两段式热沉降法分离中间相沥青的机理研究及其在碳材料前驱体开发中的应用

为解决中间相沥青(MP)分子结构多分散性导致的碳纤维可纺性差等问题，研究人员采用两段式热处理工艺从FCC芳烃富集油制备软化点151°C的MP，通过热沉降法在200°C（高于软化点50°C）实现各向异性相的高效分离。研究发现底部沉积相芳香度(fa)达0.4354，层间距(d002)缩小至3.4477 ?，有序度(Og)提升至0.9230，为高性能碳材料前驱体开发提供了新策略。

　　

在航空、风电叶片等高端制造领域，高性能碳纤维的需求日益增长，而作为关键前驱体的中间相沥青(MP)却面临重大挑战——传统制备方法得到的MP分子结构呈现多分散性，导致碳纤维可纺性差、力学性能不稳定。更棘手的是，MP中无序的异构相会干扰有序液晶相的排列，如何高效分离各向异性相成为制约碳材料性能提升的瓶颈问题。

青岛农业大学化学与药学院的研究团队在《RSC Advances》发表重要成果，创新性地采用两段式热沉降法实现了MP的高效分离。研究人员首先通过两段热处理工艺（440°C/3h→430°C/9h）从FCC芳烃富集油制备出软化点151°C的MP，随后在360°C熔融后降温至180-210°C进行热沉降。通过偏振光显微镜、FTIR、XRD、TGA和SEM等多维度表征，系统揭示了温度依赖的相分离机制。

关键技术包括：1）两段式热处理制备基础MP；2）梯度温度热沉降分离（180-210°C）；3）偏振光显微镜观察各向异性相分布；4）FTIR定量分析芳香度(f_a)和邻位取代指数(I_os)；5）XRD计算层间距(d₀₀₂)和有序度(O_g)；6）TGA评估热稳定性差异。

【3.1 偏振结构分析】

当沉降温度达200°C时，底部形成明显的灰色沉积层，偏振图像显示大面积盆地结构，各向异性含量显著提升。而180°C因体系粘度过高、210°C因组分热运动加剧，均导致分离效果劣化。延长190°C处理时间至3小时仅轻微改善沉积效果，证实温度是主导因素。

【3.2 FTIR表征】

200°C沉降样品底部芳香环特征峰（735-860 cm^-1）强度最高，顶部样品邻位取代指数(I_os)升至0.2941，证实未取代芳香环优先沉积到底部，而带烷基侧链的芳烃上浮至顶部。这种分子级分离使底部芳香度(f_a)优化至0.4354。

【3.3 热力学分析】

TG曲线显示200°C沉降底部样品残碳率最高，DTG最大失重峰温度达300°C，表明其热稳定性最优。190°C延长处理或210°C缩短时间均无法复现该特性，证实200°C是热力学最佳平衡点。

【3.4 软化点测试】

200°C沉降底部软化点飙升至227°C，比原料提升76°C，而210°C样品因裂解副产物干扰降至208°C。该数据与SEM观察到的致密层状结构相互印证。

【3.6 XRD分析】

200°C样品显示最强(002)衍射峰，层间距(d₀₀₂)压缩至3.4477 ?，堆叠高度(L_c)达1.1630 nm，有序度(O_g)0.9230，证明芳环平面取向度显著提升。

这项研究不仅阐明"温度超过软化点50°C"的热沉降规律，更创新性地揭示：在200°C时，稠环芳烃因密度差异下沉，烷基链段上浮，实现分子级别的自发分离。所得各向异性相具有更窄的层间距、更高的热稳定性和更优的液晶取向性，为制备高性能碳纤维提供了理想前驱体。该工艺无需复杂设备，在石油基碳材料高值化利用领域具有重要推广价值。