Научные основы получения функциональных углеродных материалов из каменноугольного пека и исследование коллоидной структуры пека из каменноугольной смолы

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-13-00042

НазваниеНаучные основы получения функциональных углеродных материалов из каменноугольного пека и исследование коллоидной структуры пека из каменноугольной смолы

Руководитель Никитин Андрей Павлович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук" , Кемеровская обл (Кузбасс)

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые слова каменноугольная смола, коллоидные системы, углеродная матрица,углеродная фазовая диаграмма, функциональные углеродные материалы, углеродные волокна, игольчатый кокс

Код ГРНТИ61.53.00, 31.15.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Данный проект направлен на разработку фундаментальных основ управляемого синтеза углеродных функциональных материалов из каменноугольного пека на основе детального исследования коллоидной структуры пека и регулирования свойств материалов на молекулярном уровне. Наиболее востребованными углеродными материалами являются углеродное моноволокно и игольчатый кокс, получаемые термической обработкой каменноугольного пека. Эти углеродные материалы благодаря своим уникальным свойствам имеют применение в различных областях промышленности: металлургии, машиностроении, химической промышленности, авиационной и ракетно-космической технике, электротехнической промышленности, атомной энергетике, медицине и во многих других отраслях. Востребованность этих материалов обусловлено их особыми физико-химическими, физико-механическими и функциональными свойствами. Однако, до настоящего времени как углеродное волокно, так и игольчатый кокс в Российской федерации не производились из-за отсутствия отечественных технологий для получения таких материалов соответствующих современному мировому уровню по основным показателям. Актуальность решения научной проблемы состоит в том, что в настоящее время вся потребность в игольчатом коксе и в высококачественном углеродном моноволокне удовлетворяется за счет импорта, а каменноугольная смола, являющаяся исходным сырьем, сжигается или за бесценок экспортируется за рубеж. Остро стоит вопрос необходимости организовать производство высокотехнологичных углеродных функциональных материалов в стране на основе отечественных исследований. Каменноугольный пек является наиболее признанным исходным материалом для получения высококачественного углеродного волокна и игольчатого кокса качества «супер премиум» и достижение требуемых мировых показателей возможно только на основе проведения глубоких фундаментальных исследований, которые составят основу передовых технологий. Получение функциональных углеродных материалов на основе процесса карбонизации каменноугольного пека представляет собой сложный комплекс химических реакций образования углеродной мезофазы, включающий выделение в газовую фазу малых молекул (легких компонентов) и их крекинг, пиролиз и конденсацию молекул среднего размера, крекинг и конденсацию макромолекулярных компонентов, а также взаимодействие молекул промежуточных соединений. Углеродная мезофаза представляет собой жидкокристаллическое состояние пека образованного дискообразными нематическими жидкими кристаллами и она обычно образуется при термолизе изотропного расплавленного пека. В ходе непрерывного термолиза жидкие кристаллы упаковываются в сферические образования- сферолиты, которые постепенно увеличиваются в размерах и коалесцируют в объемную фазу с последующим образованием анизотропного кокса мозаичной, струйчатой (ленточный, протяженный), доменной, игольчатой и другие структуры. Объемная анизотропная мезофаза образованная из мезофазных сфер сохраняет текучесть и деформируемость до 770 К. В целом, параметры строения различных исходных пеков соответственно и различных типов мезофазного пека существенно влияют на структуру конечных продуктов карбонизации. При этом, установлено, что трудно предсказать, прогнозировать и достичь ключевых параметров уровня супер-премиум таких наиболее высокотехнологичных углеродных материалов, как углеродное моноволокно и игольчатый кокс, только на основании используемых общих характеристик или макроиндексов пека, как температура размягчения, групповой состав, степень ароматичности и молекулярно-массовое распределение, на которых базировались технологии первого поколения. Решение научной проблемы этого проекта состоит в том, чтобы понять свойства пека от его молекулярного состава до его состояния агрегации , т.е. коллоидной структуры, проанализировать наличие существования различных компонентов в коллоидной структуре и их физические изменения и химические реакции во время термической обработки, а также оценить и определить на молекулярном уровне, можно ли использовать определенный исходный пек и получаемый мезофазный пек в качестве предшественника для приготовления функциональных углеродных материалов с определенными требуемыми показателями (параметрами). Кроме того, необходимо выявить структурную эволюцию матрицы углеродных материалов, полученных из мезофазного пека, изменения их аморфных и графитированных микрокристаллических характеристик в процессе карбонизации. Успех решения поставленной научной проблемы обоснован на высокой научной компетенции участников международного проекта и применения имеющихся у коллективов полного набора современных физико-химических экспериментальных методов исследований. В ФИЦ угля и углехимии СО РАН будут приготовлены три типа образцов каменноугольного пека из смолы от трех производителей и для каждого из них будет выполнен комплекс исследований закономерностей образования коллоидной структуры пека и мезофазы из исходной смолы, всех стадий термохимических превращений пека в ряду первоначальный пек----образование мезофазы----анизотропный пек---сырой кокс--- игольчатый кокс с применением следующих физико-химических методов: термический анализ ДТА/ДТГ с ГХ-МС, ИК-, ЭПР-, ЯМР- , КР-спектроскопия, СЭМ, ПЭМ, РФА, РФА-МУР, EXAFS. Для образцов сырого и конечного игольчатого кокса дополнительно будут исследованы целевые показатели качества: зольность, пористая структура, удельная поверхность, плотность, электропроводность, механическая прочность и КТР. Таким образом новизна проекта состоит том, что впервые будут выполнены исследования структуры коллоидной структуры пека, генезиса и всех стадий термических превращений мезофазного каменноугольного пека для получения высокотехнологичных продуктов углеродного волокна и игольчатого кокса на высоком современном уровне с применением приведенного выше мощного набора физико-химических методов, т.е. сквозной и комплексный подход, современный инструментальный и методический уровень. Важным элементом новизны проекта также является поставленные впервые всей цепочки сравнительных исследований с образцами каменноугольных пеков разного коллоидного состава и структуры от трех разных производителей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Попова А.Н., Созинов С.А., Исмагилов З.Р. Исследование формирования кристаллической структуры каменноугольного пека Кокс и химия, №10, С. 23-27. (год публикации - 2022)
10.52351/00232815_2022_10_23

2. Созинов С.А. , Попова А.Н., Федорова Н.И., Исмагилов З.Р. Исследование морфологии и структуры витринитов углей Химия в интересах устойчивого развития, №30, 2022, с. 707–713 (год публикации - 2022)
10.15372/KhUR2022432

3. Попова А.Н., Созинов С.А., Исмагилов З.Р. Изучение структуры асфальтенов каменноугольного пека методом рентгеновской дифракции Сборник тезисов Школы молодых ученных по синхротронным методам исследования в материаловедении - Новосибирск: ИПЦ НГУ, 2022, Сборник тезисов Школы молодых ученных по синхротронным методам исследования в материаловедении - Новосибирск: ИПЦ НГУ, 2022, С. 99-100. (год публикации - 2022)

4. Гаврилюк О.М., Михайлова Е.С., Исмагилов З.Р Получение и анализ состава каменноугольной смолы из ископаемых углей средней стадии метаморфизма Сборник тезисов XI международного российско-казахстанского симпозиума «Углехимия и экология Кузбасса» – Кемерово: ФИЦ УУХ СО РАН, 2022., Сборник тезисов XI международного российско-казахстанского симпозиума «Углехимия и экология Кузбасса» – Кемерово: ФИЦ УУХ СО РАН, 2022. с. 26 (год публикации - 2022)
10.53650/9785902305651_26

5. Захаров Н.С., Созинов С.А., Исмагилов З.Р. Анализ формы линии ЭПР-спектров каменноугольной смолы и каменноугольного пека Вестник Кузбасского государственного технического университета (год публикации - 2022)

6. Никитин А.П., Гаврилюк О.М., Исмагилов З.Р. Исследование структуры промышленных образцов пеков каменноугольных смол методом КР-спектроскопии Кокс и химия (год публикации - 2022)

7. Попова А.Н., Созинов С.А., Исмагилов З.Р. Crystalline Structure of Pitch Produced by the Carbonization of Coal Tar Coke and Chemistry, Vol. 65, pp. 449–453 (год публикации - 2023)
10.3103/S1068364X22700132

8. Исмагилов З.Р., Никитин А.П., Гаврилюк О.М. Особенности строения углеродного каркаса α-фракций каменноугольных пеков различных марок, полученных из каменноугольной смолы Химия в интересах устойчивого развития, Т. 31. № 3. С. 277-281. (год публикации - 2023)
10.15372/KhUR2023465

9. Ковалев Р.Ю., Гаврилюк О.М,, Никитин А.П., Исмагилов З.Р. Thermal Oxidation of Electrode Coal Pitch Coke and Chemistry, Vol. 66, No. 7, pp. 351–354 (год публикации - 2023)
10.3103/S1068364X23700941

10. Исмагилов З.Р., Никитин А.П., Гаврилюк О.М. Structural features of the carbon framework in α-fractions of different grades of coal-tar pitch obtained from coal tar Chemistry for Sustainable Development, Vol. 31. No. 3. С. 267-271 (год публикации - 2023)
10.15372/CSD2023465

11. Ковалев Р.Ю., Гаврилюк О.М., Никитин А.П., Исмагилов З.Р. Исследование термооксилительной обработки электродного каменноугольного пека Кокс и химия, № 7, С.14-18 (год публикации - 2023)

12. Созинов С.А., Попова А.Н., Исмагилов З.Р. Исследование морфологии и структуры каменноугольного пека Химия в интересах устойчивого развития, Т. 31. № 2. С. 255-262. (год публикации - 2023)
10.15372/KhUR2023463

13. Созинов С.А., Попова А.Н., Исмагилов З.Р. Study of Coal Tar Pitch Morphology and Structure Chemistry for Sustainable Development, Vol. 31. No 2. pp. 251-258 (год публикации - 2023)
10.15372/CSD2023463

14. Попова А.Н., Никитин А.П., Созинов С.А., Гаврилюк О.М., Исмагилов З.Р. INVESTIGATION OF THE STRUCTURE AND MORPHOLOGY OF COAL PITCHES ASAM-8. The 8th Asian Symposium on Advanced Materials. Book of Abstracts. Новосибирск, 2023., В книге: ASAM-8. The 8th Asian Symposium on Advanced Materials. Book of Abstracts. Новосибирск, 2023. С. 112. (год публикации - 2023)

15. Исмагилов З.Р., Гаврилюк О.М., Никитин А.П. Comparative Study of Group Properties of Three Varieties of Coal Pitches ASAM-8. The 8th Asian Symposium on Advanced Materials. Book of Abstracts. Новосибирск, 2023., В книге: ASAM-8. The 8th Asian Symposium on Advanced Materials. Book of Abstracts. Новосибирск, 2023. С. 113-114. (год публикации - 2023)

16. Никитин А.П., Гаврилюк О.М., Исмагилов З.Р. Особенности строения углеродного каркаса α-фракций каменноугольных пеков различных категорий Углехимия и экология Кузбасса: XII Международный российско-казахстанский симпозиум, Кемерово, 3 - 6 июля 2023 г.: сб. тез. докл.– Кемерово: ФИЦ УУХ СО РАН, 2023, В книге: Углехимия и экология Кузбасса: XII Международный российско-казахстанский симпозиум. СБОРНИК ТЕЗИСОВ ДОКЛАДОВ. RUS, 2023. С. 68. (год публикации - 2023)

17. Гаврилюк О.М., Ковалев Р.Ю., Исмагилов З.Р. Отработка технологии получения высокотемпературного пека XXV МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ХИМИЧЕСКИМ РЕАКТОРАМ ХимРеактор‐25, В сборнике: ХимРеактор-25. СБОРНИК ТЕЗИСОВ XXV МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ПО ХИМИЧЕСКИМ РЕАКТОРАМ. Новосибирск, 2023. С. 306-307. (год публикации - 2023)

18. Исмагилов З.Р., Гаврилюк О.М. Сравнительные исследования промышленных образцов каменноугольной смолы Вестник Кузбасского государственного технического университета, №5, С. 22-29 (год публикации - 2022)
10.26730/1999-4125-2022-5-22-29

19. Никитин А.П., Гаврилюк О.М., Исмагилов З.Р. Исследование дефектности углеродной структуры каменноугольного пека Сборник тезисов XI международного российско-казахстанского симпозиума «Углехимия и экология Кузбасса» – Кемерово: ФИЦ УУХ СО РАН, 2022., Сборник тезисов XI международного российско-казахстанского симпозиума «Углехимия и экология Кузбасса» – Кемерово: ФИЦ УУХ СО РАН, 2022. с. 58 (год публикации - 2022)
10.53650/9785902305651_58

20. Захаров Н.С., Созинов С.А., Исмагилов З.Р., Гаврилюк О.М. Применение ЭПР-спектроскопии при исследовании радикальной структуры каменноугольного пека Углехимия и экология Кузбасса: XII Международный российско-казахстанский симпозиум, Кемерово, 3 - 6 июля 2023 г.: сб. тез. докл.– Кемерово: ФИЦ УУХ СО РАН, 2023, В книге: Углехимия и экология Кузбасса: XII Международный российско-казахстанский симпозиум. СБОРНИК ТЕЗИСОВ ДОКЛАДОВ. RUS, 2023. С. 38. (год публикации - 2023)

21. Гаврилюк О.М., Никитин А.П., Исмагилов З.Р. Исследование структуры и состава образцов каменноугольного пека, полученного из промышленных образцов каменноугольной смолы Углехимия и экология Кузбасса: XII Международный российско-казахстанский симпозиум, Кемерово, 3 - 6 июля 2023 г.: сб. тез. докл.– Кемерово: ФИЦ УУХ СО РАН, 2023, В книге: Углехимия и экология Кузбасса: XII Международный российско-казахстанский симпозиум. СБОРНИК ТЕЗИСОВ ДОКЛАДОВ. RUS, 2023. С. 25. (год публикации - 2023)

22. Захаров Н.С., Гаврилюк О.М., Созинов С.А., Никитин А.П. Influence of the Pyrolytic Temperature on the Carbon Structure of the α Fraction from Coal Tar Pitch: EPR and NMR Spectroscopy Coke and Chemistry, Vol. 67, No. 7, pp. 388–392 (год публикации - 2024)
10.3103/S1068364X24600623

23. Ковалев Р.Ю., Никитин А.П. РАЗДЕЛЕНИЕ КАМЕННОУГОЛЬНЫХ ПЕКОВ НА ФРАКЦИИ Уфимский университет науки и технологий, г. Уфа, В сборнике: Актуальные вопросы современного материаловедения. материалы XI Международной молодежной научно-практической конференции. Уфа, 2024. С. 130-133. (год публикации - 2024)

24. Ковалев Р.Ю., Никитин А.П. МЕТОДИКА ВЫДЕЛЕНИЯ β-ФРАКЦИИ КАМЕННОУГОЛЬНЫХ ПЕКОВ ФГБОУ ВО Донецкий государственный университет, Донецк, Сборник материалов VIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Донецк, 2024. С. 352-354. (год публикации - 2024)

25. Ковалев Р.Ю., Никитин А.П. Сравнительный анализ промышленных электродных пеков ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, № 3. С. 82-90. EDN: OUEKRO (год публикации - 2024)

26. Захаров Н.С., Гаврилюк О.М., Созинов С.А., Никитин А.П. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПИРОЛИЗА НА СТРУКТУРУ УГЛЕРОДНОГО КАРКАСА α-ФРАКЦИИ КАМЕННОУГОЛЬНОГО ПЕКА.ЭПР- И ЯМР-СПЕКТРОСКОПИЯ КОКС И ХИМИЯ, № 7. С. 22-26. (год публикации - 2024)
10.52351/00232815_2024_7_22

27. Ковалев Р.Ю., Никитин А.П. Исследование влияния термообработки электродных пеков на выход продуктов карбонизации Химия в интересах устойчивого развития, №32 (год публикации - 2024)
10.15372/KhUR2024

28. Захаров Н.С., Созинов С.А., Никитин А.П., Гаврилюк О.М. ТРАНСФОРМАЦИЯ РАДИКАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ α-ФРАКЦИИ КАМЕННОУГОЛЬНОГО ПЕКА ПРИ НАГРЕВАНИИ ИОА СО РАН, В сборнике: Химия нефти и газа. Материалы XIII Международной конференции. Томск, 2024. С. 309-310. (год публикации - 2024)

29. Федорова Н.И., Гаврилюк О.М., Малышева В.Ю. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СМАЧИВАЕМОСТИ УГЛЕРОДИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ КАМЕННОУГОЛЬНЫМ ПЕКОМ Вестник Кузбасского государственного технического университета (год публикации - 2025)

30. Гаврилюк О.М., Малышева В.Ю., Цветков В.Э., Никитин А.П. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ α-ФРАКЦИИ КАМЕННОУГОЛЬНОГО ПЕКА ПРИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМ ПИРОЛИЗЕ МЕТОДОМ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ ИОА СО РАН, В сборнике: Химия нефти и газа. Материалы XIII Международной конференции. Томск, 2024. С. 53-54. (год публикации - 2024)

31. Ковалев Р.Ю., Никитин А.П. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕКОВЫХ ПОЛУКОКСОВ МЕТОДОМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ КАРБОНИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПЕКОВ Химия, физика и механика материалов, Выпуск № 4(43), с. 61-69 (год публикации - 2024)

32. Попова А.Н., Созинов С.А., Шмаков А.Н., Никитин А.П. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ КАМЕННОУГОЛЬНОГО ПЕКА ДИФРАКЦИЕЙ НА СИ Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, СБОРНИК ТЕЗИСОВ ДОКЛАДОВ Шестнадцатой Международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология», Москва. 2024. С. 228-229 (год публикации - 2024)

33. Попова А.Н., Созинов С.А., Гаврилюк О.М., Малышева В.Ю. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЗОФАЗНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В КАМЕННОУГОЛЬНОМ ПЕКЕ Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, СБОРНИК ТЕЗИСОВ ДОКЛАДОВ Шестнадцатой Международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология», Москва. 2024. С. 232 (год публикации - 2024)

34. Ковалев Р.Ю., Гаврилюк О.М., Никитин А.П. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБРАЗЦОВ ПЕКОВ И ВЫДЕЛЕНИЕ ИЗ НИХ Α И Β-ФРАКЦИЙ Департамент молодежной политики и спорта Кемеровской области, Кемерово, В сборнике: Инновационный конвент "Кузбасс: образование, наука, инновации". Материалы XII Инновационного конвента. Кемерово, 2024. С. 361-363. (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе работы за отчетный период выполнен полный комплекс работ по детальному исследованию выделенных узких фракций каменноугольных пеков и различных типов «сырого кокса» полученных на его основе. На текущем этапе выполнения проекта для получения промежуточных данных каменноугольный пек (КУП) разделен на фракции группового состава. Далее отдельно выделена и наработана α-фракции КУП в количестве, необходимом для проведения экспериментов. Для изучения изменения ее состава и строения разработали методик и провели карбонизацию α-фракции КУП. Методом ЭПР установлено, что в образце, полученному при 400 °С происходит разрыв –CH2– фрагментов с последующем обрывом CH3– групп от сопряжённых ПАУ ароматических структур, что отражается на значительном увеличении концентрации ПМЦ в образце. При увеличении температуры до 500 °С образец обладает наибольшей реакционной способностью, что приводит к преобладанию процессов рекомбинации над образованием новых радикальных структур. Тем самым, эту температуру можно считать пороговой в процессе эволюции радикальной структуры углеродного каркаса α-фракции КУП. Дальнейшее увеличение температуры приводит к более заметным процессам рекомбинации. Методом ИК-спектроскопии установлено, что увеличение температуры сильно влияет структуру образцов и приводит к образованию сопряженных двойных С=С – связей, которые способствуют образованию графитоподобного каркаса. Методом КР-спектроскопии установлено, что при нагревании происходит деструкция сформированных графитизированных фрагментов, особенно после 400°С, увеличивается количество структурных дефектов графитовых слоев, включая краевые. Подобран материал для определения смачивающей способности углеродистых материалов: нефтяной кокс, искусственный графит и высокотемпературный кокс, полученный при 900оС из бурого угля. Проведен эксперимент по смачиванию нефтяного кокса КУП с различным содержанием α1-фракции. В результате показано, что при увеличении содержания α1–фракции в пеках значения краевых углов смачивания возрастают, то есть происходит ухудшение их смачивающей способности нефтяного кокса. Данное явление соответствует характеру перераспределению группового состава исследованных пеков. Доказано, что для достижения лучших результатов необходимо минимизировать количество α1-фракции в КУП. Подобрана методика для очистки КУП от α1-фракции и наработаны образцы очищенного КУП от α1-фракции. Выполнен групповой анализ КУП, очищенного от α1-фракции. Затем проведен анализ фазовых превращений при коксообразовании методом термического анализа с одновременным детектированием газообразных продуктов, выделяющихся при нагревании образца. Методом РФА выполнен комплекс исследований изменения структуры в ряду «сырой» кокс – игольчатый кокс при нагреве. Подробно описаны рентгенограммы исследуемых образцов прокаленных коксов дифракционными профилями отражения от плоскостей (002) и (004) и двумерными (100) и (110), характеризующими структурированные углеродные материалы. В работе наукоемко проведена оценка структурных характеристик исследуемых образцов методом описания дифракционных профилей функциями Гаусса. В результате структурного анализа исследуемых образцов методом рентгеновской дифракции выявлено наличие турбостратного углерода с характеристиками. Для подробного описания поведения КУП в системе «свойства исходной смолы– свойства пека – структура кокса» проведены исследования мезофазных превращений при нагреве КУП. Показано, что исходный КУП представляет собой двухфазную систему, состоящую из изотропной матрицы и диспергированных в ней хинолин-нерастворимых компонентов в виде сферических частиц с размерами менее 1 мкм, которые при нагреве пека практически не взаимодействуют между собой и с матрицей. Показано, что после карбонизации такого пека при температуре 900оС кокс имеет губчатую микроструктуру, которая представляет собой двухфазную систему, состоящую из микросфер, диспергированных в углеродной матрице. После проведения экспериментов установлено, что после удаления из КУП хинолин-нерастворимых компонентов по методике, описанной выше при нагреве до температуры 420оС в нем формируются мезофазные сферы, которые коалесцируют между собой и формируют волокнистую микроструктуру пека. При нагреве такого пека до 600оС наблюдали формирование характерной для игольчатых коксов микроструктуры. Нашим научным коллективом проведена оценка структурных характеристик прогретых до 1200оС образцов «сырых» коксов, а также оценка динамики структуры прокалённых образцов. Обнаружено, что в случае прокаленных коксов после нагрева до 1200оС, форма профилей рефлексов не меняется, но согласно полученным структурным характеристикам протекает незначительная деструкция структуры коксов, а именно снижение величины La. В ходе выполнения проекта методом рентгеновской дифракции проведено исследование изменения структуры углеродного каркаса в результате нагрева до температуры 1500°С с различными скоростями нагрева. Из полученных данных выявлена трансформация рефлекса (002) в процессе нагревания. Методом КР-спектроскопии показано, что профиль спектров коксов, полученных на основе выделенного КУП из КУС типичный для углеродных материалов. При этом в ряду КУС–КУП–«сырой кокс»–кокс присходит уменьшение тангенса угла наклона базовой линии первого порядка рассеяния. Это происходит из-за уменьшения количества водорода на поверхности, который интенсивно люминесцирует, с одновременным структурированием углеролоногокаркаса. При повышении температуры увеличивается степень графитизации с одномерным уменьшением ширины D-полосы, что свидетельствует о том, что структура образцов становится более однородной и уменьшается количество различных типов дефектов углеродного каркаса. Однако при более высоких температурах увеличивается доля краевых дефектов, что может быть связано с деструкцией сформированных графитоподобных кристаллитов в точках с повышенным напряжением. Методом ЭПР установлено, что при формировании КУП из КУС происходит уменьшение концентрации ПМЦ в среднем на 20 %. Для КУП характерно наличие двух основных типов радикальных структур – аморфный (сажистый) углерод, а также сложные ароматические радикальные структуры такие как коронен, бензоперилен и др. Однако при нагревании КУП до температуры начала формирования протяжённых графитоподобных структур наблюдается незначительное увеличение концентрации ПМЦ, а ширина линии несколько возрастает. Полученный в настоящей работе кокс по наблюдаемым микроструктурным особенностям можно отнести к игольчатому коксу премиум класса. Полученный игольчатый кокс из модифицированного среднетемпературного каменноугольного пека имеет характеристики, которые позволяют рассматривать его как сырье для производства графитовых электродов для электродуговых печей.

Публикации