Wpływ nanometrycznych proszków ceramicznych na proces termicznej konwersji paku węglowego do węgla

• Autorzy: Mikociak D. , Socha A. , Błażewicz S. , Łabojko G.

Warianty tytułu

EN

Effect of nano-metric ceramic powders on thermal conversion process of coal tar pitch to carbon phase

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu nanometrycznych proszków ceramicznych na proces pirolizy paku węglowego i jego dalszej obróbki termicznej do 2000°C. Do modyfikacji paku wykorzystano montmorylonit (MTT) i krzemionkę w ilości do 10 % wagowych. Badania wykazały, że wprowadzenie nanoproszku ceramicznego w ilości do 5 % wagowych nie zmienia istotnie mechanizmu rozkładu termicznego paku w niskich temperaturach. Wpływ nanocząstek zaznacza się wyraźnie w wyższych temperaturach obróbki. Przy małej koncentracji nanododatku obserwuje się obniżenie rozmiarów krystalitów w pozostałości węglowej po karbonizacji do 1000°C. Jednocześnie odległości międzygrafenowe d002 ulegają zmniejszeniu, w porównaniu do próbek węglowych nie zawierających dodatku ceramicznego, co wskazuje na porządkowanie struktury węgla w trakcie obróbki termicznej po karbonizacji paku. W próbkach węglowych zawierających nanokrzemionkę powyżej 1000°C zachodzi proces karboredukcji, który prowadzi do utworzenia węglika krzemu. W próbach ogrzewanych do 2000°C, oprócz węglika krzemu występuje także krystobalit. W temperaturze 2000°C w obecności 0,5 % zawartości MTT tworzą się dwie formy węgla różniące się parametrami strukturalnymi. Przy wyższych koncentracjach nanododatków ceramicznych (powyżej 5%) proces porządkowania struktury węglowej jest hamowany.

EN

The work presents the results of the investigations on the influence of nano-metric ceramic powders on the pyrolysis of coal tar pitch and its subsequent heat treatment up to 2000°C., Montmorillonite (MTT), and silica in an amount up to 10 % by weight, were used to modify the pitch. The studies have shown that the introduction of the ceramic nano-powder up to 5 % does not substantially change the mechanism of thermal decomposition of pitch at low temperatures. The impact of nano-particles is observed at higher processing temperatures. At low concentrations of nano-additives the decrease in the crystallite size of carbon residue after carbonization to 1000°C was observed. At the same time the inter-planar distance d002 between graphene layers is reduced, as compared to the samples without ceramic nano-additives, which indicates that the ordering of the structure of carbon residue in the presence of ceramic nano-particles takes place. In the case of nano-silica during heat treatment of coal tar pitch above 1000°C carboreduction process occurs, which leads to the formation of silicon carbide within carbon matrix. However, after the treatment up to 2000°C cristobalite in the carbon residue was found. Heat treatment of coal tar pitch to 2000°C in the presence of 0,5% of the MTT leads to the formation of two structurally different carbon components. At higher concentrations of ceramic nano-additives (above 5 %) carbon structure ordering process is inhibited.

Słowa kluczowe

PL

pak węglowy; proces pirolizy; nanokrzemionka; montmorylonit

EN

coal tar pitch; pyrolisis; nano-silica; montmorylonite

• Wydawca: Wydawnictwo Górnicze Sp. z o.o.
• Czasopismo: Karbo
• Rocznik: 2013
• Tom: Nr 3
• Strony: 209--216
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Mikociak D.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza , Kraków

autor

Socha A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

autor

Błażewicz S.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

autor

Łabojko G.

• Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Zabrze

Bibliografia

• 1. Mochida I., Ku C.H., Korai Y., Anodic performance and insertion mechanism of hard carbons prepared from synthetic isotropic pitches. Carbon, 2001, t. 39, s. 399.
• 2. Balik K., Machovič V, Polivka P., Kolář F., Svitilová J., Possibility of Densification of Carbon-Carbon Composites with Coal Tar Pitch using Microwave Heating. Journal of Composite Materials, Vol. 00, No. 00/2005.
• 3. Kubica K., Paki węglowe jako spoiwa i impregnaty - bezpieczeństwo technologiczne i ekologiczne. Karbo, 2000, t. 45, nr 4-5, s. 171.
• 4. Czosnek C., Ratuszek W., Janik J.F., Olejniczak Z., XRD and 29Si MAS NMR spectroscopic studies of carbon materials obtained from pyrolyses of a coal tar pitch modified with various siliconbearing additives. Fuel Processing Technology, 2002, t. 79 s. 199.
• 5. Morita T., Takami N., Nano Si Cluster-SiOx-C Composite Material as High-Capacity Anode Material for Rechargeable Lithium Batteries. Journal of the Electrolchemical Society, 2006,1.153, nr 2, s. A425.
• 6. Lu Z, Zhang L., Liu X., Microstructure and electrochemical performance of Si-SiO₂-C composites as the negative material for Li-ion batteries. Journal of Power Sources, 2010, t. 195, s. 4304.
• 7. Liedke V, Huttinger K. J., Mesophase pitches as matrix precursor of carbon fiber reinforced carbon: Mesophase pitch preparation and characterization. Carbon, 1996, t. 34, s. 1057.
• 8. Fathollahi B., Jones B., Chau PC., White J.L., Injection and stabilization of mesophase pitch in the fabrication of carbon-carbon composites. Part III: Mesophase stabilization at low temperatures and elevated oxidation pressures. Carbon, 2005, t. 43, s. 143.
• 9. Petrova B., Budinova T., Ekinci E., Petrov N., Yardim F., Influence of pitch composition and surface properties of petroleum coke on their interaction during the preparation of carbon/carbon composites. Carbon, 2007, t. 45, s. 704.
• 10. Mochida I., Ku C.H., Korai Y, Anodic performance and insertion mechanism of hard carbons prepared from synthetic isotropic pitches. Carbon, 2001 t. 39, s. 399.
• 11. Liedke V, Huttinger K.J., Mesophase pitches as matrix precursor of carbon fiber reinforced carbon: II Stabilization of mesophase pitch matrix by oxygen treatment. Carbon, 1996, t. 34, s. 1067.
• 12. Petrova B., Budinova T., Petrov N., Yardim M.F., Ekinci E., Razvigorova M, Effect of different oxidation treatments on the chemical structure and properties of commercial coal tar pitch. Carbon, 2005, t. 43, s. 261.
• 13. Gumuła T., Michałowski J., Mikociak D., Błażewicz S., Kompozyty węglowe i węglowo-ceramiczne wytwarzane z paków węglowych, w: Studium koncepcyjne wybranych technologii, perspektywicznych procesów i produktów konwersji węgla – osiągnięcia i kierunki badawczo-rozwojowe, Zaawansowane materiały węglowe, pod redakcją: J. Machnikowskiego i M. Ściążko, Tom 3 Wydawnictwo Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla, Zabrze 2010, s. 223.
• 14. Qian J-M., Jin Z-H., Preparation and characterization of porous, biomorphic SiC ceramic with hybrid pore structure. Journal of the European Ceramic Society, 2006, t. 26, s. 1311.
• 15. Segatelli M.G., Pires A.T.N., Yoshida I.V.P., Synthesis and structural characterization of carbon-rich SiCxOy derived from a Ni-containing hybrid polymer. Journal of the European Ceramic Society, 2008, t. 28, s. 2247.
• 16. XuT., Ma Q., Chen Z., High-temperature behavior of silicon oxycarbide Glassem in air environment. Ceramics International, 2011, t. 37, s. 2555.
• 17. Guan L., Fan B., Liu C., Wang H., Xin L., ChenD., Zhang R., Preparation of SiO₂-SiC composites with a precursor method. Ceramics International, 2009, t. 35, s. 1905.
• 18. Gołębiewski J., Nanokompozyty polimerowe; Struktura, metody wytwarzania i właściwości. Przemysł Chemiczny, 2004, nr 1, s. 15.