中间相沥青是石油沥青或煤沥青在350~500℃热处理过程中形成的具有光学各向异性的液晶类物质，主要由盘状或棒状的芳香缩合大分子组成。中间相沥青具有易石墨化的特点，是制备各种高附加值碳材料的优质前驱体，如高导热材料、高强度碳纤维、电容器等。
美国和日本在中间相沥青方面的研究一直处于国际领先地位。20世纪70年代，美国UCC公司成功开发出了中间相含量高、可纺性好的中间相沥青。我国开展中间相沥青相关研究的时间较晚，目前天津大学、北京化工大学、大连理工大学和中国科学院山西煤炭化学研究所等单位均对中间相沥青有较多的研究。
中间相沥青的性质
中间相沥青（液晶相沥青）是一类由相对分子质量在370~2000的各种扁盘状稠环芳烃分子所组成的混合物。它是由重质芳烃类物质在热处理过程中生成的一种向列型的液晶物质，其原料来源多样，包括煤焦油沥青、石油沥青、纯芳烃类物质和他们的共混体。
中间相沥青是目前受业界关注较多的一种中间相材料，是典型的碳质中间相原料，其具有原料来源广泛、各项性能优异、价格相对低廉、很高的炭产率和优异的可加工性等优点，被各国研究人员公认为是高级功能碳材料的优质前驱体。其下游可以进一步制成各种高性能材料，例如针状焦、中间相碳微球、中间相沥青基泡沫炭、中间相沥青基电极材料、中间相沥青基碳纤维、中间相沥青基碳/碳复合材料等。这些功能性材料将在尖端科技（航空航天、国防工业）以及日常生活领域发挥着巨大的作用。
原料的性质对中间相沥青的性质有重大的影响。中间相沥青普遍都具有较小的氢碳比，氢碳原子比最多能够达到0.35~0.5。中间相沥青的软化点最多可以达到205℃，挥发分含量一般为15%~20%，材料的密度为1.4~1.6g/cm3，但这些物性参数不是固定不变的，会随着沥青原料的不同和炭化条件的变化而发生改变。如果把中间相沥青放在常压或者高压的惰性气氛中进行热处理，可以有效地提高其玻璃化温度、软化温度，以及中间相沥青材料的碳值。
中间相沥青的晶体结构属于六方晶系，具有光学各向异性。当在偏光显微镜下进行观察时，随着载物台的转动，由于各向对于光的折射率不一致，中间相沥青的表面会依次呈现出黄色、蓝色、红色等颜色的变化。此外，它还具有磁学上的各向异性。在磁场中，小球的平面状大分子沿磁场方向平行排列（球轴垂直于磁场），具有显著的抗磁各向异性。
中间相沥青的生产工艺
中间相沥青的原料来源广泛，包括煤及煤系物、煤基沥青、煤焦油、石油沥青、重油、重芳烃和延迟焦等，也进一步根据不同的原材料形成了不同的生产工艺。
1.以煤为原料
以煤为原料的中间相沥青制备工艺主要包括3步，首先是将原料煤进行萃取；当原料煤完成液化以后，对液体进行蒸馏分离，从而得到萃取后的煤精油；最后经过聚合反应制备中间相沥青。
2.以煤基沥青为原料
煤基沥青又被称为煤焦油沥青，是原料煤经过干馏后得到的煤焦油产品再进一步经过蒸馏加工制备而成的沥青。煤沥青材料的缺点是粘度很低，加工成型性较差。所以煤基沥青不适合直接作为制备碳素材料的前驱体，一般需要对原料沥青进行预处理。
目前报道的一个方法是将废聚苯乙烯加入到已提取出甲苯不溶物的煤焦油沥青中，然后再通过热缩聚反应制备得到中间相沥青产品。实验发现，这样制备的煤基沥青中可溶性中间相的含量由9%增大到52%，中间相沥青的含量从74%增加到100%。同时，通过将废聚苯乙烯与煤基沥青中的甲苯可溶物混合进行反应，反应产生了很多亚甲基产物，而这些烷基的存在改善了中间相沥青的特性，并大大提高了中间相沥青分子之间的结合力。
3.以石油沥青为原料
石油基沥青是天然石油采用蒸馏或其他生产工艺加工得到主要产品后产生的残留物。这些残留物的价格低廉，来源丰富，而且其中具有较高相对分子质量、较高芳环化比例和热稳定性的沥青烯（具有片状稠环芳烃结构），很适合用来制备中间相沥青。
在实际生产中，制备石油基中间相沥青的过程就是对石油沥青中低相对分子量、低芳香性物质的一个纯化的过程，也就是提高中间相沥青的液晶相含量和产率。具体的操作方法包括溶剂抽提法和超临界流体萃取法。采用该两种方法都可以制得液晶相含量为100%的中间相沥青，同时还具有高效和省时的优点。
4.以重芳烃为原料
中间相沥青的合成调制工艺相对简单，主要因为重芳烃类物质含有的稠环芳烃纯度高于煤焦油沥青和石油基沥青，同时不含灰分与其他杂质。
实际生产中，重芳烃的原材料主要有四苯并吩嗪、苊烯和萘等。
采用四苯并吩嗪做原料，通过热解就可以直接合成出呈流线体型且具有光学结构的中间相沥青。
苊烯在常压下非常容易沥青化。其在210℃下开始发生加成聚合反应，变为聚苊烯；再在350℃下发生脱氢分解，形成以二聚体的联次苊和二苯撑丁二烯为主的沥青状混合物；继续加热到400℃时成为四聚体的萤芳环，进而成为三聚体的十环烯，当最后产品以这些化合物为主体时，沥青状混合物中会出现强烈偏光的的中间相小球体。
以萘为原料，使用HF/BF3作为芳烃缩合的催化剂，采用两步热处理法来合成中间相沥青。第一步首先在催化剂作用下将萘加热到80℃进行聚合，生成环烷烃沥青；第二步在催化剂作用下继续加热至260~300℃，就可以生成中间相沥青。所制得的中间相沥青产品中各向异性的成分为100%，其软化点可以达到215~285℃。采用纯芳烃类物质合成的中间相沥青的含量很高，并且对反应温度的要求相对较低。
5.以煤沥青和石油沥青（或重芳烃）的共混体为原料
共炭化过程是制备中间相沥青产品简单、实用和有效的一种方法。具体过程是将相关的添加剂和原料沥青一起进行炭化，从而弥补原料缺陷，达到改进原料炭化性能的目的。用煤基沥青和石油基沥青的共混体为原料来合成中间相沥青的过程就是一个共炭化过程。
一些研究发现，利用蒽油的氢化衍生物（如9，10-二氢化蒽）做添加剂和煤基焦油沥青进行共炭化反应，可以获得光学各向异性的中间相含量高、产品流动性好、分子量分布较窄的中间相沥青。最重要的是，在此混合体系中仅石油沥青就能够产生大量的中间相小球。通常将这种中间相沥青的制备方法叫做非均相成核，其原理在于均相体系中初始晶粒的成核需要时间，而在非均相体系中，由于作为添加剂的中间相沥青作为晶种，可以节省成胚时间。
中间相沥青的应用
1.中间相沥青基碳纤维
中间相沥青基碳纤维具有超高强度、超高模量、高传导性和低热膨胀系数等特点，一直以来都是碳材料领域研究的热点，生产技术日益成熟。
中间相沥青基碳纤维与传统聚丙烯腈基碳纤维在生产原料、分子结构及产品性能特点上区别较大，其中中间相沥青基碳纤维最大的优点就是其具有超高力学模量、超高的导热及导电性特性，在航空航天领域、先进电子设备和工业设备方面具有重要的应用价值，是发展高端装备制造业的重要支撑材料。
沥青基碳纤维的研究开始于20世纪50年代末期，70年代美国UCC公司成功开发出了中间相沥青基碳纤维产品，并在80年代初完成了工业化。目前市场上以美国和日本的生产企业为主，包括三菱、日本石墨纤维和美国氰特等公司。我国的辽宁诺科等企业也已经成功进行了中间相沥青基碳纤维产品的工业化生产。
2.中间相沥青基泡沫炭
中间相沥青基泡沫炭具有低密度、开放的孔结构和较高的机械强度。中间相沥青基泡沫炭可以根据发泡生产工艺和制品形状调整其密度、孔径、热和电导率。中间相沥青基泡沫炭材料便于粘结（包括酚醛或其他粘合剂），并且易于同任何增强材料进行复合。
中间相沥青基泡沫炭潜在的应用包括航空航天领域的高性能部件、国防工业的设备和储能设备等方面。
3.中间相沥青基碳/碳复合材料
碳/碳复合材料具有高力学强度和模量，耐受高温、腐蚀等恶劣环境，甚至在2200℃的高温环境下，其力学强度不但不会降低，反而有所升高，这是碳/碳复合材料与其他结构材料最大的不同之处。
中间相沥青基碳/碳复合材料通常采用循环的浸渍和炭化来合成。它在不同领域已得到广泛的应用，尤其是在航空航天和医用器材领域。
4.其他应用
中间相沥青除了用作以上材料的优质前驱体外，还可用来制备沥青焦、针状焦、中间相炭微球、含碳耐火材料粘结剂和氟化沥青等各种碳素材料。
中间相沥青国内生产情况
全球中间相沥青生产被美国和日本垄断，主要的生产企业有美国Exxon公司、美国Amoco公司、日本三菱公司等。由于日本三菱具有距离我国地理位置较近、运输距离短的优势，目前在我国的中间相沥青市场上占据了较大的市场份额。2017年之前，我国中间相沥青产品和航天级中间相沥青基碳纤维只能从国外进口，进口依赖度严重。而且国外由于技术保密和军工原因对中国进行限售，导致我国的原料进口价格达到40万元/吨左右，而高性能沥青基碳纤维售价更高，达到了600万~1000万元/吨。
根据中国化工信息中心的推测，目前我国市场对中间相沥青的需求量约为5000吨左右，主要用于制备中间相沥青碳纤维和中间相沥青泡沫炭等产品。目前，我国中间相沥青生产企业同时也是下游的中间相沥青碳纤维生产企业，具有上下游一体化的特点。2019年我国中间相沥青的总产能为730吨/年左右（2019年全国碳纤维产能约2.6万吨/年，产量约1万吨），生产量很微小，并且这些企业生产的中间相沥青产品基本以满足自身需求为主，外卖量较少，市场上流通的产品主要为进口中间相沥青产品。2019年我国中间相沥青产能情况详见表1。
另外，国内还有3家已经披露的中间相沥青生产项目，包括湖北铭隆新材料有限公司、肇庆市顺鑫煤化工科技有限公司和南雄市碳谷得铭新材料有限公司等，详见表2。但综合判断，这3个中间相沥青项目继续推进的可能性较低。
受中间相沥青下游市场不确定性的影响，国内中间相沥青市场处于混乱的状态。
产品质量方面，由于中间相沥青产品的制备核心技术由日本、美国等少数企业把控，我国市场长期受制于国外企业。近些年来，我国的科研机构在中间相沥青的开发方面做了大量工作，并取得了一些进步，2017年开始有几个中间相沥青的生产线陆续投产，虽然产量仍较小，但已经开始逐步减少对国外产品的依赖。
产品价格方面，目前我国市场上中间相沥青价格差别很大，5000~50000元/吨不等，个别报价甚至达到10万元/吨。但是其中相当一部分所谓中间相沥青其实只是某种改性沥青产品，这些改性沥青产品中的中间相体含量很低，并不能表现出中间相沥青的相关产品特性。
在产品标准方面，目前中间相沥青应该指的是一大类的产品而不是具体某一种产品。由于生产中间相沥青所使用的原料不同，不同原料的炭材料之间存在很大差异，所以通过不同原料和生产工艺生产的中间相沥青产品在组分构成及产品性能方面都有不同，进一步导致目前还很难划定统一的标准来准确定义中间相沥青。
我国沥青市场结构向高附加值方向变化
目前传统的沥青产品逐渐进入红海竞争的态势，企业之间竞争激烈。所以随着供给侧改革的推进，我国沥青行业正在向高性能化、高附加值的方向发展。随着一批批专家学者的努力，目前国内中间相沥青以及下游的中间相沥青基炭纤维等材料的需求量不断上升，也为我国相关产品的发展提供了广阔的市场空间。
但是国内中间相沥青产品能够完成产业化的仅有中间相沥青基碳纤维产品。目前，国内中间相沥青基碳纤维产能约730吨/年，约占国内整体碳纤维总产能（2.6万吨/年）的2.8%。所以中间相沥青基碳纤维产能在整体碳纤维行业中几乎可以忽略不计。另外，2019年国内碳纤维的总产量约1万吨，产品基本上都是丙烯腈基碳纤维路线生产的。中间相沥青基碳纤维的生产过程在技术、生产、应用各方面均没有完全打通，还存在一些问题有待国内专家学者继续攻克。
对于中间相沥青生产中间相沥青泡沫炭、炭微球、针状焦等产品，基本上还处于小试或者研究阶段。据了解，少数能够进行中间相沥青生产的企业，因生产不正常，也无法计算生产成本。
孙楠 中国化工信息中心咨询事业部。毕业于北京工商大学，材料加工工程硕士学位，专注于石油化工行业信息研究与咨询。其专长领域包括ABS、PC、PP、PE等聚合物材料、氯碱行业、油品行业等。曾在《聚碳酸酯中国市场分析》《聚烯烃产品中国市场分析》《C3、C4产业链发展规划》《润滑油及基础油中国市场分析》《聚丁烯—1中国市场分析》等20余个咨询项目中担任咨询顾问的角色。