Wprowadzenie
Smoła odgrywa kluczową rolę w produkcji grafitowych materiałów anodowych do akumulatorów. Podczas pirolizy w wysokich temperaturach smoła ulega zwęgleniu i pomaga kształtować cząstki anody. Temperatura mięknienia smoły określa okno temperaturowe, w którym materiał może być wystarczająco upłynniony, aby zapewnić jednorodny Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład w materiale kompozytowym. Im wyższa temperatura mięknienia smoły, tym bardziej jednorodna powłoka. Po obróbce termicznej powstała pozostałość węglowa pozostaje stabilna wymiarowo i ma wymaganą odporność termiczną i chemiczną, co jest niezbędne do działania anod w procesach wysokotemperaturowych [1]. Zarówno proces pirolizy, jak i temperatura mięknienia mogą być badane za pomocą analizy termicznej. Cztery różne rodzaje smoły zostały porównane pod kątem ich przydatności do produkcji materiału anodowego.
Metody i przygotowanie próbek
Pomiary termograwimetryczne w celu zbadania procesu pirolizy przeprowadzono za pomocą urządzenia NETZSCH TG Libra®. Zastosowano warunki pomiarowe wymienione w tabeli 1. Pomiary DSC przeprowadzono za pomocą NETZSCH DSC Caliris® w celu określenia przejść fazowych i temperatury mięknienia próbek smoły.
Tabela 1: Warunki pomiarów TGA dla różnych próbek smoły
| Masa próbki | 10 ± 0,1 mg |
|---|---|
| Tygiel | 85 μl tlenku glinu, otwarty |
| Szybkość ogrzewania | 10 K/min |
| Program temperatury | 40 do 900°C w azocie; 900 do 1100°C w powietrzu |
| Przepływ gazu oczyszczającego | 40 ml/min |
Tabela 2: Warunki pomiaru dla analizy DSC różnych rodzajów smoły
| Masa próbki | 6 ± 0,1 mg |
|---|---|
| Tygiel | Al, typ Concavus®, spawany na zimno z przebitą pokrywą |
| Szybkość ogrzewania/chłodzenia | 10 K/min |
| Przepływ gazu oczyszczającego | 40 ml/min |
| Gaz oczyszczający | Azot |
| Zakres temperatur | 40 do 140°C / 200°C |
| Liczba podgrzewań | 2 |
Wyniki i dyskusja
Pomiary termograwimetryczne przeprowadzono w warunkach obojętnych w zakresie temperatur od 200°C do 550°C i wykazały pojedynczy etap utraty masy dla każdej próbki smoły. Zmiany masy wahają się od 47,5% do 65,5%. Wskazuje to, że zawartość składników organicznych, które ulegają pirolizie w tym zakresie temperatur jest różna.
Punkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki.Przejście do atmosfery utleniającej inicjuje spalanie zawartości węgla. Zawartość węgla w próbkach wynosiła od 34,4% do 52,4%. Pozostała masa resztkowa jest określana jako Zawartość popiołuPopiół jest miarą zawartości tlenków mineralnych w przeliczeniu na masę. Analiza termograwimetryczna (TGA) w atmosferze utleniającej jest sprawdzoną metodą określania pozostałości nieorganicznych, powszechnie określanych jako popiół, w materiałach organicznych, takich jak polimery, gumy itp. W związku z tym pomiar TGA pozwoli Identify określić, czy materiał jest wypełniony i obliczyć całkowitą zawartość wypełniacza.zawartość popiołu. W tym przypadku cztery próbki wykazywały jedynie niewielkie różnice.
Oprócz zawartości węgla i popiołu w próbkach smoły, decydującą rolę odgrywa również Stabilność termicznaMateriał jest stabilny termicznie, jeśli nie ulega rozkładowi pod wpływem temperatury. Jednym ze sposobów określenia stabilności termicznej substancji jest użycie analizatora termograwimetrycznego (TGA). stabilność termiczna. Maksymalna szybkość utraty masy (szczyt DTG) lub ekstrapolowana temperatura początku mogą być wykorzystane do porównania stabilności termicznej różnych próbek. Patrząc na te wartości na rysunku 1, można zauważyć, że próbka A wykazuje najwyższą stabilność termiczną, a próbka B najniższą.
Za pomocą termograwimetrii można zatem analizować różne próbki smoły pod kątem ich wydajności węgla podczas pirolizy, zawartości popiołu i stabilności termicznej. Możliwe było zatem ustalenie, że próbka A miała zarówno najwyższą zawartość węgla, jak i najwyższą stabilność termiczną.
Oprócz analizy termograwimetrycznej, rodzaje smoły zostały również zbadane za pomocą analizy DSC pod kątem możliwych efektów kalorycznych, takich jak zeszklenie lub Temperatury i entalpie topnieniaEntalpia syntezy substancji, znana również jako ciepło utajone, jest miarą nakładu energii, zazwyczaj ciepła, która jest niezbędna do przekształcenia substancji ze stanu stałego w ciekły. Temperatura topnienia substancji to temperatura, w której zmienia ona stan ze stałego (krystalicznego) na ciekły (stopiony izotropowo). topnienie. Zmierzone krzywe DSC pierwszego i drugiego ogrzewania można zobaczyć na rysunku 2. Porównanie masy tygli przed i po analizie DSC wykazało, że masy próbek pozostają stabilne podczas procesu DSC. Podczas pierwszego ogrzewania smoły D, C i B wykazują pik EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny w temperaturach 78,1°C, 68,3°C i 67,1°C. Smoła A nie wykazuje piku endotermicznego. Tutaj jednak można zaobserwować lekko EgzotermicznyPrzejście próbki lub reakcja jest egzotermiczna, jeśli generowane jest ciepło.egzotermiczny przebieg między 130°C a 190°C. Po kontrolowanym schłodzeniu i ponownym podgrzaniu próbki wykazują inne zachowanie niż podczas pierwszego ogrzewania, ponieważ piki endotermiczne nie występują już podczas drugiego ogrzewania. Jest to prawdopodobnie efekt relaksacji. Pik EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny może dać pewien wgląd w historię termiczną materiału.
Podczas drugiego ogrzewania wykryto tylko jedno zeszklenie dla każdej próbki. Przy 44°C smoła B ma najniższą temperaturę zeszklenia. W przypadku smoły typu C i D jest ona nieco wyższa i wynosi odpowiednio 50°C i 71°C. Próbka A wykazuje najwyższą temperaturę zeszklenia przy 147°C.
Za pomocą DSC możliwe było Identify wyraźne różnice w temperaturach zeszklenia i wstępnej obróbce próbek. Próbka A również wyróżnia się niskim naprężeniem szczątkowym i najwyższą temperaturą zeszklenia.
Podsumowanie
Analizy TGA i DSC są odpowiednimi metodami do kompleksowej identyfikacji różnych rodzajów smoły pod kątem ich przydatności do produkcji akumulatorów. Za pomocą tych technik możliwe było określenie różnych właściwości, takich jak Stabilność termicznaMateriał jest stabilny termicznie, jeśli nie ulega rozkładowi pod wpływem temperatury. Jednym ze sposobów określenia stabilności termicznej substancji jest użycie analizatora termograwimetrycznego (TGA). stabilność termiczna, zawartość węgla, Zawartość popiołuPopiół jest miarą zawartości tlenków mineralnych w przeliczeniu na masę. Analiza termograwimetryczna (TGA) w atmosferze utleniającej jest sprawdzoną metodą określania pozostałości nieorganicznych, powszechnie określanych jako popiół, w materiałach organicznych, takich jak polimery, gumy itp. W związku z tym pomiar TGA pozwoli Identify określić, czy materiał jest wypełniony i obliczyć całkowitą zawartość wypełniacza.zawartość popiołu, historia termomechaniczna i charakterystyka zeszklenia.
Informacje te można wykorzystać nie tylko do sprawdzenia specyfikacji producenta podczas kontroli towarów przychodzących, ale także do optymalizacji receptur i select odpowiednich surowców. Identyfikacja odpowiedniej substancji wyjściowej w okresie poprzedzającym produkcję baterii wpływa na jakość produktów końcowych i zwiększa wydajność procesu produkcyjnego.