CN102560530A

CN102560530A - 纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102560530A
Application number: CN2012100675351A
Authority: CN
Inventors: 张福勤; 于澍; 夏莉红; 于奇; 周显光; 袁铁锤
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2012-07-11

Abstract

一种纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料及其制备方法，包括下述步骤：（1）按原料重量百分比：针状焦68％～79.8％、纳米镍粉末0.2％～2％、环氧树脂20％～30％，配制碳阳极原料；（2）将针状焦和纳米镍粉末干混均匀后，加入环氧树脂混捏，控制混捏温度为20℃～60℃；（3）采用室温模压法压制成坯，控制坯体密度为1.55～1.65g/cm³；（4）对坯体实施氩气氛保护碳化，控制碳化温度为900℃～1000℃、氩气压力为0.11MPa～0.13MPa；（5）浸渍树脂/碳化增密，控制浸渍温度为160℃～200℃、浸渍压力为8Pa～12Pa，碳化工艺同步骤（4），循环碳化至坯体密度为1.76～1.82g/cm³，即得纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料。本发明提高了非石墨化碳阳极材料的导电性能。

Description

纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳阳极材料及其制备方法，特别是一种纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料及其制备方法。

背景技术

在电解制氟过程中，氟气在阳极上溢出，由于氟是最活泼的的化学元素，化学腐蚀性极强，因此必须选用抗氟气腐蚀的材料制备电解制氟阳极。碳阳极材料是一种由无定形碳构成的碳材料，具有低石墨化度、较低电阻率、抗腐蚀，尤其是抗氟气腐蚀等特点，是工业电解制氟阳极的必选材料，其性能决定电解制氟的效率。

但目前我国碳阳极材料存在极化缺陷，致使工业制氟效率不高，难以满足核工业发展对氟气的大量需求。所谓极化，是指电解制氟时，电解槽中产生的氟气与碳阳极中的石墨化组元反应，在阳极表面生成以共价型氟化石墨为主的膜层。这种氟化石墨阻碍电子移动，显著降低KF-2HF电解液对阳极的润湿性能，是一种绝缘或导电性能差的化合物。它的存在将急剧降低电解效率，使制氟过程难以为继。必须对碳阳极实施抗极化处理。

碳阳极抗极化的主要方法是非石墨化。即通过降低碳阳极材料中各组元的石墨化度，阻止共价型氟化石墨的产生，延缓极化过程，提高碳阳极寿命。但由于碳材料的导电性能与石墨化度呈正相关性，非石墨化将导致碳阳极的导电性能大幅度降低，制氟效率大幅度下降。因此，纯粹采用非石墨化方法，难以解决抗极化与导电性能两者之间的矛盾，急需开发新型的非石墨化导电碳阳极材料。

发明内容

本发明的目的在于通过在非石墨化碳阳极材料中引入纳米镍质点，提高非石墨化碳阳极材料的导电性能，并提供一种制备纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料的方法。

本发明材料组分的重量百分比为：针状焦68 ％～79.8 ％，纳米镍粉末0.2 ％～2 ％，环氧树脂20 ％～30 ％。制备方法是采用下述步骤实现的：

（1）按原料重量百分比：针状焦68 ％～79.8 ％、纳米镍粉末0.2 ％～2 ％、环氧树脂20 ％～30 ％，配制碳阳极原料；

（2）将针状焦和纳米镍粉末干混均匀后，加入环氧树脂混捏，控制混捏温度为30 ℃～80 ℃；

（3）采用室温模压法压制成坯，控制坯体密度为1.55～1.65 g/cm³；

（4）对坯体实施氩气氛保护碳化，控制碳化温度为900 ℃ ～ 1000 ℃、氩气压力为0.11 MPa ～ 0.13 MPa；

（5）浸渍树脂/碳化增密，控制浸渍温度为160 ℃～200 ℃、浸渍压力为8 Pa～12 Pa，碳化工艺同步骤（4），循环碳化至坯体密度为1.76～1.82 g/cm³，即得纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料。

本发明中，所述针状焦和纳米镍粉末均为粉末状，粉末的平均粒径分别为180微米和30纳米，原料经干混后，混合粉末的平均粒径为110微米。通过上述粒度设计，提高碳阳极材料的压制成坯工艺效率和浸渍沥青/碳化工艺效率，获得所需密度的碳阳极材料。

本发明中，所述纳米镍粉末作为填料，均匀分散于碳阳极材料中，用于为碳阳极材料提供必要的导电性能，但又不提高碳阳极材料的石墨化度。

本发明中，所述针状焦作为骨料，用于为碳阳极材料提供必要的力学性能。

本发明中，所述环氧树脂的软化点为6℃、环氧值为0.27，用作碳阳极材料中的粘接剂。

本发明中，所述浸渍树脂为酚醛树脂，其软化点为62℃、残碳率为52 ％，用于提高碳阳极材料的浸渍效率。

本发明由于采用上述工艺方法，因而，具有如下优点和积极效果：

1、采用纳米镍粉末作为填料，在不提高碳阳极材料组元石墨化度的同时，有效提高碳阳极材料的导电性能。

2、控制针状焦粉末和导电碳黑粉末的平均粒径分别为180微米和30纳米，使得导电碳黑均匀分散于针状焦骨料之间，形成导电通道，提高碳阳极材料导电性能。

3、采用本发明，按原料重量百分比：针状焦72.5 ％、纳米镍粉末1.2 ％、环氧树脂26.3 ％，配制碳阳极原料，经混料/混捏、室温模压成形、碳化、浸渍树脂工艺，得到的非石墨化导电碳阳极材料，其石墨化度为0，电阻率为19.8 Ω·m，抗压强度为68 MPa。

综上所述，本发明提供的纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料及其制备方法，通过在非石墨化碳阳极材料中引入纳米镍质点，提高非石墨化碳阳极材料的导电性能，为非石墨化导电碳阳极材料的制备提供了一种可行的方法。

附图说明

附图1为本发明实施工艺流程图。

具体实施方式

实施例 1:

参见图1，（1）按原料重量百分比：针状焦69 ％、纳米镍粉末1.9 ％、环氧树脂29.1 ％，配制碳阳极原料, 环氧树脂的软化点为6℃、环氧值为0.27, 针状焦和纳米镍粉末均为粉末状，粉末的平均粒径分别为180微米和30纳米，原料经干混后，混合粉末的平均粒径为110微米；（2）将针状焦和纳米镍粉末干混均匀后，加入环氧树脂混捏，控制混捏温度为35 ℃；（3）采用室温模压法压制成坯，控制坯体密度为1.56 g/cm³；（4）对坯体实施氩气氛保护碳化，控制碳化温度为900 ℃、氩气压力为0.13 MPa；（5）浸渍树脂/碳化增密，控制浸渍温度为160 ℃、浸渍压力为12 Pa，浸渍树脂为酚醛树脂，其软化点为62 ℃、残碳率为51 ％，碳化工艺同步骤（4），循环碳化3次至坯体密度为1.76 g/cm³，即得纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料。

实施例 2:

参见图1，（1）按原料重量百分比：针状焦70.8 ％、纳米镍粉末1.5 ％、环氧树脂27.7 ％，配制碳阳极原料, 环氧树脂的软化点为6℃、环氧值为0.27, 针状焦和纳米镍粉末均为粉末状，粉末的平均粒径分别为180微米和30纳米，原料经干混后，混合粉末的平均粒径为110微米；（2）将针状焦和纳米镍粉末干混均匀后，加入环氧树脂混捏，控制混捏温度为45 ℃；（3）采用室温模压法压制成坯，控制坯体密度为1.56 g/cm³；（4）对坯体实施氩气氛保护碳化，控制碳化温度为900 ℃、氩气压力为0.13 MPa；（5）浸渍树脂/碳化增密，控制浸渍温度为160 ℃、浸渍压力为11 Pa，浸渍树脂为酚醛树脂，其软化点为62℃、残碳率为51 ％，碳化工艺同步骤（4），循环碳化3次至坯体密度为1.76 g/cm³，即得纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料。

实施例 3:

参见图1，（1）按原料重量百分比：针状焦72.5 ％、纳米镍粉末1.2 ％、环氧树脂，26.3 ％，配制碳阳极原料, 环氧树脂的软化点为6℃、环氧值为0.27, 针状焦和纳米镍粉末均为粉末状，粉末的平均粒径分别为180微米和30纳米，原料经干混后，混合粉末的平均粒径为110微米；（2）将针状焦和纳米镍粉末干混均匀后，加入环氧树脂混捏，控制混捏温度为55 ℃；（3）采用室温模压法压制成坯，控制坯体密度为1.58 g/cm³；（4）对坯体实施氩气氛保护碳化，控制碳化温度为940 ℃、氩气压力为0.12 MPa；（5）浸渍树脂/碳化增密，控制浸渍温度为180 ℃、浸渍压力为10 Pa，浸渍树脂为酚醛树脂，其软化点为62℃、残碳率为51 ％，碳化工艺同步骤（4），循环碳化3次至坯体密度为1.78 g/cm³，即得纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料。

实施例 4:

参见图1，（1）按原料重量百分比：针状焦74 ％、纳米镍粉末0.9 ％、环氧树脂25.1 ％，配制碳阳极原料, 环氧树脂的软化点为6℃、环氧值为0.27, 针状焦和纳米镍粉末均为粉末状，粉末的平均粒径分别为180微米和30纳米，原料经干混后，混合粉末的平均粒径为110微米；（2）将针状焦和纳米镍粉末干混均匀后，加入环氧树脂混捏，控制混捏温度为60 ℃；（3）采用室温模压法压制成坯，控制坯体密度为1.6 g/cm³；（4）对坯体实施氩气氛保护碳化，控制碳化温度为960 ℃、氩气压力为0.12 MPa；（5）浸渍树脂/碳化增密，控制浸渍温度为180 ℃、浸渍压力为10 Pa，浸渍树脂为酚醛树脂，其软化点为62℃、残碳率为51 ％，碳化工艺同步骤（4），循环碳化3次至坯体密度为1.78 g/cm³，即得纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料。

实施例 5:

参见图1，（1）按原料重量百分比：针状焦76 ％、纳米镍粉末0.7 ％、环氧树脂23.3 ％，配制碳阳极原料, 环氧树脂的软化点为6℃、环氧值为0.27, 针状焦和纳米镍粉末均为粉末状，粉末的平均粒径分别为180微米和30纳米，原料经干混后，混合粉末的平均粒径为110微米；（2）将针状焦和纳米镍粉末干混均匀后，加入环氧树脂混捏，控制混捏温度为65 ℃；（3）采用室温模压法压制成坯，控制坯体密度为1.64 g/cm³；（4）对坯体实施氩气氛保护碳化，控制碳化温度为960 ℃、氩气压力为0.12 MPa；（5）浸渍树脂/碳化增密，控制浸渍温度为190 ℃、浸渍压力为9 Pa，浸渍树脂为酚醛树脂，其软化点为62℃、残碳率为51 ％，碳化工艺同步骤（4），循环碳化3次至坯体密度为1.8 g/cm³，即得纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料。

实施例 6:

参见图1，（1）按原料重量百分比：针状焦78 ％、纳米镍粉末0.5 ％、环氧树脂21.5 ％，配制碳阳极原料, 环氧树脂的软化点为6℃、环氧值为0.27, 针状焦和纳米镍粉末均为粉末状，粉末的平均粒径分别为180微米和30纳米，原料经干混后，混合粉末的平均粒径为110微米；（2）将针状焦和纳米镍粉末干混均匀后，加入环氧树脂混捏，控制混捏温度为70 ℃；（3）采用室温模压法压制成坯，控制坯体密度为1.64 g/cm³；（4）对坯体实施氩气氛保护碳化，控制碳化温度为980 ℃、氩气压力为0.11 MPa；（5）浸渍树脂/碳化增密，控制浸渍温度为190 ℃、浸渍压力为9 Pa，浸渍树脂为酚醛树脂，其软化点为62℃、残碳率为51 ％，碳化工艺同步骤（4），循环碳化3次至坯体密度为1.8 g/cm³，即得纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料。

实施例 7：

参见图1，（1）按原料重量百分比：针状焦79.5 ％、纳米镍粉末0.3 ％、环氧树脂20.2 ％，配制碳阳极原料, 环氧树脂的软化点为6℃、环氧值为0.27, 针状焦和纳米镍粉末均为粉末状，粉末的平均粒径分别为180微米和30纳米，原料经干混后，混合粉末的平均粒径为110微米；（2）将针状焦和纳米镍粉末干混均匀后，加入环氧树脂混捏，控制混捏温度为75 ℃；（3）采用室温模压法压制成坯，控制坯体密度为1.65 g/cm³；（4）对坯体实施氩气氛保护碳化，控制碳化温度为980 ℃、氩气压力为0.11 MPa；（5）浸渍树脂/碳化增密，控制浸渍温度为200 ℃、浸渍压力为8 Pa，浸渍树脂为酚醛树脂，其软化点为62℃、残碳率为51 ％，碳化工艺同步骤（4），循环碳化3次至坯体密度为1.82 g/cm³，即得纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料。

Claims

1.一种纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料,其特征在于材料组分的重量百分比为：针状焦68 ％～79.8 ％，纳米镍粉末0.2 ％～2 ％，环氧树脂20 ％～30 ％。

2.根据权利要求1所述的纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料,其特征在于：针状焦72.5 ％、纳米镍粉末1.2 ％、环氧树脂26.3 ％。

3.根据权利要求1所述的纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料，其特征是：所述针状焦和纳米镍粉末均为粉末状，粉末的平均粒径分别为180微米和30纳米，原料经干混后，混合粉末的平均粒径为110微米。

4.一种纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

（1）按权利要求1所述原料重量百分比配制碳阳极原料；

5.根据权利要求4所述的纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料的制备方法，其特征是：所述纳米镍粉末作为填料，均匀分散于碳阳极材料中，用于为碳阳极材料提供必要的导电性能，同时没有提高碳阳极材料的石墨化度。

6.根据权利要求4所述的纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料的制备方法，其特征是：所述针状焦作为骨料，用于为碳阳极材料提供必要的力学性能。

7.根据权利要求4所述的纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料的制备方法，其特征是：步骤（2）中所述的环氧树脂的软化点为6℃、环氧值为0.27，用作碳阳极材料中的粘接剂。

8.根据权利要求4所述的纳米镍质点增强的非石墨化导电碳阳极材料的制备方法，其特征是：步骤（5）中所述浸渍树脂为酚醛树脂，其软化点为62℃、残碳率为52 ％，用于提高碳阳极材料的浸渍效率。