1.1　煤瀝青

煤瀝青全稱為煤焦油瀝青，是煤焦油蒸餾提取輕油、酚油、萘油、洗油和蒽油等餾分后的殘留物，其產率約占煤焦油的50%～ 60%[2]，是煤焦油加工的主要產品之一。煤瀝青的性質及組成與原料煤的性質、煉焦的工藝條件、焦油蒸餾條件及瀝青的生產工藝等有關[3，4]。

1.1.1　煤瀝青的性質

煤瀝青在室溫下為黑色脆性塊狀物，無固定的熔點，只有從固態轉化為過渡態的溫度范圍，通常用軟化點表示。根據軟化點（環球法）的高低，一般將煤瀝青劃分為：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）。

表1-1是國標GB/T 2290—2012規定的煤瀝青技術指標。

6.結焦值測定按GB/T 8727規定進行。

低溫煤瀝青（俗稱軟瀝青）主要用于建筑防水、電極炭素材料和爐襯黏結劑，也可用于制備炭黑和作為燃料，還是系列新型炭材料，諸如：針狀焦、中間相瀝青、中間相瀝青基炭纖維、中間相瀝青基泡沫炭等的優質原料[1～3]。

中溫煤瀝青用于制備建筑物防水層、高級瀝青漆、改質瀝青和瀝青焦；亦可作為炭材料生產用黏結劑和浸漬劑，如生產石墨電極、冶金爐用和鋁電解槽用炭塊、電解鋁用預焙陽極和陽極糊以及冶煉鐵合金、電石所需電極糊等，經過一定的預處理，還可以用于制取中間相炭微球、通用級瀝青炭纖維等炭材料[1～3，5～8]。

高溫瀝青及改質瀝青可作為生產瀝青焦或活性炭的原料，并用于制備各種高性能炭材料，諸如：高功率和超高功率石墨電極、優質預焙陽極和炭塊、高密高強石墨、高溫模壓炭磚以及微孔炭磚等的黏結劑[1～3，8]。

1.1.2　煤瀝青的組成結構

組成煤瀝青的主要化學元素是碳和氫，其中碳的質量分數大于90%，氫的質量分數一般不超過5%。煤瀝青的組成極為復雜，分子量分布較寬，從數百到上千，平均分子量為300～1000，是一種多組成的共熔混合物[2]。

煤瀝青以稠環芳烴為主，其中大多數為三環以上的多環芳烴，還含有O、N、S 等元素的雜環化合物和少量高分子物質；煤瀝青中的低分子物質具有結晶性，并可形成多種結構的共熔混合物[2～3]。

（1） 中溫煤瀝青中的典型化合物

煤瀝青中已查明的化合物有70 余種，這些化合物中，大多帶有基團，諸如：甲基、乙基、羰基、酚羥基、亞氨基和苯基等。

表1-2列出了中溫煤瀝青中部分典型化合物的組成與結構。

① 兩個中溫煤瀝青試樣的質譜測試數據。

（2） 煤瀝青的族組成

鑒于煤瀝青組分的復雜性，難以單獨提取每一組分物質，因此常用族組成分析法進行研究。

族組成分析法是一種在瀝青的分子結構沒有破壞的條件下，進行分子組分的分割的方法。煤瀝青族組成的分割手段通常采用溶劑萃取，即利用相似相容原理，將煤瀝青分離為若干具有相似化學、物理性能的芳香族化合物，由于各組分的芳構化程度、組成、性質、分子結構等都不盡相同，因而在不同溶劑中的溶解度也不同。盡管同一溶劑萃取得到的組分結構類似，但也不是純凈組分，仍然是異族的混合物。顯然，瀝青的族組成取決于溶劑的性質。

用于煤瀝青族組成分析的溶劑有很多，諸如：喹啉、吡啶、甲苯、苯、四氫呋喃、石油醚、汽油、正己烷、正戊烷、正庚烷等。常用的有機溶劑為喹啉（或吡啶）、甲苯（或苯）和正己烷（或正戊烷，或正庚烷），分割后的族組成分別為：喹啉（或吡啶）不溶物、甲苯（或苯）不溶物-喹啉（或吡啶）可溶物、正己烷（或正戊烷，或正庚烷）不溶物-甲苯（或苯）可溶物和正己烷（或正戊烷，或正庚烷）可溶物。

天津大學著者研究團隊在煤瀝青族組成分割過程中采用的有機溶劑為正己烷、甲苯和喹啉，分割流程如圖1-1所示。

分割條件為：正己烷不溶物（HI）——常溫下攪拌，靜置30min獲得；甲苯不溶物（TI）——（60±5）℃下熱溶30min獲得；喹啉不溶物（QI）——（75±5）℃下熱溶30min獲得。

所有溶劑不溶物均用相應溶劑洗滌4次，然后用高速離心機去除上層液體。為了在干燥后不因溶劑的殘存而使結果偏大，在每次干燥不溶物前，先把不溶物用丙酮沖洗一次，而后在60℃時干燥約20h。

表1-3是著者研究團隊在進行碳質中間相生成理論及其應用研究中所采用的原料中溫煤瀝青和低溫煤瀝青的族組成。

HS，正己烷可溶物；HI-TS，正己烷不溶物-甲苯可溶物；TI-QS，甲苯不溶物-喹啉可溶物；QI，喹啉不溶物。

（3） LS中溫煤瀝青的組成結構

中國科學院山西煤炭化學研究所錢樹安采用有機溶劑正庚烷、苯和吡啶對我國典型石墨電極黏結劑LS中溫煤瀝青的族組成進行分割，并對各分割組分進行元素分析，VPO分子量測定和相應的平均分子式計算，同時通過核磁共振氫譜和紅外光譜聯合解析所得的各組分的平均分子結構參數，進而得出各組分的平均分子結構模型。

表1-4列出了LS中溫煤瀝青的族組成，其中主要族組分的元素組成、分子量和平均分子式列入表1-5，各組分的平均分子結構參數見表1-6，依據表1-6數據得到LS中溫煤瀝青各族組分的平均分子結構模型如圖1-2所示。

注：HS，正庚烷可溶物；HI-BS，正庚烷不溶-苯可溶物；BI-PS，苯不溶-吡啶可溶物；PI，吡啶不溶物。

注：HS，正庚烷可溶物；HI-BS，正庚烷不溶-苯可溶物；BI-PS，苯不溶-吡啶可溶物。

注：X，芳核上烷基取代基的氫碳原子比；fA，芳香度，平均分子中的芳碳數與總碳數的比；σ，取代度，平均分子芳核實際取代數與可能取代數的比；CP/CA，縮合度，平均分子芳核外周碳數與總芳碳數的比；CA，平均分子總芳碳數；CP，平均分子芳核外周碳總數；RA，平均分子芳環總數； RN，平均分子環烷環總數；n，平均分子取代基總數；L，取代基平均鏈長；，平均分子脂碳總數；，平均分子脂氫總數；M，平均分子芳核數。

關聯表1-4和表1-5可知，LS中溫煤瀝青除含有正庚烷可溶物（HS）和正庚烷不溶-苯可溶物（HI-BS）組分外，還含有大量的苯不溶-吡啶可溶物（BI-PS）和（吡啶不溶物）PI組分。其中BI-PS組分中，氧原子的質量分數高達5.32%，超過每個平均分子1個氧原子（1.34）；可以預料到PI組分中的雜原子含量將更高。

從圖1-2可看出，LS中溫煤瀝青3個被解析的組分中有2個平均分子芳核構型不規則，亦即：只有正庚烷可溶物為規則的芳環渺位構型，而正庚烷不溶-苯可溶物和苯不溶-吡啶可溶物的芳環均接近于迫位構型。

（4） 煤瀝青分子結構的特征

從表1-3和表1-4可以看出：山東濟寧低溫煤瀝青正己烷不溶-甲苯可溶物的質量分數為58.8%，甲苯不溶-喹啉可溶物的質量分數為16.9%，二者之和為75.7%；天津中溫煤瀝青的正己烷不溶-甲苯可溶物的質量分數為67.0%，甲苯不溶-喹啉可溶物的質量分數為12.1%，二者之和為79.1%；LS中溫煤瀝青的正庚烷不溶-苯可溶物的質量分數為25.6%，苯不溶-吡啶可溶物的質量分數為31.1%，二者之和為56.7%。由此可以認為，低溫和中溫煤瀝青的主要族組成均為正庚烷（或正己烷）不溶-苯（或甲苯）可溶物和苯（或甲苯）不溶-吡啶（或喹啉）可溶物。

關聯表1-4、表1-3與圖1-2，可以推測出傳統煤瀝青分子的結構特征為：稠環芳烴接近于迫位構型，脂肪族側鏈較少且短。