Johdanto
Terva on ratkaisevassa asemassa akkukäyttöön soveltuvien grafiittianodimateriaalien tuotannossa. Korkeissa lämpötiloissa tapahtuvan pyrolyysin aikana terva hiiltyy ja auttaa muokkaamaan anodihiukkasia. Tervan pehmenemispiste määrittää lämpötilaikkunan, jonka sisällä materiaali voidaan nesteyttää riittävästi, jotta varmistetaan sen homogeeninen jakautuminen komposiittimateriaalissa. Mitä korkeampi tervan pehmenemispiste on, sitä homogeenisempi pinnoite on. Lämpökäsittelyn jälkeen syntyvä hiilipitoinen jäännös säilyy mittapysyvänä ja sillä on vaadittu terminen ja kemiallinen kestävyys, mikä on olennaista anodien toiminnalle korkean lämpötilan prosesseissa [1]. Sekä pyrolyysiprosessia että pehmenemispistettä voidaan tutkia lämpöanalyysin avulla. Neljää erilaista tervatyyppiä verrattiin niiden soveltuvuuden kannalta anodimateriaalin valmistukseen.
Menetelmät ja näytteen valmistelu
Pyrolyysiprosessin tutkimiseksi tehdyt termogravimetriset mittaukset suoritettiin NETZSCH TG Libra®-laitteella. Mittausolosuhteita sovellettiin taulukossa 1 luetelluissa olosuhteissa. DSC-mittaukset suoritettiin NETZSCH DSC Caliris® -laitteella tervanäytteiden faasisiirtymien ja pehmenemislämpötilan määrittämiseksi.
Taulukko 1: Mittausolosuhteet TGA-mittauksia varten eri pitkinäytteille
| Näytteen massa | 10 ± 0,1 mg |
|---|---|
| Upokas | 85 μl alumiinioksidia, avoin |
| Lämmitysnopeus | 10 K/min |
| Lämpötilaohjelma | 40-900 °C typessä; 900-1100 °C ilmassa |
| Puhdistuskaasun virtaus | 40 ml/min |
Taulukko 2: Mittausolosuhteet eri tervatyyppien DSC-analyysiä varten
| Näytteen massa | 6 ± 0,1 mg |
|---|---|
| Upokas | Al, Concavus® tyyppi, kylmähitsattu, lävistetty kansi |
| Lämmitys-/jäähdytysnopeus | 10 K/min |
| Puhdistuskaasun virtaus | 40 ml/min |
| Puhdistuskaasu | Typpi |
| Lämpötila-alue | 40 - 140°C / 200°C |
| Lämmitysten määrä | 2 |
Tulokset ja keskustelu
Termogravimetriset mittaukset tehtiin inertissä tilassa lämpötilavälillä 200°C-550°C, ja ne osoittivat yhden ainoan massahäviöaskeleen kullekin tervanäytteelle. Massanmuutokset vaihtelevat 47,5-65,5 prosentin välillä. Tämä osoittaa, että pyrolysoituvien orgaanisten komponenttien pitoisuus vaihtelee tällä lämpötila-alueella.
Siirtyminen hapettavaan ilmakehään käynnistää hiilipitoisuuden palamisen. Näytteiden hiilipitoisuus vaihteli välillä 34,4-52,4 %. Jäljelle jäävää jäännösmassaa kutsutaan tuhkapitoisuudeksi. Tässä neljässä näytteessä oli vain hyvin pieniä eroja.
Tervanäytteiden hiilipitoisuuden ja tuhkapitoisuuden lisäksi myös lämpöstabiilisuudella on ratkaiseva merkitys. Eri näytteiden lämpöstabiilisuutta voidaan verrata maksimimassan häviämisnopeuden (DTG-piikki) tai ekstrapoloidun alkamislämpötilan avulla. Kun näitä arvoja tarkastellaan kuvassa 1, voidaan havaita, että näytteellä A on korkein LämpöstabiilisuusMateriaali on lämpöstabiili, jos se ei hajoa lämpötilan vaikutuksesta. Yksi tapa määrittää aineen lämpöstabiilisuus on käyttää TGA-analysaattoria (termogravimetrinen analysaattori). lämpöstabiilisuus ja näytteellä B matalin.
Termogravimetrian avulla voidaan siis analysoida eri tervanäytteitä niiden pyrolyysin aikana saaman hiilen määrän, tuhkapitoisuuden ja lämpöstabiilisuuden osalta. Näin ollen voitiin todeta, että näytteellä A oli sekä korkein hiilipitoisuus että korkein LämpöstabiilisuusMateriaali on lämpöstabiili, jos se ei hajoa lämpötilan vaikutuksesta. Yksi tapa määrittää aineen lämpöstabiilisuus on käyttää TGA-analysaattoria (termogravimetrinen analysaattori). lämpöstabiilisuus.
Termogravimetrisen analyysin lisäksi tervatyyppejä tutkittiin myös DSC-analyysillä mahdollisten kaloristen vaikutusten, kuten lasittumisen tai sulamisen, osalta. Ensimmäisen ja toisen lämmityksen mitatut DSC-käyrät näkyvät kuvassa 2. Upokkaiden massojen vertailu ennen ja jälkeen DSC-analyysin osoitti, että näytteiden massat pysyvät vakaina DSC-prosessin aikana. Ensimmäisessä lämmityksessä tervat D, C ja B osoittivat endotermisen piikin 78,1 °C:ssa, 68,3 °C:ssa ja 67,1 °C:ssa. Terva A:ssa ei näy endotermistä piikkiä. Tässä tapauksessa voidaan kuitenkin havaita lievästi EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.eksoterminen kulku 130 °C:n ja 190 °C:n välillä. Hallitun jäähdytyksen ja uudelleenlämmityksen jälkeen näytteet käyttäytyvät eri tavalla kuin ensimmäisessä lämmityksessä, sillä endotermisiä piikkejä ei enää esiinny toisen lämmityksen aikana. Kyseessä on mahdollisesti relaksaatiovaikutus. EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.Endoterminen huippu voi antaa jonkinlaisen käsityksen materiaalin lämpöhistoriasta.
Toisen lämmityksen aikana havaittiin vain yksi lasimuutos jokaisessa näytteessä. Terva B:n lasittumislämpötila on alhaisin, 44 °C. Tervatyypeillä C ja D se on hieman korkeampi, 50 °C ja 71 °C. Näytteen A lasittumislämpötila on korkein, 147 °C.
DSC:n avulla oli mahdollista havaita Identify selvät erot näytteiden lasittumislämpötiloissa ja esikäsittelyssä. Näyte A erottuu tältäkin osin alhaisella jäännösjännityksellä ja korkeimmalla lasittumislämpötilalla.
Yhteenveto
TGA- ja DSC-analyysit ovat sopivia menetelmiä erilaisten tervatyyppien kattavaan tunnistamiseen niiden soveltuvuuden kannalta akkutuotantoon. Näiden tekniikoiden avulla voitiin määrittää erilaisia ominaisuuksia, kuten LämpöstabiilisuusMateriaali on lämpöstabiili, jos se ei hajoa lämpötilan vaikutuksesta. Yksi tapa määrittää aineen lämpöstabiilisuus on käyttää TGA-analysaattoria (termogravimetrinen analysaattori). lämpöstabiilisuus, hiilipitoisuus, Tuhka SisältöTuhka on mineraalioksidipitoisuuden mitta painon perusteella. Termogravimetrinen analyysi (TGA) hapettavassa ilmakehässä on hyväksi todettu menetelmä orgaanisten materiaalien, kuten polymeerien, kumien jne. epäorgaanisen jäännöksen, jota yleisesti kutsutaan tuhkaksi, määrittämiseksi. Näin ollen TGA-mittauksella Identify voidaan selvittää, onko materiaali täytetty, ja laskea täyteainepitoisuus.tuhkapitoisuus, termomekaaninen historia ja lasimuutoksen ominaisuudet.
Näitä tietoja voidaan käyttää paitsi valmistajan eritelmien tarkistamiseen saapuvien tuotteiden tarkastuksen yhteydessä myös reseptien optimointiin ja select sopivien raaka-aineiden käyttöön. Sopivan lähtöaineen tunnistaminen akkutuotannon valmisteluvaiheessa vaikuttaa lopputuotteiden laatuun ja lisää valmistusprosessin tehokkuutta.