مقدمة
يلعب القطران دورًا حاسمًا في إنتاج مواد أنود الجرافيت للبطاريات. فأثناء الانحلال الحراري في درجات حرارة عالية، يتكربن القطران ويساعد على تشكيل جزيئات الأنود. وتحدد نقطة تليين القطران نافذة درجة الحرارة التي يمكن من خلالها تسييل المادة بشكل كافٍ لضمان التوزيع المتجانس في المادة المركبة. وكلما زادت نقطة تليين القطران، كلما كانت درجة تليين القطران أعلى، كلما كان الطلاء أكثر تجانسًا. بعد المعالجة الحرارية، تظل البقايا الكربونية الناتجة مستقرة الأبعاد وتتمتع بالمقاومة الحرارية والكيميائية المطلوبة، وهو أمر ضروري لتشغيل الأنودات في العمليات ذات درجات الحرارة العالية [1]. ويمكن دراسة كل من عملية الانحلال الحراري ونقطة التليين عن طريق التحليل الحراري. وتمت مقارنة أربعة أنواع مختلفة من القطران لمعرفة مدى ملاءمتها لإنتاج مادة الأنود.
الطرق وتحضير العينات
أُجريت قياسات قياس الثقل الحراري للتحقق من عملية الانحلال الحراري باستخدام NETZSCH TG Libra®. تم تطبيق شروط القياس المدرجة في الجدول 1. NETZSCH أُجريت قياسات التذبذب الحراري الحراري الحراري باستخدام جهاز DSC Caliris® لتحديد التحولات الطورية ودرجة حرارة التليين لعينات القطران.
الجدول 1: شروط القياس لقياسات TGA على عينات الزفت المختلفة
| كتلة العينة | 10 ± 0.1 مجم |
|---|---|
| البوتقة | 85 ميكرولتر من أكسيد الألومنيوم، مفتوح |
| معدل التسخين | 10 كلفن/دقيقة |
| برنامج درجة الحرارة | 40 إلى 900 درجة مئوية في النيتروجين؛ 900 إلى 1100 درجة مئوية في الهواء |
| تدفق غاز التطهير | 40 مل/دقيقة |
الجدول 2: شروط القياس لتحليل DSC لأنواع القطران المختلفة
| كتلة العينة | 6 ± 0.1 مجم |
|---|---|
| البوتقة | آل، Concavus® ، من النوع الملحوم على البارد بغطاء مثقوب |
| معدلات التسخين/التبريد | 10 كلفن/دقيقة |
| تدفق غاز التطهير | 40 مل/دقيقة |
| غاز التطهير | نيتروجين |
| نطاق درجة الحرارة | 40 إلى 140 درجة مئوية / 200 درجة مئوية |
| عدد مرات التسخين | 2 |
النتائج والمناقشة
أُجريت قياسات الجاذبية الحرارية تحت ظروف خاملة في نطاق درجة حرارة تتراوح بين 200 درجة مئوية و550 درجة مئوية وتظهر خطوة واحدة لفقدان الكتلة لكل عينة من عينات القطران. وتتراوح التغيرات الكتلية بين 47.5% و65.5%. وهذا يشير إلى اختلاف محتوى المكونات العضوية التي تتحلل حراريًا في نطاق درجات الحرارة هذا.
يؤدي التحول إلى جو مؤكسد إلى بدء احتراق محتوى الكربون. تراوح محتوى الكربون في العينات بين 34.4% و52.4%. ويشار إلى الكتلة المتبقية المتبقية باسم محتوى الرماد. هنا، أظهرت العينات الأربع اختلافات طفيفة للغاية.
بالإضافة إلى محتوى الكربون ومحتوى الرماد في عينات القطران، يلعب الاستقرار الحراري أيضًا دورًا حاسمًا. يمكن استخدام الحد الأقصى لمعدل فقدان الكتلة (ذروة DTG) أو درجة حرارة البداية المستنبطة لمقارنة الاستقرار الحراري للعينات المختلفة. وبالنظر إلى هذه القيم في الشكل 1، يمكن ملاحظة أن العينة A تُظهر أعلى ثبات حراري والعينة B أقل ثبات حراري.
وبمساعدة قياس الثقل الحراري، يمكن بالتالي تحليل عينات القطران المختلفة فيما يتعلق بإنتاجية الكربون أثناء الانحلال الحراري ومحتواها من الرماد وثباتها الحراري. ولذلك كان من الممكن تحديد أن العينة A تحتوي على أعلى محتوى كربوني وأعلى ثبات حراري.
وبالإضافة إلى تحليل قياس الثقل الحراري، تم فحص أنواع القطران أيضًا باستخدام تحليل DSC فيما يتعلق بالتأثيرات الحرارية المحتملة، مثل الانتقال الزجاجي أو الذوبان. يمكن رؤية منحنيات DSC المقيسة للتسخين الأول والثاني في الشكل 2. أثبتت المقارنة بين كتلة البوتقات قبل وبعد تحليل DSC أن كتل العينة تظل مستقرة أثناء عملية DSC. في التسخين الأول، يُظهر القطران D وC وB ذروة ماصة للحرارة عند 78.1 درجة مئوية و68.3 درجة مئوية و67.1 درجة مئوية. ولا يُظهر القطران A قمة ماصة للحرارة. ومع ذلك، يمكن هنا ملاحظة مسار طارد للحرارة قليلاً بين 130 درجة مئوية و190 درجة مئوية. بعد التبريد وإعادة التسخين المضبوط، تُظهر العينات سلوكًا مختلفًا عن التسخين الأول، حيث لم تعد تحدث القمم الماصة للحرارة أثناء التسخين الثاني. ربما يكون هذا تأثير استرخاء. يمكن أن تعطي الذروة الماصة للحرارة بعض المعلومات عن التاريخ الحراري للمادة.
أثناء التسخين الثاني، تم اكتشاف انتقال زجاجي واحد فقط لكل عينة. عند درجة حرارة 44 درجة مئوية، كان للقطران B أقل درجة حرارة انتقال زجاجي. وبالنسبة إلى النوعين C وD، تكون درجة حرارة الانتقال الزجاجي أعلى قليلًا عند 50 درجة مئوية و71 درجة مئوية على التوالي. وتُظهر العينة A أعلى درجة حرارة انتقال زجاجي عند 147 درجة مئوية.
وباستخدام DSC، كان من الممكن Identify الاختلافات الواضحة في درجات حرارة الانتقال الزجاجي والمعالجة المسبقة للعينات. تبرز العينة A هنا أيضًا مع انخفاض الإجهاد المتبقي وأعلى درجة حرارة انتقال زجاجي.
الملخص
تُعد تحليلات TGA وDSC طريقتين مناسبتين لتحديد الأنواع المختلفة من القطران بشكل شامل فيما يتعلق بمدى ملاءمتها لإنتاج البطاريات. وبمساعدة هذه التقنيات، كان من الممكن تحديد مجموعة متنوعة من الخصائص مثل الثبات الحراري ومحتوى الكربون ومحتوى الرماد والتاريخ الميكانيكي الحراري وخصائص الانتقال الزجاجي.
يمكن استخدام هذه المعلومات ليس فقط للتحقق من مواصفات الشركة المصنعة أثناء فحص البضائع الواردة، ولكن أيضًا لتحسين التركيبات و select المواد الخام المناسبة. يؤثر تحديد المادة الأولية المناسبة في الفترة التي تسبق إنتاج البطاريات على جودة المنتجات النهائية ويزيد من كفاءة عملية التصنيع.