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中间相沥青及其性质
 

       自20世纪60年代人们在沥青类物料液相炭化中发现各向异性小球以来,人们对其沥青液相炭化过程做了大量研究。研究发现,沥青类物质在向固体半焦过渡时会有一种中间状态此状态下沥青呈现各向异性,借用液晶学中的术语,称此状态下的沥青为中间相沥青。

中间相沥青(mesophase pitch,anisotropic pitch,简称MP)在常温下为黑色无定形固体,是由石油沥青、煤沥青或芳烃化合物等经热缩聚反应而得到,H、C原子比为0.3-0.6,密度为1.3-1.6 g/cm3。中间相沥青由分子量分布宽广的扁盘状的大分子稠环芳烃混合物构成,相对分子质量在300-2000之间,其中相当数量的芳烃具有规整的分子结构和分子结构的不对称性在合适的温度和剪切力条件下大面积排列取向,形成中间相,在偏光显微镜下显示光学各向异性。

中间相沥青的软化点一般高于200℃,部分可达到300℃以上。中间相沥青的软化点和黏度都随中间相含量的增加而提高,比如,中间相含量为57%的中间相沥青,其软化点为228℃左右,当中间相含量增加到80%以上时,其软化点为275℃左右。原料和制备方法的不同使得中间相沥青性质差异较大。

中间相的偏光显微镜形貌主要为两类:小球状和融并状。中间相在形成初期呈小球状,称中间相小球体,小球的尺寸在若干μm至数百μm范围,融并状可视为众多小球相互连接而成的广域中间相。小球状中间相的周围是不显示光学各向异性的沥青,即各向同性沥青。与中间相沥青一样,各向同性沥青也由分子量分布宽广的芳香族碳氢化合物构成,不同的是,这些芳烃的分子结构不够规整,结构不对称性不够显著,无法排列取向形成中间相。完全各向同性沥青的偏光显微图像是漆黑一片的。

与各向同性沥青比较,由中间相沥青得到的炭素材料强度高、模量高、热导率高。以中间相沥青碳纤维为例,它的拉伸强度是各向同性沥青碳纤维的3倍,杨氏模量是各向同性沥青碳纤维的10倍,热导率可达到各向同性沥青碳纤维的100倍。中间相沥青为光学各向异性的碳化材料,表现了在中等温度范围的熔性,这种光学各向异性必须保持在熔融状态转化温度以下。由于原料和反应条件的差别,中间相的光学组织结构具有不同的形态,中间相沥青中,分子的动力学能量小于分子间相互作用的能量,小于盘状分子间的范德华力。分子间的相互作用力使分子集合体具有远程有序性,分子具有稳定的取向排列。中间相又同液体一样,分子位置并不固定,使得中间相沥青在热、光、电、磁等方面具有特殊的类似晶体的物理属性,而在流动性、黏度、形变等方面则仍呈现出液体特征。