ТEРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЭЛЕКТРОДНЫХ КАМЕННОУГОЛЬНЫХ ПЕКОВ И СМЕСЕЙ НА ИХ ОСНОВЕ

Каменноугольный пек – остаток разгонки каменноугольной смолы, который имеет широкое применение в качестве связующего при производстве электродов и анодной массы. Особый интерес представляет получение пековых карбонизатов с максимальным значением выхода для разработки высокоэффективной технологии. Показано влияние термической обработки электродного пека категории Б на выход карбонизата. На примере пека категории В показано, что термическое окисление повышает выход карбонизатов высокоплавкого и высокотемпературного пеков, добавление которых в массу пека категории Б повышает выход его карбонизата. Например, введение добавки высокотемпературного пека (температура размягчения T_р = 148 °C, массовая доля добавки ω = 31,8 %) в электродный пек категории Б снижает выход летучих веществ и увеличивает выход карбонизата c 50,8 до 54,0 %. Введение такого же количества добавки высокоплавкого пека (T_р = 202 °С) увеличивает выход карбонизата на 10 %. В обоих случаях выход летучих веществ уменьшается. Показаны результаты по влиянию термической обработки электродного пека категории Б на выход карбонизата. Установлены зависимости выхода карбонизата от температуры термической обработки. Впервые показано, что термическая обработка электродного пека категории Б при температуре 350 °С увеличивает выход карбонизата на 7 %. Получена зависимость выхода карбонизата от выхода летучих веществ для пеков после термической обработки. Показано, что при нагреве до 300 °С выход карбонизата не зависит от уменьшения выхода летучих веществ исходного пека.

1. Привалов В.Е., Степаненко М.А. Каменноугольный пек. Москва: Металлургия. 1981:208.

2. Мальцева Л.Д., Гайсаров М.Г., Мочалов В.В. Исследование свойств пеков и их групповых составляющих. Кокс и химия. 1980;8:33–36.

3. Юркевич Я., Росиньский С. Углехимия. Москва: Металлургия. 1973:360.

4. Кекин Н.А., Степан А.А. О данных хроматографического анализа и составе каменноугольных пеков. Кокс и химия. 1986;1:30–34.

5. Уткин Ю.А., Янко Э.А., Соловейчик Э.Я., Страхов В.М. Об оценке качества каменноугольного пека как связующего в производстве анодов. Кокс и химия. 2012;9:17–21.

6. Rani S., Kumari K., Kumar P., Sanjay R. Dhakate S.R., Kumari S. Enhancing spinnability and properties of carbon fibers through modification of isotropic coal tar pitch precursor. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2024;181:106566. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2024.106566.

7. Yang P.J., Li T.H., Li H., Dang A.L., Yuan L. Effect of coal tar pitch modification on the structure and char yield of pyrolysis epoxy resin carbons. Diamond and Related Materials. 2023;137:110099. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.110099.

8. Fu S.,Yang T., Song Y., Tian X., Wang C., Ma Z., Wu J., Li Z. Effect of iodine treatment on structural and electrochemical performance of coal tar pitch based carbon materials for sodium ion batteries. Applied Surface Science. 2024;657:159731. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.159731.

9. Liu S, Wang L., Li X., Xue C. Coal tar pitch derived N-doped mesoporous carbon through «carbonization in air» strategy for high performance supercapacitor electrode. Journal of Alloys and Compounds Available online. 2024:175364. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.175364.

10. Sun W., Sun Q., Lu R. et all. Sodium hypophosphite-assist pyrolysis of coal pitch to synthesis P doped carbon nanosheet anode for ultrafast and long-term cycling sodium-ion batteries. Journal of Alloys and Compounds. 2021;889:161678. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161678.

11. Zhao J., Zuo X., Long X., Cui Z., Yuan G., Dong Z., Zhang J., Cong Y., Li X. Accelerating the oxidative stabilization of pitch fibers and improving the physical performance of carbon fibers by modifying naphthalene-based mesophase pitch with C9 resin. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2021;154:105009. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2020.105009.

12. Чистяков A.Н. Кинетика термического и термоокислительного превращения каменноугольного пека. Кокс и химия. 1978;11:38–40.

13. Ковалев Р.Ю., Наймушина Т.М., Никитин А.П. Термообработка среднетемпературных электродных каменноугольных пеков. В кн.: Материалы во внешних полях. Труды XII Международного онлайн-симпозиума. Новокузнецк: ИЦ СибГИУ. 2024:88–90.

14. Галигузов А.А., Малахо А.П., Авдеев В.В., Рогозин А.Д. Сравнительные характеристики каменноугольных пеков: качественный анализ, стабильность свойств при хранении и термическая стабильность. Известия вузов. Химия и химическая технология. 2015;5(12):55–57.

15. Xiaojun L., Jian X., Yanqing L., Jie L., Zhao F., Yan S., Yexiang L. Effects of pitches modification on properties of TiB2-C composite cathodes. Magnesium Technology. 2009:1–5.

16. Lü X.-J., Xu J., Li J., Lai Y.-Q., Liu Y.-X. Thermal-Treated Pitches as Binders for TiB2/C Composite Cathodes. Metallurgical and Materials Transactions. 2012;43:219–227.

17. https://doi.org/10.1007/s11661-011-0821-x.

18. Сидоров О.Ф. Современные представления о процессе термоокисления каменноугольных пеков. Часть 1. Механизм взаимодействия кислорода с углеводородами пека. Кокс и химия. 2002;9:35–43.

19. Сидоров О.Ф. Современные представления о процессе термоокисления каменноугольных пеков. Часть 3. Влияние условий окисления на характер термохимических превращений и структуру пека. Кокс и химия. 2004;6:24–30.

20. Kovalev R.Yu., Gavriljuk O.M., Nikitin A.P., Ismagilov Z.R. Thermal Oxidation of Electrode Coal Pitch. Coke and Chemistry. 2023;66(7):351–354. https://doi.org/10.3103/S1068364X23700941.

21. Мочалов В.В. Особенности структуры каменноугольных электродных пеков. В кн.: Сырьевые материалы электродного производства. Москва: НИИграфит. 1986:5–19.

22. Choia K.H, Lee S-Y., Hong I., Son S., An J-C., Kim S. Molecular-level investigation of coal-tar pitch treated by air blowing: Revealing the restructure of aromatic compounds via radical reaction. Carbon. 2023;203:377–385.

23. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.11.022.

24. Гаврилюк О. М., Ковалев Р.Ю., Исмагилов З.Р. Отработка технологии получения высокотемпературного пека. В кн.: ХимРеактор-25. Сб. тезисов XXV международной конференции по химическим реакторам. Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН. 2023:306–307.

25. Yuan G., Xue Z., Cui Z., Westwood A., Dong Z., Cong Y., Zhang J., Zhu H., Li X. Constructing the Bridge from Isotropic to Anisotropic Pitches for PreparingPitch-Based Carbon Fibers with Tunable Structures and Properties. ACS Omega. 2020;5(3):21948–21960.

26. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c03226

27. Ковалев Р.Ю., Наймушина Т.М. Термообработка электродного пека. В кн.: Материалы во внешних полях. Труды XII Международного онлайн-симпозиума. Новокузнецк: ИЦ СибГИУ. 2024:92–94.

28. Гайсаров М.Г., Мальцев Л.Д., Мочалов В.В. О природе α1-фракции пека и ее влиянии на качество углеродистых изделий. Кокс и химия. 1981;10:37–39.

29. Twigg A.N. Relationship between chemical structure and secondary quinoline insoluble formation in electrode binder pitches. Fuel. 1987;66(11):1540–1543. https://doi.org/10.1016/0016-2361(87)90015-9

30. Kumari K., Rani S., Kumar P., Prakash S., Dhakate S.R., Kumari S. Study of mesophase pitch based carbon fibers: Structural changes as a function of anisotropic content. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2023;171:105961.

31. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2023.105961.

32. Lia L., Lina X., Zharga Y., Daib J., Dua D., Wanga Y. Characteristics of the mesophase and needle coke derived from the blended coal tar and biomass tar pitch. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2020;150:104889.

33. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2020.104889.

34. Montes-Moránab M.A., Crespoa J.L., Youngb R.J., Garcıaa R., Moinelo S.R. Mesophase from a coal tar pitch: a Raman spectroscopy study. Fuel Processing Technology. 2002;77-78:207–212. https://doi.org/10.1016/S0378-3820(02)00079-6

35. Lewis I. Chemistry of carbonization. Carbon. 1982.20:519–529. https://doi.org/10.1016/0008-6223(82)90089-6