CN103332669A - 以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的方法,包括以下步骤:1)先将反应系统进行钝化处理,再将预处理过的石墨或碳材料装入有循环通道的反应釜中;2)将氩气或氮气加入反应釜,并加氟气,获得氟氮或氟氩混合气,3)加热反应釜,设定并维持反应温度、反应压力,在内循环工况下反应1~70小时后停止加热;4)待反应釜冷却至室温取出氟化石墨或氟化碳。本发明还提供了一种用于上述以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的合成装置。本发明采用高氟浓度的氟氮混合气、钝化处理的反应系统、以远程电脑自动控制以及氟气内循环新工艺合成氟化石墨和氟化碳。本发明的成本低、安全性高、产量大、产物氟碳比精确控制。

Description

以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的方法
技术领域
本发明涉及氟化石墨或氟化碳的制备方法,具体地指一种以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的方法。
背景技术
氟化石墨是通过碳和氟(或氟化氢)直接反应而合成的一种石墨层间化合物,层间物质是氟原子,属共价型层间化合物。分子式用CFx表示,x为不定值,其范围在0~1.25之间。氟化石墨的合成方法大体可分为高温合成法(干法)及低温合成法(湿法)两种。
(1)高温合成法
反应温度在375℃至640℃间时,氟气可与石墨反应合成氟化石墨,且在此温度区间内,温度越高,产物的氟含量越高,在600摄氏度以上可得到氟碳比接近于1的产物。但副产物多,温度过高会造成氟化石墨分解,生成CF4等气态氟化物和无定型碳,干扰主反应。高温法合成氟化石墨反应一步完成,具有工艺过程简单的优点。但由于高温下,副产物多,产物易造成分解,甚至爆炸,且F2对设备的腐蚀性大,所以高温法合成的产物收率低,产量小,质量不易控制,过程的安全性差。
(2)低温合成法
低温合成法是将石墨经过盐酸、双氧水的浸泡处理后得到膨胀石墨,一定浓度的氟气和锑粉在封闭容器中反应后得到五氟化锑,将上述膨胀石墨放入封闭容器内抽真空,加温并保持恒温,再通入五氟化锑,反应后得到插层石墨;然后再把插层石墨放入封闭的反应炉中,通人氟气,反应后即制得氟化石墨。再经过无水氢氟酸或真空加热等发放处理使其中的非挥发性和挥发性氟化物脱离出来,得到高纯度的氟化石墨。此方法优点在于反应温度低,一般在400℃以下,反应过程安全,产率高,但工艺繁琐且生产周期长。
煅后石油焦、炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等碳素材料在高温下可与F2反应得到固体氟化碳产物。氟化碳具有良好的电化学性能,是锂一次电池的正极材料,在其他方面也有着广泛的应用。
从上述内容可以看出:现有的氟化石墨及氟化碳合成工艺都是用F2做氟化剂,市场上一般进行10%或20%氟浓度的氟氮混合气储存,运输及销售,反应都是在最高氟浓度20%的情况下进行的;F2有强腐蚀性,对设备寿命有影响;在高温下,F2易与石墨或其他碳素材料发生爆炸;F2的市场价格较高。
发明内容
本发明的目的就是要克服现有技术所存在的不足,提供一种以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的方法,解决现有工艺安全性差、产量低、质量差、氟碳比低的缺点。
为实现上述目的,本发明所提供的以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的方法,包括以下步骤:
1)先将反应系统进行钝化处理,再将预处理过的固体原料装入有循环通道的反应釜中,所述固体原料为石墨或碳材料;
2)将质量分数为98%以上的氩气或氮气加入反应釜,并加质量分数为98%以上的氟气,获得氟氮或氟氩混合气,
氟气的浓度根据下式计算:
yF2 + C → CFx(s)
0 < x < 1.25,x为氟碳比;
0.2 < y < 1,y为氟气浓度;
当0.2 < y < 0.6, 0 < x < 1,
当0.6 < y < 1,  1 < x < 1.25;
3)加热反应釜,设定并维持反应温度、反应压力,在内循环工况下反应1~70小时后停止加热;
4)待反应釜冷却至室温取出氟化石墨或氟化碳。
本发明步骤1)中,所述固体原料的预处理,是将固体原料在110℃下干燥24~72小时。整个反应系统需经过12~72小时钝化处理。所述反应系统加热至100~300℃,并用氮气或者氩气反复吹扫。所述反应釜为镍基合金或蒙乃尔合金。所述固体原料为石墨、煅后石油焦、炭黑、碳纤维、碳纳米管或石墨烯。
本发明步骤3)中,反应釜的温度300~500℃;反应釜内的压力为0.01~1MPa。
本发明中所用的氮气、氩气和氟气高纯气体,其质量分数为98%以上。
本发明采用高氟浓度的氟氮混合气代替低氟浓度的氟氮混合气、钝化处理的反应系统代替未经处理的反应设备、以远程电脑自动控制代替传统人工操作以及氟气内循环新工艺代替传统工艺,与不同碳素反应合成氟化石墨和氟化碳。
本发明还提供了一种用于上述以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的合成装置,它包括反应系统、配气系统、控制系统和尾气处理系统,所述反应系统包括反应釜、设置在反应釜外的加热器和与反应釜连接的尾气排放阀,所述配气系统包括氟气储罐、氮气储罐、用于连接氟气储罐与反应釜的氟气进气阀和用于连接氮气储罐与反应釜的氮气进气阀,所述尾气处理系统包括与尾气排放阀连接的尾气处理塔,所述尾气处理塔出口端通过循环排放阀与反应釜连接,所述控制系统为对反应釜、氟气进气阀、氮气进气阀、尾气排放阀和循环排放阀进行自动控制的中央处理控制系统。
本发明的有益效果在于:
1、成本低。使用98%高纯F2直接投入生产,大大降低了生产成本。
2、安全性高。使用高浓度的氟氮混合气,使反应的温度降低、反应的时间缩短、反应的压力降低;同时对反应釜和反应系统进行钝化处理,耐腐蚀性提升,过程的安全性提高;由电脑远程自动控制,排除人为操作不当的隐患。
3、产量大。单釜生产能力已达5吨/年。
4、产物氟碳比精确控制。使用不同碳素原料通过对氟浓度、反应温度、反应压力、反应时间的设定,可获得氟碳比在0~1.21之间的产物。
附图说明
图1为本发明用于制备氟化石墨或氟化碳的合成装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
图1所示的用于以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的合成装置,包括反应系统、配气系统、控制系统和尾气处理系统。反应系统包括反应釜1、设置在反应釜1外的加热器2和与反应釜1连接的尾气排放阀9。配气系统包括氟气储罐3、氮气储罐4、用于连接氟气储罐3与反应釜1的氟气进气阀7和用于连接氮气储罐4与反应釜1的氮气进气阀8。尾气处理系统包括与尾气排放阀9连接的尾气处理塔6,尾气处理塔6出口端通过循环排放阀10与反应釜1连接。控制系统为对反应釜1、氟气进气阀7、氮气进气阀8、尾气排放阀9和循环排放阀10进行自动控制的中央处理控制系统5。
本发明以下实施例中所用的高纯氮气、高纯氩气和高纯氟气的质量分数为98%。
实施例1
将石墨粉在110℃下干燥24小时后装入反应釜中,通入高纯氮气和高纯氟气,使氟气浓度为50%,反应温度保持在400℃,反应压力为0.05MPa,反应持续30小时。产品的氟碳比为0.61,收率为94%。
实施例2
将5公斤石墨烯在110℃下干燥36小时后装入反应釜中,通入高纯氮气和高纯氟气,使氟气浓度为60%,反应温度保持在450℃,反应压力为0.05MPa,反应持续40小时。产品的氟碳比为0.72,获得5.1公斤氟化石墨。
实施例3
将石墨粉在110℃下干燥40小时后装入反应釜中,通入高纯氮气和高纯氟气,使氟气浓度为80%,反应温度保持在450℃,反应压力为0.05MPa,反应持续40小时。产品的氟碳比为0.8,收率为97%。
实施例4
将20公斤石墨烯在110℃下干燥30小时后装入反应釜中,通入高纯氮气和高纯氟气,使氟气浓度为90%,反应温度保持在500℃,反应压力为0.05MPa,反应持续50小时。产品的氟碳比为1.1,获得23公斤氟化石墨。
实施例5
将煅后石油焦粉末在110℃下干燥58小时后装入反应釜中,通入高纯氮气和高纯氟气,使氟气浓度为80%,反应温度保持在450℃,反应压力为0.03MPa,反应持续50小时。产品的氟碳比为1.0,收率为97%。
实施例6
将15公斤煅后石油焦粉末在110℃下干燥70小时后装入反应釜中,通入高纯氮气和高纯氟气,使氟气浓度为80%,反应温度保持在500℃,反应压力为0.05MPa,反应持续60小时。产品的氟碳比为1.2,获得18公斤氟化碳。
实施例7
将煅后石油焦粉末在110℃下干燥65小时后装入反应釜中,通入高纯氮气和高纯氟气,使氟气浓度为90%,反应温度保持在500℃,反应压力为0.05MPa,反应持续60小时。产品的氟碳比为1.21,收率为99%。
实施例8
将炭黑粉末在110℃下干燥62小时后装入反应釜中,通入高纯氮气和高纯氟气,使氟气浓度为80%,反应温度保持在550℃,反应压力为0.05MPa,反应持续55小时。产品的氟碳比为1.0,收率为97%。
实施例9
将碳纳米管在110℃下干燥72小时后装入反应釜中,通入高纯氮气和高纯氟气,使氟气浓度为80%,反应温度保持在500℃,反应压力为0.05MPa,反应持续40小时。产品的氟碳比为1.0,收率为98%。
实施例10
将碳纤维在110℃下干燥42小时后装入反应釜中,通入高纯氮气和高纯氟气,使氟气浓度为90%,反应温度保持在500℃,反应压力为0.05MPa,反应持续40小时。产品的氟碳比为1.0,收率为98%。

Claims (8)

1.一种以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)先将反应系统进行钝化处理,再将预处理过的固体原料装入有循环通道的反应釜中,所述固体原料为石墨或碳材料;
2)将质量分数为98%以上的氩气或氮气加入反应釜,并加质量分数为98%以上的氟气,获得氟氮或氟氩混合气,氟气的浓度根据下式计算:
yF2 + C → CFx(s)
0 < x < 1.25,x为氟碳比;
0.2 < y < 1,y为氟气浓度;
当0.2 < y < 0.6, 0 < x < 1,
当0.6 < y < 1,  1 < x < 1.25;
3)加热反应釜,设定并维持反应温度、反应压力,在内循环工况下反应1~70小时后停止加热;
4)待反应釜冷却至室温取出氟化石墨或氟化碳。
2.根据权利要求1所述的以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的方法,其特征在于:步骤1)中,所述固体原料的预处理,是将固体原料在110℃下干燥24~72小时。
3.根据权利要求1所述的以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的方法,其特征在于:所述反应釜为镍基合金或蒙乃尔合金。
4.根据权利要求1所述的以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的方法,其特征在于:步骤1)中,整个反应系统需经过12~72小时钝化处理。
5.根据权利要求1所述的以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的方法,其特征在于:步骤1)中,所述反应系统加热至100~300℃,并用氮气或者氩气反复吹扫。
6.根据权利要求1所述的以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的方法,其特征在于:步骤3)中,反应釜的温度300~500℃;反应釜内的压力为0.01~1MPa。
7.根据权利要求1所述的以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的方法,其特征在于:所述固体原料为石墨、煅后石油焦、炭黑、碳纤维、碳纳米管或石墨烯。
8.一种用于权利要求1所述的以氟气内循环制备氟化石墨或氟化碳的合成装置,包括反应系统、配气系统、控制系统和尾气处理系统,其特征在于:所述反应系统包括反应釜(1)、设置在反应釜(1)外的加热器(2)和与反应釜(1)连接的尾气排放阀(9),所述配气系统包括氟气储罐(3)、氮气储罐(4)、用于连接氟气储罐(3)与反应釜(1)的氟气进气阀(7)和用于连接氮气储罐(4)与反应釜(1)的氮气进气阀(8),所述尾气处理系统包括与尾气排放阀(9)连接的尾气处理塔(6),所述尾气处理塔(6)出口端通过循环排放阀(10)与反应釜(1)连接,所述控制系统为对反应釜(1)、氟气进气阀(7)、氮气进气阀(8)、尾气排放阀(9)和循环排放阀(10)进行自动控制的中央处理控制系统(5)。
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Address after: 432405, Xiaogan City, Hubei province should be No. 1 Changjiang River port development avenue

Applicant after: Hubei Zhuoxi Fluorination Technology Co., Ltd.

Address before: 432405, Xiaogan City, Hubei province should be No. 1 Changjiang River port development avenue

Applicant before: Xie Zizhuo

C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C53 Correction of patent of invention or patent application
CB02 Change of applicant information

Address after: 432405, Xiaogan City, Hubei province should be No. 1 Changjiang River port development avenue

Applicant after: HUBEI ZHUOXI FLUOROCHEMICAL CO., LTD.

Address before: 432405, Xiaogan City, Hubei province should be No. 1 Changjiang River port development avenue

Applicant before: Hubei Zhuoxi Fluorination Technology Co., Ltd.

C12 Rejection of a patent application after its publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20131002