.39 GPa，楊氏模量為69.48 GPa。
該研究工作不僅優化了中間相瀝青合成的工藝條件，而且從光學織構與分子結構關聯視角闡明了加氫-熱縮聚法制備可紡中間相瀝青的反應機理，建立了微觀分子結構與宏觀特性之間的關系，為分子層面可控合成中間相瀝青提供了理論指導和實踐策略。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.fuel.2025.136281
中間相瀝青形成過程中的光學顯微結構及各向異性含量
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
中間相瀝青形成機制示意圖
（904課題組）
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