Introducción
El alquitrán desempeña un papel crucial en la producción de materiales de ánodo de grafito para baterías. Durante la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis a altas temperaturas, el alquitrán se carboniza y ayuda a dar forma a las partículas del ánodo. El punto de reblandecimiento del alquitrán determina la ventana de temperatura dentro de la cual el material puede licuarse lo suficiente como para garantizar una distribución homogénea en el material compuesto. Cuanto mayor sea el punto de reblandecimiento del alquitrán, más homogéneo será el recubrimiento. Tras el tratamiento térmico, el residuo carbonoso resultante permanece dimensionalmente estable y tiene la resistencia térmica y química requerida, lo que es esencial para el funcionamiento de los ánodos en procesos de alta temperatura [1]. Tanto el proceso de PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis como el punto de reblandecimiento pueden investigarse mediante análisis térmico. Se compararon cuatro tipos diferentes de alquitrán por su idoneidad para la producción de material para ánodos.
Métodos y preparación de muestras
Las mediciones termogravimétricas para investigar el proceso de PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis se llevaron a cabo con el NETZSCH TG Libra®. Se aplicaron las condiciones de medición indicadas en la tabla 1. Las mediciones DSC se llevaron a cabo con el NETZSCH DSC Caliris® para determinar las Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transiciones de fase y la temperatura de reblandecimiento de las muestras de alquitrán.
Tabla 1: Condiciones de medición para las mediciones TGA en diferentes muestras de brea
| Masa de la muestra | 10 ± 0,1 mg |
|---|---|
| Crisol | 85 μl de óxido de aluminio, abierto |
| Velocidad de calentamiento | 10 K/min |
| Programa de temperatura | de 40 a 900°C en nitrógeno; de 900 a 1100°C en aire |
| Flujo de gas de purga | 40 ml/min |
Tabla 2: Condiciones de medición para el análisis DSC de los diferentes tipos de alquitrán
| Masa de la muestra | 6 ± 0,1 mg |
|---|---|
| Crisol | Al, tipo Concavus®, soldado en frío con tapa perforada |
| Velocidad de calentamiento/enfriamiento | 10 K/min |
| Flujo de gas de purga | 40 ml/min |
| Gas de purga | Nitrógeno |
| Rango de temperatura | 40 a 140°C / 200°C |
| Número de calentamientos | 2 |
Resultados y debate
Las mediciones termogravimétricas se realizaron en condiciones inertes en un intervalo de temperaturas entre 200°C y 550°C y muestran un único paso de pérdida de masa para cada una de las muestras de alquitrán. Los cambios de masa varían entre el 47,5% y el 65,5%. Esto indica que el contenido de componentes orgánicos que se pirolizan en este rango de temperatura es diferente.
El paso a una atmósfera oxidante inicia la combustión del contenido de carbono. El contenido de carbono de las muestras osciló entre el 34,4% y el 52,4%. La masa residual restante se denomina Contenido en cenizasThe ash is a measure of the mineral oxide content on a weight basis. Thermogravimetric analysis (TGA) in an oxidative atmosphere is a well-proven method to determine the inorganic residue, commonly referred to ash, in organic materials such as polymers, rubbers, etc. Therefore, the TGA measurement will identify if a material is filled and calculates the total filler content.contenido en cenizas. En este caso, las cuatro muestras sólo presentaban diferencias muy ligeras.
Además del contenido de carbono y de cenizas de las muestras de alquitrán, la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica también desempeña un papel decisivo. La tasa máxima de pérdida de masa (pico DTG) o la temperatura de inicio extrapolada pueden utilizarse para comparar la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica de las distintas muestras. Observando estos valores en la figura 1, se puede ver que la muestra A muestra la mayor Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica y la muestra B la menor.
Con la ayuda de la termogravimetría, se pueden analizar diferentes muestras de alquitrán con respecto a su rendimiento de carbono durante la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis, su contenido en cenizas y su Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica. Así, se pudo determinar que la muestra A presentaba tanto el mayor contenido de carbono como la mayor Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica.
Además del análisis termogravimétrico, los tipos de alquitrán también se examinaron con análisis DSC en relación con posibles efectos calóricos, como la transición vítrea o la fusión. Las curvas DSC medidas del primer y segundo calentamiento pueden verse en la figura 2. La comparación de la masa de los crisoles antes y después del análisis DSC demostró que las masas de las muestras permanecen estables durante el proceso DSC. En el primer calentamiento, los alquitranes D, C y B muestran un pico EndotérmicoA sample transition or a reaction is endothermic if heat is needed for the conversion.endotérmico a 78,1°C, 68,3°C y 67,1°C. El alquitrán A no muestra un pico endotérmico. Aquí, sin embargo, se observa un curso ligeramente ExotérmicoA sample transition or a reaction is exothermic if heat is generated.exotérmico entre 130°C y 190°C. Tras el enfriamiento controlado y el recalentamiento, las muestras muestran un comportamiento diferente al del primer calentamiento, ya que los picos endotérmicos ya no se producen durante el segundo calentamiento. Posiblemente se trate de un efecto de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación. El pico endotérmico puede dar una idea de la historia térmica del material.
Durante el segundo calentamiento, sólo se detectó una transición vítrea para cada muestra. Con 44°C, el alquitrán B presenta la temperatura de transición vítrea más baja. Para los tipos de alquitrán C y D, es ligeramente superior, a 50°C y 71°C, respectivamente. La muestra A muestra la temperatura de transición vítrea más alta a 147°C.
Utilizando el DSC, fue posible Identify diferencias claras en las temperaturas de transición vítrea y el pretratamiento de las muestras. La muestra A también destaca aquí con una tensión residual baja y la temperatura de transición vítrea más alta.
Resumen
Los análisis TGA y DSC son métodos adecuados para identificar de forma exhaustiva diferentes tipos de alquitrán en lo que respecta a su idoneidad para la producción de baterías. Con la ayuda de estas técnicas fue posible determinar diversas propiedades, como la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica, el contenido de carbono, el contenido de cenizas, el historial termomecánico y las características de la transición vítrea.
Esta información puede utilizarse no sólo para comprobar las especificaciones del fabricante durante la inspección de entrada de mercancías, sino también para optimizar las formulaciones y select materias primas adecuadas. La identificación de una sustancia de partida adecuada en la fase previa a la producción de baterías influye en la calidad de los productos finales y aumenta la eficacia del proceso de fabricación.