Способ получения углеродного материала

Изобретение относится к области получения углеродных материалов и предназначено для использования в качестве электродов в электрохимических конденсаторах. Технический результат - повышение электропроводности и электрической емкости углеродного материала. Способ получения углеродного материала включает структурное формирование материала из вискозных нитей, его отмывку и пропитку, карбонизацию материала, последующую его графитацию и активацию. Согласно изобретению структуру материала формируют в виде тканой ленты на базе атласного переплетения из нитей различной линейной плотности. 7 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к способу получения углеродного материала, а именно, в виде тканых лент, которые могут быть использованы в качестве электродов при изготовлении электрохимических конденсаторов.

Известен способ получения углеродного материала в виде тканого полотна саржевого переплетения, состоящего из вискозных нитей одинакового Текса по основе и утку (Патент РФ № 2000360, по кл. D 01 F 11/16, 1993 г.).

Известно, что мощность электрохимических конденсаторов и ряд других электрических характеристик зависит от числа электродов, входящих в изделие. При уменьшении толщины углеродного материала количество электродов в изделии увеличивается, что приводит к уменьшению внутреннего сопротивления и соответственно повышает мощность конденсатора.

Недостатком указанного способа является то, что при использовании нитей одинакового (192) Текса в основе и утке и применении саржевого переплетения при выработке суровой ткани на ткацком станке нельзя получить тонкий углеродный материал с большой емкостью и малым сопротивлением из-за рельефности (“бугров”) рисунка указанного переплетения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ получения углеродного материала, включающий структурное формирование материала из вискозных нитей, его отмывку и пропитку, карбонизацию материала, последующую его графитацию и активацию (Патент Белоруссии № 2136, по кл. D 04 H 1/42, 1998 г.)

В известном способе формируют тканое полотно саржевого переплетения.

В известном способе полотно из вискозных нитей карбонизуют при повышении температуры от 240 до 630°С со скоростью Юм/час.

После карбонизации проводят либо активацию в течение 15-50 минут, либо графитацию в течение 7-20 минут при температуре 2200-2300°С.

В случае, когда материал активируют, получается материал с большой удельной поверхностью и низкой электропроводимостью.

В случае, когда материал подвергают графитации, получается материал с высокой электропроводностью, однако имеющий очень малую величину электрической емкости, что делает его практически непригодным для применения в составе электрохимических конденсаторов.

Технический результат- получение тонкого углеродного материала в виде тканой ленты с высокимим электропроводностью и электрической емкостью.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения углеродного материала, включающем структурное формирование материала из вискозных нитей, отмывку и пропитку, карбонизацию материала, последующие графитацию и активацию, структуру материала формируют в виде тканой ленты на базе атласного переплетения из нитей различной линейной плотности.

В частном случае выполнения способа линейная плотность нити в основе больше линейной плотности нити в утке.

Линейная плотность нити в основе на 10-50% больше линейной плотности нити в утке.

Это позволяет получить более плотный и тонкий углеродный материал с высокими показателями по удельной электрической емкости и низкими показателями по удельному сопротивлению.

Изобретение характеризуется тем, что после формирования тканой ленты ее отмывают в ацетоновой среде.

Изобретение характеризуется тем, что карбонизацию производят в печах при температуре 400-800°С и скорости движения ленты 8-12 м/час, а графитирование тканой ленты при температуре 800-1300°С и скорости движения ленты 25-40 м/час и активизацию при температуре 750-900°С и скорости движения ленты 38-45 м/час.

Предлагаемый способ позволяет уменьшить затраты ручного труда и повысить производительность труда при изготовлении электрохимических конденсаторов за счет возможности создания механизированных и автоматизированных поточных линий по сборке конденсаторов.

Известно, что для сборки конденсаторов используют ленту шириной разных размеров, для чего тканое углеродное полотно расстилают на длинных раскройных столах, выравнивают его и, чтобы не осыплись кромки, накладывают на поверхности полотна параллельные полоски из полиэтилена с шагом, равным (в зависимости от габаритов конденсатора) ширине ленты. Тканая лента, полученная предлагаемым способом, не обладает этим недостатком.

В известном ранее тканом углеродном полотне саржевого переплетения при его резке на ленты происходит осыпание их краев, что приводит к перекосам ленты при сборке конденсаторов.

Этот недостаток отсутствует в предлагаемом углеродном материале атласного переплетения.

Углеродный материал в виде тканых лент, полученных предлагаемым способом безопасен в работе, т.к. в нем отсутствуют выступающие концы нитей по утку и основе ("бахрома") обрезанных лент, которые при касании друг с другом приводят к замыканию электродов конденсатора и выводят его из строя.

В результате проведенных экспериментов установлено, что углеродный материал в виде тканых лент, с заданными свойствами, может быть получен предлагаемым способом только при указанных режимах выполнений его операций.

В случае, если хоть один из указанных режимов выходит за указанные пределы, то необходимые характеристики материала не будут достигнуты, т.е. технический результат в изобретение не будет получен.

Это позволяет сделать вывод о том, что указанные параметры режимов операций способа относятся к существенным признакам данного изобретения.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а следовательно, данное изобретение соответствует критерию “новизна”.

Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, а следовательно, предложенное решение соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.

Лучший пример способа получения углеродного материала в виде тканых лент.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Сначала на ткацком оборудовании на базе атласного переплетения осуществляют структурную подготовку тканой ленты из вискозных нитей, состоящей из повышенного (195) Текса в основе и уменьшенного (90) Текса в утке.

Затем осуществляют промывку и пропитку тканой ленты в ацетоновой среде и в антиперене.

Последующую карбонизацию тканых лент проводят в печах при температуре 400-800°С и скорости движения ленты 8-12 м/час.

Затем проводят высокотемпературную обработку (графитацию) тканых лент при температуре 800-1300°С и скорости движения ленты 25-40 м/час с последующей активацией карбонизированной ленты при температуре 750-900°С и скорости движения ленты 38-45 м/час.

Углеродный материал в виде тканой ленты, полученный из вискозных нитей различной линейной плотности и обработанный по указанному технологическому режиму, отвечает всем необходимым требованиям для получения высоких показателей по удельной электроемкости и низких показателей по удельному сопротивлению, что существенно увеличивает мощность и другие электрические характеристики конденсаторов. Это подтверждает таблица 1.

Влияние температурного режима и скорости движения тканой вискозной ленты на электрические характеристики углеродного материала

Как указывалось выше, полученный углеродный материал, полученный из вискозных нитей с одинаковой линейной плотностью, т.е. одинаковым Тексом в основе и утке: саржевого, полотняного и сатинового переплетения при одной и той же поверхностной плотности, получается более "толстым" по сравнению с атласным переплетением из-за рельефности ("бугров") своего рисунка, которые не дают возможности увеличить количество электродов в изделии. Получение углеродного материала в виде тканой ленты из вискозных нитей атласного переплетения в сочетании повышенного Текса в основе и уменьшенного Текса в утке существенно изменяет толщину ленты и улучшает другие электрические показатели, разница которых хорошо видна в таблице 2.

Таблица 2
Переплетение	Линейная плотность Текс	Поверхностная плотность, г/м2	Толщина углеродной ленты, мм	Удельная емкость, Ф/см3	Удельное сопротивление. Ом/см
	Основа	Уток
I вариант
Саржа	192	192	200	0,32-0,4	78-82	0,048-0,054
Полотняное	192	192	200	0,35-0,5	78-82	0,048-0,057
Сатин	192	192	200	0,32-0,4	80-90	0,045-0,052
Атлас	192	192	200	0,3-0,35	90-95	0,040-0,045
II вариант
Саржа	195	90	160-170	0,30-0,35	80-82	0,045-0,048
Полотняное	195	90	160-170	0,30-0,35	80-82	0,045-0,048
Сатин	195	90	160-180	0,29-0,32	80-92	0,032-0,045
Атлас	195	90	160-180	0,24-0,26	98-110	0,022-0,026

Из таблицы 2 видно, что изменение соотношения линейной плотности (Текса) пряжи между основой и утком примерно на 10-50% резко уменьшает толщину углеродного материала и, как отмечалось выше, увеличивает удельную емкость и уменьшает удельное сопротивление.

Кроме того, повышение Текса основы и уменьшение его в утке повышает прочность углеродной ленты, улучшает прохождение технологического процесса, исключает порывы ленты при прохождении ее по валкам печей во время карбонизации, графитации и активации.

1. Способ получения углеродного материала, включающий структурное формирование материала из вискозных нитей, его отмывку и пропитку, карбонизацию материала, последующую его графитацию и активацию, в котором структуру материала формируют в виде тканой ленты на базе атласного переплетения из нитей различной линейной плотности.

2. Способ по п.1, в котором линейная плотность нити в основе больше линейной плотности нити в утке.

3. Способ по п.1 или 2, в котором линейная плотность нити в основе на 10-50% больше линейной плотности нити в утке.

4. Способ по п.1, в котором после формирования структуры ее отмывают в ацетоновой среде.

5. Способ по п.1, в котором после отмывки материал пропитывают в антипирене.

6. Способ по п.1, в котором карбонизацию производят в печах при температуре 400-800°С и скорости движения ленты 8-12 м/ч.

7. Способ по п.1, в котором графитируют материал при температуре 800-1300°С и скорости движения ленты 25-40 м/ч.

8. Способ по п.1, в котором активацию производят при температуре 750-900°С и скорости движения ленты 38-45 м/ч.