Introducere
Gudronul joacă un rol crucial în producția de materiale anodice din grafit pentru baterii. În timpul pirolizei la temperaturi ridicate, gudronul este carbonizat și ajută la formarea particulelor anodice. Punctul de înmuiere al gudronului determină fereastra de temperatură în care materialul poate fi lichefiat suficient pentru a asigura o distribuție omogenă în materialul compozit. Cu cât punctul de înmuiere al gudronului este mai ridicat, cu atât acoperirea este mai omogenă. După tratamentul termic, reziduul carbonat rezultat rămâne stabil din punct de vedere dimensional și are rezistența termică și chimică necesară, care este esențială pentru funcționarea anozilor în procesele la temperaturi ridicate [1]. Atât procesul de piroliză, cât și punctul de înmuiere pot fi investigate prin intermediul analizei termice. Patru tipuri diferite de gudron au fost comparate din punct de vedere al adecvării lor pentru producția de material anodic.
Metode și pregătirea probelor
Măsurătorile termogravimetrice pentru investigarea procesului de piroliză au fost efectuate cu NETZSCH TG Libra®. Au fost aplicate condițiile de măsurare enumerate în tabelul 1. Măsurătorile DSC au fost efectuate cu NETZSCH DSC Caliris® pentru a determina tranzițiile de fază și temperatura de înmuiere a probelor de gudron.
Tabelul 1: Condiții de măsurare pentru măsurătorile TGA pe diferite probe de smoală
| Masa probei | 10 ± 0,1 mg |
|---|---|
| Creuzet | 85 μl oxid de aluminiu, deschis |
| Rata de încălzire | 10 K/min |
| Program de temperatură | 40 la 900°C în azot; 900 la 1100°C în aer |
| Debit de gaz de purjare | 40 ml/min |
Tabelul 2: Condiții de măsurare pentru analiza DSC a diferitelor tipuri de gudron
| Masa probei | 6 ± 0,1 mg |
|---|---|
| Creuzet | Al, tip Concavus®, sudat la rece cu capac perforat |
| Viteze de încălzire/răcire | 10 K/min |
| Debit de gaz de purjare | 40 ml/min |
| Gaz de purjare | Nitrogen |
| Interval de temperatură | de la 40 la 140°C / 200°C |
| Numărul de încălziri | 2 |
Rezultate și discuții
Măsurătorile termogravimetrice au fost efectuate în condiții inerte în intervalul de temperatură cuprins între 200°C și 550°C și arată o singură etapă de pierdere de masă pentru fiecare dintre probele de gudron. Modificările de masă variază între 47,5% și 65,5%. Acest lucru indică faptul că conținutul de componente organice care sunt pirolizate în acest interval de temperatură diferă.
Trecerea la o atmosferă oxidantă declanșează arderea conținutului de carbon. Conținutul de carbon al probelor a variat între 34,4% și 52,4%. Masa reziduală rămasă este denumită conținut de cenușă. Aici, cele patru probe au prezentat doar diferențe foarte mici.
În plus față de conținutul de carbon și de cenușă al probelor de gudron, stabilitatea termică joacă, de asemenea, un rol decisiv. Rata maximă de pierdere a masei (vârf DTG) sau temperatura de debut extrapolată pot fi utilizate pentru a compara stabilitatea termică a diferitelor probe. Observând aceste valori în figura 1, se poate vedea că proba A prezintă cea mai mare stabilitate termică, iar proba B cea mai scăzută.
Prin urmare, cu ajutorul termogravimetriei, diferite probe de gudron pot fi analizate în ceea ce privește producția lor de carbon în timpul pirolizei, conținutul lor de cenușă și stabilitatea lor termică. Prin urmare, a fost posibil să se determine că proba A are atât cel mai mare conținut de carbon, cât și cea mai mare stabilitate termică.
În plus față de analiza termogravimetrică, tipurile de gudron au fost, de asemenea, examinate cu analiza DSC în ceea ce privește posibilele efecte calorice, cum ar fi tranziția vitroasă sau topirea. Curbele DSC măsurate pentru prima și a doua încălzire pot fi observate în figura 2. Compararea masei creuzetelor înainte și după analiza DSC a demonstrat că masele probelor rămân stabile în timpul procesului DSC. La prima încălzire, gudroanele D, C și B prezintă un vârf EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermic la 78,1°C, 68,3°C și 67,1°C. Gudronul A nu prezintă un vârf EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermic. Aici, cu toate acestea, se poate observa un curs ușor ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură.exotermic între 130°C și 190°C. După răcire și reîncălzire controlată, probele prezintă un comportament diferit față de prima încălzire, deoarece vârfurile EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermice nu mai apar în timpul celei de-a doua încălziri. Acesta este posibil să fie un efect de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare. Picul EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermic poate oferi o perspectivă asupra istoriei termice a materialului.
În timpul celei de-a doua încălziri, a fost detectată o singură tranziție vitroasă pentru fiecare probă. La 44°C, gudronul B are cea mai scăzută temperatură de tranziție vitroasă. Pentru tipurile de gudron C și D, aceasta este ușor mai ridicată, la 50°C și, respectiv, 71°C. Proba A prezintă cea mai ridicată temperatură de tranziție vitroasă la 147°C.
Folosind DSC, a fost posibil să se Identify diferențe clare între temperaturile de tranziție vitroasă și pretratarea probelor. Proba A iese în evidență și în acest caz, cu tensiuni reziduale scăzute și cea mai ridicată temperatură de tranziție vitroasă.
Rezumat
Analizele TGA și DSC sunt metode adecvate pentru identificarea cuprinzătoare a diferitelor tipuri de gudron în ceea ce privește adecvarea lor pentru producția de baterii. Cu ajutorul acestor tehnici, a fost posibilă determinarea unei varietăți de proprietăți, cum ar fi stabilitatea termică, conținutul de carbon, conținutul de cenușă, istoricul termomecanic și caracteristicile tranziției vitroase.
Aceste informații pot fi utilizate nu numai pentru a verifica specificațiile producătorului în timpul inspecției mărfurilor primite, ci și pentru a optimiza formulările și select materii prime adecvate. Identificarea unei substanțe inițiale adecvate în perioada premergătoare producției de baterii influențează calitatea produselor finale și crește eficiența procesului de fabricație.