Nghiên cứu biến tính hắc ín than đá sử dụng làm tiền chất chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon

Hắc ín than đá sử dụng làm tiền chất chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon được biến tính qua ba giai đoạn, bao gồm: Tinh chế bằng dung môi axeton, oxy hóa bằng không khí và tinh chế bằng dung môi toluen.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu biến tính hắc ín than đá sử dụng làm tiền chất chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbonNghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH HẮC ÍN THAN ĐÁ SỬ DỤNG LÀMTIỀN CHẤT CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT CACBON-CACBON Đoàn Tuấn Anh1*, Phạm Tuấn Anh1, Đào Thế Nam1, Lê Viết Bình1, Nguyễn Thanh Hải2, Hoàng Thị Ngọc Hà3 Tóm tắt: Hắc ín than đá sử dụng làm tiền chất chế tạo vật liệu compozit cacbon- cacbon được biến tính qua ba giai đoạn, bao gồm: tinh chế bằng dung môi axeton, oxy hóa bằng không khí và tinh chế bằng dung môi toluen. Hiệu quả quá trình oxy hóa hắc ín được khảo sát bằng phương pháp chụp SEM-EDX; hiệu suất cacbon hóa được xác định bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng TGA; nhiệt độ chảy mềm của hắc ín sau biến tính được nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt vi sai quét DSC; khả năng graphit hóa khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao được nghiên cứu bằng phương pháp chụp phổ X-ray. Kết quả sau khi biến tính, hắc ín có độ tinh khiết cao; hắc ín đã được oxy hóa với hàm lượng oxy theo khối lượng đạt 0,84 %; hiệu suất cacbon hóa cao, đạt khoảng 60 % ở 850 °C; nhiệt độ chảy mềm trong khoảng 177÷188 ºC; có khả năng graphit hóa cao hình thành cấu trúc tinh thể graphit khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao 2700 °C. Hắc ín sau biến tính đạt các tính chất cần thiết sử dụng làm tiền chất trong quá trình thấm pha lỏng tăng mật độ của vật liệu compozit cacbon-cacbon.Từ khóa: Compozit cacbon-cacbon; Hắc ín than đá. 1. MỞ ĐẦU Nền cacbon là một trong hai thành phần cấu thành nên vật liệu compozit cacbon-cacbon. Nó liên kết cốt sợi cacbon thành một khối thống nhất, giúp vật liệu chịu đượcnhững tải trọng từ bên ngoài như kéo, nén, uốn, trượt,… Phụ thuộc vào vật liệu ban đầumà nền cacbon thu được có thể là pirocacbon (được lắng đọng từ pha khí); nền cacbon trêncơ sở hắc ín than đá hoặc dầu mỏ; thủy tinh cacbon (sản phẩm quá trình nhiệt phân ở nhiệtđộ cao của các nhựa polyme nhiệt rắn) [1, 5]. Hiện nay, nhờ có ưu điểm là giá thành rẻ, nguồn nguyên liệu sẵn có, hàm lượng cacboncao và khả năng graphit hóa cao, hắc ín than đá được dùng phổ biến làm tiền chất tạo vậtliệu nền cho compozit cacbon-cacbon [2, 3]. Tuy nhiên, để nâng cao hiệu quả của quátrình thấm hắc ín tăng mật độ trong quá trình chế tạo compozit cacbon-cacbon, giảm sốchu kỳ thấm hắc ín, nâng cao chất lượng và giảm chi phí chế tạo vật liệu, vẫn cần thiếtphải biến tính (tinh chế, oxy hóa) hắc ín để tăng hiệu suất cacbon hóa, tăng nhiệt độ chảymềm, tăng khả năng graphit hóa khi xử lý ở nhiệt độ cao [4]. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên vật liệu Hắc ín than đá theo tiêu chuẩn YB/T5194-93 (Trung Quốc), tỷ trọng 1,15÷1,25; nhiệtđộ chảy mềm 108÷115 °C, toluene không hòa tan (TI) 28÷32%, hàm lượng cốc hóa ≥ 54%, hàm lượng chất dễ bay hơi 45÷52 %; Axeton, loại PA (Xilong, Trung Quốc), độ tinhkhiết >99,8 %; Toluen, loại PA (Xilong, Trung Quốc), độ tinh khiết >99,8 %.2.2. Biến tính hắc ín2.2.1. Tinh chế hắc ín bằng dung dịch axeton Hắc ín ban đầu được rung siêu âm trong dung dịch axeton để hòa tan phầnhydrocacbon nhẹ trong hắc ín. Tiến hành lọc để loại bỏ phần hắc ín đã hòa tan, giữ lạiphần hắc ín không tan. Sấy phần hắc ín không tan ở nhiệt độ 50÷60 ºC trong thời gian 2giờ để loại bỏ hết dung môi. Hắc ín sau khi sấy được nghiền nhỏ.Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020 49 Hóa học và Kỹ thuật môi trường2.2.2. Oxy hóa hắc ín bằng không khí Hắc ín đã được tinh chế bằng dung dịch axeton và nghiền nhỏ được nung ở nhiệt độ350 ºC, thời gian oxy hóa khảo sát trong khoảng 60÷360 phút, lưu lượng không khí qua lòlà 100 ml/phút trong lò ống nằm ngang. Để mẫu hắc ín nguội cùng lò, duy trì dòng khôngkhí qua lò với lưu lượng 100 ml/phút. Hắc ín sau khi oxy hóa được nghiền nhỏ.2.2.3. Tinh chế hắc ín bằng dung dịch toluen Hắc ín đã được oxy hóa và nghiền nhỏ được rung siêu âm trong dung dịch toluen đểhắc ín tan tối đa. Tiến hành lọc để loại bỏ phần hắc ín không tan. Sấy phần dung dịch hắcín đã tan ở nhiệt độ 100 °C trong thời gian 2 giờ, sau đó tiếp tục sấy ở nhiệt độ 50÷60 ºCđến khi loại bỏ hết dung môi. Hắc ín sau khi sấy được nghiền nhỏ.2.3. Xử lý nhiệt hắc ín sau biến tính2.3.1. Cacbon hóa hắc ín Quá trình cacbon hóa hắc ín được tiến hành trong môi trường khí bảo vệ là Ar; tốc độnâng nhiệt 5 ºC/ phút; tốc độ làm nguội 5 ºC/ phút; thời gian giữ đẳng nhiệt tại nhiệt độ800 ºC là 60 phút; thời gian giữ đẳng nhiệt tại nhiệt độ 950 ºC là 30 phút.2.3.2. Graphit hóa hắc ín Quá trình graphit hóa hắc ín được tiến hành trong môi trưởng khí bảo vệ là Ar; từ nhiệtđộ phòng lên 2200 ºC, tốc độ nâng nhiệt 10 ºC/ phút; từ 2200 ºC lên 2700 ºC, tốc độ nângnhiệt 5 ºC/ phút; tốc độ làm nguội 10 ºC/ phút; thời gian giữ đẳng ...