1.1　煤沥青

煤沥青全称为煤焦油沥青，是煤焦油蒸馏提取轻油、酚油、萘油、洗油和蒽油等馏分后的残留物，其产率约占煤焦油的50%～ 60%[2]，是煤焦油加工的主要产品之一。煤沥青的性质及组成与原料煤的性质、炼焦的工艺条件、焦油蒸馏条件及沥青的生产工艺等有关[3，4]。

1.1.1　煤沥青的性质

煤沥青在室温下为黑色脆性块状物，无固定的熔点，只有从固态转化为过渡态的温度范围，通常用软化点表示。根据软化点（环球法）的高低，一般将煤沥青划分为：低温煤沥青（软沥青）、中温煤沥青（普通沥青）、高温煤沥青（硬沥青）。

表1-1是国标GB/T 2290—2012规定的煤沥青技术指标。

6.结焦值测定按GB/T 8727规定进行。

低温煤沥青（俗称软沥青）主要用于建筑防水、电极炭素材料和炉衬黏结剂，也可用于制备炭黑和作为燃料，还是系列新型炭材料，诸如：针状焦、中间相沥青、中间相沥青基炭纤维、中间相沥青基泡沫炭等的优质原料[1～3]。

中温煤沥青用于制备建筑物防水层、高级沥青漆、改质沥青和沥青焦；亦可作为炭材料生产用黏结剂和浸渍剂，如生产石墨电极、冶金炉用和铝电解槽用炭块、电解铝用预焙阳极和阳极糊以及冶炼铁合金、电石所需电极糊等，经过一定的预处理，还可以用于制取中间相炭微球、通用级沥青炭纤维等炭材料[1～3，5～8]。

高温沥青及改质沥青可作为生产沥青焦或活性炭的原料，并用于制备各种高性能炭材料，诸如：高功率和超高功率石墨电极、优质预焙阳极和炭块、高密高强石墨、高温模压炭砖以及微孔炭砖等的黏结剂[1～3，8]。

1.1.2　煤沥青的组成结构

组成煤沥青的主要化学元素是碳和氢，其中碳的质量分数大于90%，氢的质量分数一般不超过5%。煤沥青的组成极为复杂，分子量分布较宽，从数百到上千，平均分子量为300～1000，是一种多组成的共熔混合物[2]。

煤沥青以稠环芳烃为主，其中大多数为三环以上的多环芳烃，还含有O、N、S 等元素的杂环化合物和少量高分子物质；煤沥青中的低分子物质具有结晶性，并可形成多种结构的共熔混合物[2～3]。

（1） 中温煤沥青中的典型化合物

煤沥青中已查明的化合物有70 余种，这些化合物中，大多带有基团，诸如：甲基、乙基、羰基、酚羟基、亚氨基和苯基等。

表1-2列出了中温煤沥青中部分典型化合物的组成与结构。

① 两个中温煤沥青试样的质谱测试数据。

（2） 煤沥青的族组成

鉴于煤沥青组分的复杂性，难以单独提取每一组分物质，因此常用族组成分析法进行研究。

族组成分析法是一种在沥青的分子结构没有破坏的条件下，进行分子组分的分割的方法。煤沥青族组成的分割手段通常采用溶剂萃取，即利用相似相容原理，将煤沥青分离为若干具有相似化学、物理性能的芳香族化合物，由于各组分的芳构化程度、组成、性质、分子结构等都不尽相同，因而在不同溶剂中的溶解度也不同。尽管同一溶剂萃取得到的组分结构类似，但也不是纯净组分，仍然是异族的混合物。显然，沥青的族组成取决于溶剂的性质。

用于煤沥青族组成分析的溶剂有很多，诸如：喹啉、吡啶、甲苯、苯、四氢呋喃、石油醚、汽油、正己烷、正戊烷、正庚烷等。常用的有机溶剂为喹啉（或吡啶）、甲苯（或苯）和正己烷（或正戊烷，或正庚烷），分割后的族组成分别为：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。

天津大学著者研究团队在煤沥青族组成分割过程中采用的有机溶剂为正己烷、甲苯和喹啉，分割流程如图1-1所示。

分割条件为：正己烷不溶物（HI）——常温下搅拌，静置30min获得；甲苯不溶物（TI）——（60±5）℃下热溶30min获得；喹啉不溶物（QI）——（75±5）℃下热溶30min获得。

所有溶剂不溶物均用相应溶剂洗涤4次，然后用高速离心机去除上层液体。为了在干燥后不因溶剂的残存而使结果偏大，在每次干燥不溶物前，先把不溶物用丙酮冲洗一次，而后在60℃时干燥约20h。

表1-3是著者研究团队在进行碳质中间相生成理论及其应用研究中所采用的原料中温煤沥青和低温煤沥青的族组成。

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中温煤沥青的组成结构

中国科学院山西煤炭化学研究所钱树安采用有机溶剂正庚烷、苯和吡啶对我国典型石墨电极黏结剂LS中温煤沥青的族组成进行分割，并对各分割组分进行元素分析，VPO分子量测定和相应的平均分子式计算，同时通过核磁共振氢谱和红外光谱联合解析所得的各组分的平均分子结构参数，进而得出各组分的平均分子结构模型。

表1-4列出了LS中温煤沥青的族组成，其中主要族组分的元素组成、分子量和平均分子式列入表1-5，各组分的平均分子结构参数见表1-6，依据表1-6数据得到LS中温煤沥青各族组分的平均分子结构模型如图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氢碳原子比；fA，芳香度，平均分子中的芳碳数与总碳数的比；σ，取代度，平均分子芳核实际取代数与可能取代数的比；CP/CA，缩合度，平均分子芳核外周碳数与总芳碳数的比；CA，平均分子总芳碳数；CP，平均分子芳核外周碳总数；RA，平均分子芳环总数； RN，平均分子环烷环总数；n，平均分子取代基总数；L，取代基平均链长；，平均分子脂碳总数；，平均分子脂氢总数；M，平均分子芳核数。

关联表1-4和表1-5可知，LS中温煤沥青除含有正庚烷可溶物（HS）和正庚烷不溶-苯可溶物（HI-BS）组分外，还含有大量的苯不溶-吡啶可溶物（BI-PS）和（吡啶不溶物）PI组分。其中BI-PS组分中，氧原子的质量分数高达5.32%，超过每个平均分子1个氧原子（1.34）；可以预料到PI组分中的杂原子含量将更高。

从图1-2可看出，LS中温煤沥青3个被解析的组分中有2个平均分子芳核构型不规则，亦即：只有正庚烷可溶物为规则的芳环渺位构型，而正庚烷不溶-苯可溶物和苯不溶-吡啶可溶物的芳环均接近于迫位构型。

（4） 煤沥青分子结构的特征

从表1-3和表1-4可以看出：山东济宁低温煤沥青正己烷不溶-甲苯可溶物的质量分数为58.8%，甲苯不溶-喹啉可溶物的质量分数为16.9%，二者之和为75.7%；天津中温煤沥青的正己烷不溶-甲苯可溶物的质量分数为67.0%，甲苯不溶-喹啉可溶物的质量分数为12.1%，二者之和为79.1%；LS中温煤沥青的正庚烷不溶-苯可溶物的质量分数为25.6%，苯不溶-吡啶可溶物的质量分数为31.1%，二者之和为56.7%。由此可以认为，低温和中温煤沥青的主要族组成均为正庚烷（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。

关联表1-4、表1-3与图1-2，可以推测出传统煤沥青分子的结构特征为：稠环芳烃接近于迫位构型，脂肪族侧链较少且短。