Введение
Смола играет важную роль в производстве графитовых анодных материалов для аккумуляторов. В процессе пиролиза при высоких температурах смола карбонизируется и помогает сформировать частицы анода. Температура размягчения смолы определяет температурный интервал, в котором материал может быть достаточно разжижен для обеспечения однородного распределения в композитном материале. Чем выше температура размягчения смолы, тем более однородным получается покрытие. После термической обработки полученный углеродистый остаток остается стабильным по размерам и обладает необходимой термической и химической стойкостью, что очень важно для работы анодов в высокотемпературных процессах [1]. Процесс пиролиза и температуру размягчения можно исследовать с помощью термического анализа. Четыре различных типа смолы сравнивались на предмет их пригодности для производства анодного материала.
Методы и подготовка образцов
Термогравиметрические измерения для изучения процесса пиролиза проводились на приборе NETZSCH TG Libra®. Применялись условия измерений, перечисленные в таблице 1. Измерения ДСК проводились с помощью NETZSCH DSC Caliris® для определения фазовых переходов и температуры размягчения образцов смолы.
Таблица 1: Условия проведения измерений ТГА для различных образцов смолы
| Масса образца | 10 ± 0,1 мг |
|---|---|
| Крюсиль | 85 мкл оксида алюминия, открытый |
| Скорость нагрева | 10 К/мин |
| Температурная программа | от 40 до 900°C в азоте; от 900 до 1100°C в воздухе |
| Поток продувочного газа | 40 мл/мин |
Таблица 2: Условия измерения для ДСК-анализа различных типов смол
| Масса образца | 6 ± 0,1 мг |
|---|---|
| Крюсиль | Al, тип Concavus®, холодная сварка с проколотой крышкой |
| Скорость нагрева/охлаждения | 10 К/мин |
| Поток продувочного газа | 40 мл/мин |
| Продувочный газ | Азот |
| Диапазон температур | от 40 до 140°C / 200°C |
| Количество нагревов | 2 |
Результаты и обсуждение
Термогравиметрические измерения проводились в инертных условиях в диапазоне температур от 200°C до 550°C и показывают один единственный шаг потери массы для каждого из образцов смолы. Изменения массы варьируются от 47,5 до 65,5 %. Это свидетельствует о том, что содержание органических компонентов, подвергающихся пиролизу в этом диапазоне температур, различно.
Переход в окислительную атмосферу инициирует сжигание углерода. Содержание углерода в образцах варьировалось от 34,4 до 52,4 %. Оставшаяся остаточная масса называется зольностью. Здесь четыре образца имеют лишь незначительные различия.
Помимо содержания углерода и зольности образцов смолы, решающую роль играет термическая стабильность. Для сравнения термической стабильности различных образцов можно использовать максимальную скорость потери массы (пик ДТГ) или экстраполированную температуру начала горения. Если посмотреть на эти значения на рисунке 1, то можно увидеть, что образец А демонстрирует самую высокую термическую стабильность, а образец В - самую низкую.
Таким образом, с помощью термогравиметрии можно проанализировать различные образцы смолы на предмет выхода углерода при пиролизе, содержания золы и термической стабильности. Таким образом, можно определить, что образец А имеет как самое высокое содержание углерода, так и самую высокую термическую стабильность.
В дополнение к термогравиметрическому анализу типы смол были также исследованы с помощью анализа ДСК на предмет возможных калорических эффектов, таких как стеклование или плавление. Измеренные кривые ДСК при первом и втором нагреве показаны на рисунке 2. Сравнение массы тиглей до и после анализа ДСК показало, что масса образцов остается стабильной в процессе ДСК. При первом нагревании смолы D, C и B демонстрируют эндотермический пик при 78,1°C, 68,3°C и 67,1°C. Смола A не демонстрирует эндотермического пика. Однако здесь наблюдается слегка экзотермический участок между 130°C и 190°C. После контролируемого охлаждения и повторного нагрева образцы демонстрируют иное поведение, чем при первом нагреве, поскольку эндотермические пики больше не возникают при втором нагреве. Возможно, это эффект релаксации. Эндотермический пик может дать некоторое представление о термической истории материала.
Во время второго нагрева для каждого образца было обнаружено только одно стеклование. При температуре 44°C смола B имеет самую низкую температуру стеклования. Для смол типов C и D она немного выше - 50°C и 71°C, соответственно. Образец A демонстрирует самую высокую температуру стеклования при 147°C.
С помощью ДСК можно Identify четкие различия в температурах стеклования и предварительной обработке образцов. Образец А также выделяется низким остаточным напряжением и самой высокой температурой стеклования.
Резюме
TGA and DSC analyses are suitable methods for comprehensively identifying different types of tar with regard to their suitability for battery production. With the help of these techniques, it was possible to determine a variety of properties such as thermal stability, carbon content, ash content, thermo-mechanical history and characteristics of the Glass Transition TemperatureThe glass transition is one of the most important properties of amorphous and semi-crystalline materials, e.g., inorganic glasses, amorphous metals, polymers, pharmaceuticals and food ingredients, etc., and describes the temperature region where the mechanical properties of the materials change from hard and brittle to more soft, deformable or rubbery.glass transition.
This information can be used not only to check manufacturer specifications during incoming goods inspection, but also to optimize formulations and select suitable raw materials. The identification of a suitable starting substance in the run-up to battery production influences the quality of the end products and increases the efficiency of the manufacturing process.