一、研究背景

通用级沥青基碳纤维具有高温抗氧化性、高温隔热性等优势，在保温隔热材料、摩擦与密封材料等民用及工业领域具有广泛的应用前景。通用级沥青基碳纤维的性能受制于前驱体可纺沥青，而可纺沥青复杂的化学结构和多变的流变学是制约其性能的瓶颈。可纺沥青结构与组成的差异，影响沥青熔体在纺丝温度下的流变学行为；进而不仅影响熔融纺丝过程的连续性和稳定性，也决定着成纤过程中稠环芳烃分子聚集形态及最终碳纤维内部缺陷。因此，明晰可纺沥青结构组成对其流变行为、纺丝性能及碳纤维性能影响机制，对优化熔纺工艺、提升沥青基碳纤维性能具有重要意义。

二、工作简介

本工作以煤焦油沥青(RCTP)为原料，采用空气吹扫热缩聚的方法制备了低软化点（L-SP）和高软化点(H-SP)两种结构不同的可纺沥青。通过柱层析和索氏萃取的方法对其进行分离分析，结合三维荧光激发-发射光谱耦合平行因子分析法（EEM-PARAFAC）、EPR、¹³C-NMR、动态剪切流变测试(DSR)等多种表征手段，深度剖析了沥青经热缩聚后自由基种类和浓度、稠环芳烃组成、分子量分布、官能团转变及其流变特性等演变规律。阐明了结构组成和流变性能对沥青基碳纤维性能的竞争机制；揭示了可纺沥青分子结构、组成对其流变行为、可纺性能及最终碳纤维微观形貌与力学性能的影响机制。

三、核心图文解析

C1–C3组分在L-SP和H-SP不同洗脱组分中分布不同；H-SP洗脱组分稠环芳烃环数较大，C1、C2和C3组分分布较为分散。

图1  L-SP和H-SP洗脱物中C1、C2和C3组分荧光谱图（a–f）和分布(g–h)

RCTP在空气吹扫热缩聚过程中芳香烃发生脱氢聚合，质子化碳含量降低，桥头碳含量增加；烷基侧链发生氧化裂解，交联结构增加，脂肪链变短。与L-SP相比，H-SP具有较高的缩聚程度，分子量、THFI组分含量较高，芳香度较高，烷基链较短，C=O和O–C=O含量较高。

图2  可纺沥青结构特征（a–f）和热缩聚过程反应路径图（g）

L-SP和H-SP均呈现较好的熔融状态，H-SP表面裂纹较多，易发生脆裂。L-SP熔体在其纺丝温度下呈现以黏性为主导的流变行为，有利于牵伸；H-SP熔体呈现黏性和弹性近似平衡的高模量流变特征，易增强熔体挤出胀大效应，缩短纺丝工艺区间。

图3  L-SP和H-SP熔融（a–b）和流变性能（c–f）

由L-SP和H-SP所制备的碳纤维中，CF-LSP直径均匀，颗粒较少且尺寸较小。CF-HSP纤维侧面较为粗糙，内部局部分布不均；存在明显块状颗粒，颗粒尺寸较大。

图4  CF-LSP（a–c）和CF-HSP（d–f）碳纤维的SEM图

XRD和拉曼光谱表明，CF-HSP具备更有序的微观结构。理论上，这种结构应赋予碳纤维更优异的力学性能，但其在牵伸过程中，H-SP组分中高极性和不溶组分易发生团聚，难以被均匀分散；且较差的流变行为使熔体流经喷丝孔时挤出胀大效应增强，降低了其潜在的性能优势。L-SP熔体具备更优异的流变行为，易被均匀拉伸，有利于提升碳纤维的性能，弥补了结构的弱势。可纺沥青结构和熔体流变性能的共同影响，最终导致了生成的碳纤维性能相似。由于H-SP较差的流变、熔纺性能，所得碳纤维的均一性也较差，离散程度较高。

图5  碳纤维的碳纤维微观结构（a–b）和性能对比图（c）

四、结论

综合可纺沥青结构和流变性能的影响因素，发现在热缩聚过程中提高分子量的同时，调控官能团的比例也至关重要；高芳香碳含量、少稠环芳烃环数、低C=O/O–C=O含量有利于熔体在纺丝温度下呈现黏性为主导的流体行为，这使得熔融态可纺沥青在纺丝过程中可以被均匀牵伸，减少熔体挤出胀大与破裂，从而提升可纺沥青的纺丝稳定性和最终碳纤维的性能。该工作为高质量可纺沥青的制备提供了重要的理论依据。

New Carbon Materials 文章信息

Qian Li, Bingfeng Zhang, Yan Yang, et al The effect of the chemical structure of spinnable pitches on their rheological properties and spinnability and the properties of carbon fibers produced from them[J]. New Carbon Materials, 2026, 41(3): 721–736.

李倩， 张兵锋， 杨妍， 等. 可纺沥青化学结构差异对其流变、纺丝及衍生碳纤维性能的影响[J].新型炭材料（中英文）， 2026， 41(3): 721–736.

DOI: 10.1016/S1872-5805(26)61085-2

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