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    中間相瀝青及其性質
     

           自20世紀60年代人們在瀝青類物料液相炭化中發現各向異性小球以來,人們對其瀝青液相炭化過程做了大量研究。研究發現,瀝青類物質在向固體半焦過渡時會有一種中間狀態,此狀態下瀝青呈現各向異性,借用液晶學中的術語,稱此狀態下的瀝青為中間相瀝青。

    中間相瀝青(mesophase pitch,anisotropic pitch,簡稱MP)在常溫下為黑色無定形固體,是由石油瀝青、煤瀝青或芳烴化合物等經熱縮聚反應而得到,H、C原子比為0.3-0.6,密度為1.3-1.6 g/cm3。中間相瀝青由分子量分布寬廣的扁盤狀的大分子稠環芳烴混合物構成,相對分子質量在300-2000之間,其中相當數量的芳烴具有規整的分子結構和分子結構的不對稱性,在合適的溫度和剪切力條件下大面積排列取向,形成中間相,在偏光顯微鏡下顯示光學各向異性。

    中間相瀝青的軟化點一般高于200℃,部分可達到300℃以上。中間相瀝青的軟化點和黏度都隨中間相含量的增加而提高,比如,中間相含量為57%的中間相瀝青,其軟化點為228℃左右,當中間相含量增加到80%以上時,其軟化點為275℃左右。原料和制備方法的不同使得中間相瀝青性質差異較大。

    中間相的偏光顯微鏡形貌主要為兩類:小球狀和融并狀。中間相在形成初期呈小球狀,稱中間相小球體,小球的尺寸在若干μm至數百μm范圍,融并狀可視為眾多小球相互連接而成的廣域中間相。小球狀中間相的周圍是不顯示光學各向異性的瀝青,即各向同性瀝青。與中間相瀝青一樣,各向同性瀝青也由分子量分布寬廣的芳香族碳氫化合物構成,不同的是,這些芳烴的分子結構不夠規整,結構不對稱性不夠顯著,無法排列取向形成中間相。完全各向同性瀝青的偏光顯微圖像是漆黑一片的。

    與各向同性瀝青比較,由中間相瀝青得到的炭素材料強度高、模量高、熱導率高。以中間相瀝青碳纖維為例,它的拉伸強度是各向同性瀝青碳纖維的3倍,楊氏模量是各向同性瀝青碳纖維的10倍,熱導率可達到各向同性瀝青碳纖維的100倍。中間相瀝青為光學各向異性的碳化材料,表現了在中等溫度范圍的熔性,這種光學各向異性必須保持在熔融狀態轉化溫度以下。由于原料和反應條件的差別,中間相的光學組織結構具有不同的形態,中間相瀝青中,分子的動力學能量小于分子間相互作用的能量,小于盤狀分子間的范德華力。分子間的相互作用力使分子集合體具有遠程有序性,分子具有穩定的取向排列。中間相又同液體一樣,分子位置并不固定,使得中間相瀝青在熱、光、電、磁等方面具有特殊的類似晶體的物理屬性,而在流動性、黏度、形變等方面則仍呈現出液體特征。

     

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