CN104451623B - 形稳阳极电极连续制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及形稳阳极电极制备技术领域，特别涉及工序简单、重现性好的形稳阳极电极连续制备装置及方法。该形稳阳极电极连续制备装置包括控制系统、传送组件、成膜组件、热加工组件、淬火组件以及清洁组件。控制系统用于控制其他组件；传送组件包括传送转盘、轴辊以及步进电机，用于将钛极板在各组件工位之间传送；成膜组件用于对钛极板进行镀膜；热加工组件用于烘干焙烤钛极板；淬火组件用于对钛极板进行快速降温并吹去附着在钛极板表面的杂质；清洁组件用于对钛极板进行进一步的清洁。

Description

形稳阳极电极连续制备装置及方法

技术领域

本发明涉及形稳阳极电极制备技术领域，特别涉及自动化控制的形稳阳极电极连续制备装置及方法。

背景技术

钛基涂层电极一般被称为形稳阳极(dimensionally stable anode,DSA)。从上个世纪60年代，钛基涂层电极被研制成功以来，这一类电极已经发展成为金属氧化物电极的最主要的形式。DSA电极的出现克服了传统的金属电极、石墨电极、铅基合金电极等存在的不足，成为目前电催化研究的重要选择。形稳阳极电极的耐蚀性和电化学性能类似或胜过铂电极，但价格要便宜很多，此外，与其它阳极材料相比较，形稳阳极电极具有如下优点：

(1)形稳阳极电极材料消耗率低，可代替笨重、高能耗的高硅铁阳极和铅-银合金阳极；

(2)形稳阳极电极的电催化活性高，可承受较大的阳极电流密度和较低的电源输出电压；

(3)廉价的金属氧化物替代物可节约贵金属资源；

(4)便于加工，形貌可调，电极老化后基体材料可再次重复使用。

形稳阳极电极优异的稳定性和催化活性来自于其表面氧化物涂层。目前，形稳阳极电极中氧化物涂层的成分主要为SnO₂、PbO₂、Sb₂O₅、RuO₂、IrO₂、MnO₂、Ta₂O₅等或它们之中两种或两种以上的复合物。目前，形稳阳极电极的制备方法主要有溅射法、喷雾热解法、电沉积法、溶胶-凝胶法等。

溅射法是在低气压下，让离子在强电场的作用下轰击膜料，使表面原子相继逸出，沉积在载体上从而形成薄膜的方法。溅射法能形成致密、附着力强的薄膜，但设备昂贵，成本高，不适于制备大面积的薄膜。喷雾热解法是用于在基板上镀各种功能薄膜的有效方法，其过程是将含金属离子的溶液经雾化喷向热基板，随着溶剂挥发，溶质在基板上反应(热分解反应)而形成薄膜。喷雾热解法工艺设备简单，沉积速率高，易实现工业生产，但是，喷雾热解法不容易制备光滑、致密的薄膜，在沉积过程中，薄膜中易带入外来杂质。电沉积法很容易进行精确控制，可制备出所要求的晶粒尺寸、组成及结构，该法可方便地改变沉积液配方和沉积条件，控制镀层的结构和性能，缺点是工序较为复杂，在较大面积的电极上沉积困难。更重要的是，上述三种方法对加工设备的要求较高，难以在实验室实现，因此，目前在实验室评价电极性能时，多采用溶胶凝胶法制备形稳阳极电极。

溶胶-凝胶法从金属的有机化合物的溶液出发，在溶液中通过化合物的水解、聚合，把溶液制成溶有金属氧化物或氢氧化物微粒子的溶胶液，进一步反应使之凝胶化，再将凝胶加热，可获得所需的金属氧化物。溶胶-凝胶法具有低温操作的优点，能够严格地控制掺杂量的准确性，并且能克服其他方法在制备大面积薄膜时的困难，容易进行大的、形状复杂的基质覆盖，并且成本低，是一种较有前途的制备技术。因其对设备要求低、配方控制灵活、制备因素可调，因此，被广泛选用为实验室形稳阳极电极制备方法。

现有的溶胶-凝胶法制备技术也存在一定缺陷。由于操作人员的不确定性，可能导致同样的合成工艺制备所得的形稳阳极电极的性能出现较大差异。实际上，由于人为因素的不可控性，同一批操作者制备所得的不同批次电极也可能出现较大的性能变异。此外，溶胶-凝胶法对涂层厚度的控制往往较为随意。为保证涂层均匀平整，常采用多次涂覆，重复焙烧的方法。一片电极的涂覆-焙烧次数通常为20次～40次，单次周期约为2～3小时，耗费大量工时，操作繁琐且无法保证不同处理周期之间的一致性，导致形稳阳极电极的重现性较差，严重影响了实验室评价和后续改性工作的开展。

为克服溶胶-凝胶法存在的上述问题，快速稳定高效地实现形稳阳极电极的制备，规范形稳阳极电极统一的制备标准和规范，减少了科技工作者的工作量，促进形稳阳极电极制备技术的发展，因此，亟待开发替代人为操作的用于实验室快速评价的微电脑控制形稳阳极电极连续制备装置，以实现形稳阳极电极制备的自动化、规范化、稳定化，更好的为实验室研究服务。

发明内容

本发明是鉴于现有技术中存在的上述问题而做出的，本发明的目的在于提供一种工序简单、重现性好的形稳阳极电极连续制备装置。

本发明的另一目的是提供一种工序简单、重现性好的形稳阳极电极连续制备方法，该方法利用上述的形稳阳极电极连续制备装置实现。

为了实现上述目的，本发明第一技术方案的形稳阳极电极连续制备装置，其特征在于，包括控制系统、传送组件、成膜组件、热加工组件、淬火组件以及清洁组件，

所述传送组件包括传送转盘、轴辊以及步进电机，用于将钛极板在成膜组件工位、热加工组件工位、淬火组件工位以及清洁组件工位之间传送，所述步进电机通过所述轴辊驱动所述传送转盘转动；

所述成膜组件用于对由所述传送组件传送至所述成膜组件工位的所述钛极板进行镀膜；

所述热加工组件用于对由所述传送组件传送至所述热加工组件工位的所述钛极板进行烘干焙烤；

所述淬火组件用于对由所述传送组件传送至所述淬火组件工位的钛极板进行降温并吹去附着在钛极板表面的杂质；

所述清洁组件用于对由所述传送组件传送至所述清洁组件工位的钛极板进行清洁；

所述控制系统用于控制所述传送组件、所述成膜组件、所述热加工组件、所述淬火组件以及所述清洁组件。

通过第一技术方案，由于采用廉价的装置组合，以机械过程代替了人工操作，实现形稳阳极电极镀膜工艺的自动化操作，避免了实验操作人员繁琐的工作，减低了人工劳动量。

本发明的第二技术方案的形稳阳极电极连续制备装置，在第一技术方案的基础上，进一步地，所述热加工组件、所述淬火组件以及所述清洁组件沿所述传送转盘的转动方向顺次设置。

通过第二技术方案，由于采用顺次设置的热加工组件、淬火组件以及清洁组件，通过传送转盘的转动实现钛极板在不同组件工位之间的传送，从而实现形稳阳极电极的连续制备。

本发明的第三技术方案的形稳阳极电极连续制备装置，在第一技术方案的基础上，进一步地，所述成膜组件包括镀膜槽、可调升降台以及第一电机，所述镀膜槽固定于所述可调升降台上，用于盛放镀膜液，所述第一电机连接所述可调升降台的轴杆以控制所述可调升降台升起或降下所述镀膜槽。

本发明的第四技术方案的形稳阳极电极连续制备装置，在第三技术方案的基础上，进一步地，所述成膜组件进一步包括储液罐，该储液罐通过输液胶管与所述镀膜槽连通。

通过第三、第四技术方案，由于采用可自动控制升降的镀膜槽以及利用镀膜槽与储液罐之间镀膜液的虹吸作用，克服了人为因素的不可控性，提高不同批次之间形稳阳极电极制备的工艺稳定性，提高不同批次制备的形稳阳极电极的重现性和涂层质量稳定性。

本发明的第五技术方案的形稳阳极电极连续制备装置，在第一技术方案的基础上，进一步地，所述热加工组件为电加热炉。

本发明的第六技术方案的形稳阳极电极连续制备装置，在第一技术方案的基础上，进一步地，所述淬火组件为风机。

本发明的第七技术方案的形稳阳极电极连续制备装置，在第一技术方案的基础上，进一步地，清洁组件包括清洁网圈以及第二电机，该清洁网圈套装在该第二电机外部。

本发明的第八技术方案的形稳阳极电极连续制备装置，在第七技术方案的基础上，进一步地，所述清洁网圈为尼龙网圈。

通过第八技术方案，由于采用耐磨耐腐蚀的尼龙网圈对镀膜后的钛极板进行进一步的清洁，延长清洁组件的使用时间，且避免对表面涂层的划伤，保持镀膜表面稳定。

本发明的第九技术方案的形稳阳极电极连续制备装置，在第一技术方案的基础上，进一步地，该装置进一步包括系统支架，所述传送转盘、所述轴辊和所述步进电机安装在所述系统支架中央。

本发明的第十技术方案的形稳阳极电极连续制备方法，利用上述任一技术方案中的形稳阳极电极连续制备装置实现，包括以下步骤：

钛极板固定步骤，将钛极板垂直固定于所述传送转盘的钛极板固定臂上；

控制系统开启步骤，开启所述控制系统，设定工艺参数；

提拉镀膜步骤，通过所述传送组件传送所述钛极板至所述成膜组件工位进行提拉镀膜；

热加工步骤，通过所述传送组件传送所述钛极板至所述热加工组件工位，烘干焙烤所述钛极板；

淬火步骤，通过所述传送组件传送所述钛极板至所述淬火组件工位，淬火降温热加工后的所述钛极板并吹去附着在钛极板表面的杂质；

清洁步骤，通过所述传送组件传送所述钛极板至所述清洁组件工位，对所述钛极板进行进一步清洁；

重复上述操作步骤，完成不同电极制备；以及

焙烤步骤，通过所述传送组件将镀膜后的所有钛极板传送至所述热加工组件工位进行焙烤。

本发明的第十一技术方案的形稳阳极电极连续制备方法，在第十技术方案的基础上，进一步地，所述提拉镀膜步骤中，提拉速度为20～50mm/min，提拉时间为5～10min。

本发明的第十二技术方案的形稳阳极电极连续制备方法，在第十或十一技术方案的基础上，进一步地，所述热加工步骤中，烘干温度为130℃～170℃，烘干时间为5～15min，焙烤温度为300～550℃，焙烤时间为15～60min。

通过上述的形稳阳极电极连续制备方法的技术方案，以机械过程代替人工操作过程，以微电脑控制的一键式操作控制整个工艺过程，以软件控制的工艺参数设定，实现形稳阳极电极的连续制备，避免人为因素的不可控性，保证不同批次之间形稳阳极电极制备的工艺稳定性，提高不同批次制备的形稳阳极电极的重现性和涂层质量稳定性。

有益效果：

1.本发明利用传送转盘以及廉价的组合装置实现了形稳阳极电极镀膜工艺的自动化操作，避免了实验操作人员繁琐的工作，减低了人工劳动量；

2.本发明以机械过程代替了人工操作，以微电脑控制的一键式操作可大批量连续制备形稳阳极钛极板，保证了不同批次之间形稳阳极电极制备的工艺稳定性，提高了不同批次制备的形稳阳极电极的重现性；

3.本发明中工艺参数以软件控制的方式实现，简单直接明确，避免了不同人员操作过程的经验性和随意性。

附图说明

为更清楚地说明本发明的具体实施方式，下面对具体实施方式部分的描述中使用到的附图作简单说明。

图1为本发明的第一实施例中的形稳阳极电极连续制备装置的结构示意图。

图2为本发明的形稳阳极电极连续制备装置中控制系统的控制端软件运行时的操作界面图。

其中，附图标记说明如下：

1微电脑主机，2多路继电器，3数据线缆，4传送转盘，5轴辊，6步进电机，7系统支架，8镀膜槽，9-镀膜溶液，10输液胶管，11储液罐，12可调升降台，13电机，14电加热炉，15风机，16清洁网圈，17电机，18钛极板，19钛极板固定臂。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面，结合附图对本发明的具体的实施方式进行详细描述。

第一实施例

如图1所示，一种形稳阳极电极连续制备装置的主体结构包括控制系统、传送组件、成膜组件、热加工组件、淬火组件、清洁组件以及系统支架7。控制系统包括微电脑主机1、多路继电器2以及数据线缆3，传送组件包括传送转盘4、轴辊5以及步进电机6，成膜组件包括镀膜槽8、储液罐11、可调升降台12以及第一电机13，热加工组件为电加热炉14，淬火组件为风机15，清洁组件包括清洁网圈16及第二电机17。第一电机13和第二电机17可以为任何类型的电机，优选轴流电机。风机15可以为任何类型的风机，优选为轴流风机。

控制系统通过安装于微电脑主机1内的控制端软件控制传送组件、成膜组件、热加工组件、淬火组件以及清洁组件，如图2所示为该控制端软件运行时的操作界面图。传送组件、热加工组件、淬火组件以及清洗组件均安装于系统支架7上。步进电机6、第一电机13、电加热炉14、风机15、第二电机17的供电电路和控制电路均通过系统支架7的内部空腔分布，并统一连接于多路继电器2的不同控制位，微电脑主机1通过USB连接多路继电器2的不同控制位进行通断控制，实现不同组件的启动、停止、功率调节和正转反转控制。

传送组件用于将钛极板18在成膜组件工位、热加工组件工位、淬火组件工位以及清洁组件工位之间传送。传送转盘4、轴辊5以及步进电机6安装在系统支架7中央，步进电机6通过轴辊5驱动传送转盘4逆时针转动。传送转盘4上具有用于固定钛极板的多个钛极板固定臂19。

热加工组件、淬火组件以及清洁组件沿传送转盘4的转动方向顺次设置。

成膜组件设置于系统支架7下方，用于对由传送组件传送至成膜组件工位的钛极板18进行镀膜。镀膜槽8固定于可调升降台12上并置于系统正下方，用于盛放镀膜液9，第一电机13连接可调升降台12的轴杆以控制可调升降台12升起或降下镀膜槽8，储液罐11通过输液胶管10与镀膜槽8连通。

电加热炉14固定于系统支架7的中央顶部，当传动转盘4传送镀膜后的钛极板18至电加热炉14工位时，电加热炉14对由传送组件传送至热加工组件工位的钛极板18进行烘干焙烤。

淬火组件用于对由传送组件传送至淬火组件工位的钛极板18进行降温并吹去附着在钛极板表面的杂质。风机15固定于系统支架7的左侧立柱上部，风机15与传送转盘4的轴心连线与地面成30度夹角。

清洁组件用于对由传送组件传送至清洁组件工位的钛极板18进行清洁。清洁网圈16与第二电机17对应固定于所述系统支架的左侧立柱下部，第二电机17与传送转盘4的轴心连线与地面成30度夹角。清洁网圈16，优选尼龙网圈，套装在第二电机17外部，在第二电机17的带动下对钛极板18进行清洁。

第二实施例

第二实施例为第一实施例的变形例，与第一实施例的区别在于风机15固定于系统支架7的右侧立柱上部，风机15与传送转盘4的轴心连线与地面成30度夹角。清洁网圈16与第二电机17对应固定于所述系统支架的右侧立柱下部，第二电机17与传送转盘4的轴心连线与地面成30度夹角。由于风机15、清洁网圈16(优选尼龙网圈)与第二电机17固定于所述系统支架的右侧立柱上，传送转盘4在步进电机6的驱动下顺时针转动。

其他部件及其连接关系和作用与第一实施例相同，在此不做赘述。

第三实施例

采用第一实施例中的形稳阳极电极连续制备装置连续制备形稳阳极电极的方法。

钛极板固定步骤，镀膜操作开始前，将长宽均小于25cm，厚度小于20mm，优选20cm×20cm×10mm的钛极板18垂直固定于传送转盘4的钛极板固定臂19上，并注意钛极板18平面与传送转盘4的边沿平齐。

控制系统开启步骤，开启所述控制系统，运行微电脑主机1中的控制端软件，设定如图2所示的包括提拉时间、提拉速度、烘干时间、烘干温度、焙烧时间、焙烧温度、淬火时间、风扇转速、清洗时间等工艺参数，并启动该控制端软件。

提拉镀膜步骤，开启步进电机6，带动轴辊5逆时针旋转传送转盘4并传送钛极板18至成膜组件工位的镀膜槽8位置，控制端软件自动启动第一电机13转动，推动可调升降台12上升，带动盛有镀膜溶液9的镀膜槽8升起，直至镀膜溶液9液面与钛极板18上沿平齐的位置。镀膜溶液9为含15％(重量百分比，以下同)氯化锡，2.0％氯化锑，1.5％柠檬酸的正丁醇溶液，由于虹吸作用，镀膜溶液9通过输液胶管10缓慢回流到储液罐11中，并完成提拉镀膜操作。控制端软件控制第一电机13反转，可调升降台12下降，从而将钛极板18从镀膜槽8中释放出来。提拉镀膜步骤中，提拉速度为20～50mm/min,优选20mm/min，提拉时间为5～10min，优选5min。

热加工步骤，在传送转盘4带动下，传送组件传送钛极板18至热加工组件即电加热炉14工位，微电脑主机1控制电加热炉14保持在130～170℃，优选150℃，持续15min，迅速升温至300～550℃，优选500℃，并保持15min，烘干焙烤钛极板18。

淬火步骤，在传送转盘4带动下，传送组件传送钛极板18进入淬火组件即风机15(轴流风机或其他类型风机)工位，此时微电脑主机1控制风机15转动，并控制风机15转速为10000～18000rpm，优选15000rpm，迅速为热加工后的钛极板18淬火降温并吹去钛极板18表面附着的碳化灰分及其他杂质，淬火时间5min。

清洁步骤，在传送转盘4带动下，传送组件传送钛极板18进入清洁组件工位，微电脑主机1控制第二电机17转动，转速为50～200rpm，优选100rpm，带动套装在第二电机17外部的清洁网圈16，优选尼龙网圈，对钛极板18进行清洁并保持镀膜表面稳定，清洁时间5min，从而完成第一次镀膜操作。

在传送转盘4带动下，传送组件传送不同的钛极板18，重复上述操作步骤，完成不同电极制备。

焙烤步骤，待所有镀膜操作结束后，在传送转盘4带动下，传送组件依次传送转盘架上所有钛极板18进入热加工组件即电加热炉14工位，在300～550℃，优选500℃下焙烧2h，最终完成形稳阳极电极的连续制备。

这样的形稳阳极电极连续制备方法，以机械过程代替人工操作过程，以微电脑控制的一键式操作控制这个工艺过程，以软件控制的工艺参数设定，实现形稳阳极电极的连续制备，避免人为因素的不可控性，保证不同批次之间形稳阳极电极制备的工艺稳定性，提高不同批次制备的形稳阳极电极的重现性和涂层质量稳定型。

以上所述的具体实施方式仅用于具体说明本发明的精神，本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过变更、置换或变型的方式轻易做出其它的实施方式，这些其它的实施方式都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种形稳阳极电极连续制备装置，其特征在于，包括控制系统、传送组件、成膜组件、热加工组件、淬火组件、清洁组件以及系统支架，

所述传送组件包括传送转盘、轴辊以及步进电机，用于将钛极板在成膜组件工位、热加工组件工位、淬火组件工位以及清洁组件工位之间传送，所述步进电机通过所述轴辊驱动所述传送转盘转动；

所述成膜组件包括镀膜槽、可调升降台、储液罐以及第一电机，所述镀膜槽固定于所述可调升降台上，用于盛放镀膜液，所述第一电机连接所述可调升降台的轴杆以控制所述可调升降台升起或降下所述镀膜槽，所述储液罐通过输液胶管与所述镀膜槽连通，所述成膜组件用于对由所述传送组件传送至所述成膜组件工位的所述钛极板进行镀膜；

所述热加工组件为电加热炉，所述热加工组件用于对由所述传送组件传送至所述热加工组件工位的所述钛极板进行烘干焙烤；

所述淬火组件为风机，所述淬火组件用于对由所述传送组件传送至所述淬火组件工位的钛极板进行降温并吹去附着在钛极板表面的杂质；

所述清洁组件包括清洁网圈以及第二电机，该清洁网圈套装在该第二电机外部，所述清洁组件用于对由所述传送组件传送至所述清洁组件工位的钛极板进行清洁；

所述控制系统用于控制所述传送组件、所述成膜组件、所述热加工组件、所述淬火组件以及所述清洁组件；

所述传送转盘、所述轴辊和所述步进电机安装在所述系统支架中央。

2.如权利要求1所述的形稳阳极电极连续制备装置，其特征在于，所述热加工组件、所述淬火组件以及所述清洁组件沿所述传送转盘的转动方向顺次设置。

3.如权利要求2所述的形稳阳极电极连续制备装置，其特征在于，所述清洁网圈为尼龙网圈。

4.一种形稳阳极电极的连续制备方法，其特征在于，利用权利要求1-3中任一所述的形稳阳极电极连续制备装置实现，包括以下步骤：

钛极板固定步骤，将钛极板垂直固定于所述传送转盘的钛极板固定臂上；

控制系统开启步骤，开启所述控制系统，设定工艺参数；

提拉镀膜步骤，通过所述传送组件传送所述钛极板至所述成膜组件工位进行提拉镀膜，提拉速度为20～50mm/min，提拉时间为5～10min；

热加工步骤，通过所述传送组件传送所述钛极板至所述热加工组件工位，烘干焙烤所述钛极板，其中烘干温度为130～170℃，烘干时间为5～15min，焙烤温度为300～550℃，焙烤时间为15～60min；

淬火步骤，通过所述传送组件传送所述钛极板至所述淬火组件工位，淬火降温热加工后的所述钛极板并吹去附着在钛极板表面的杂质；

清洁步骤，通过所述传送组件传送所述钛极板至所述清洁组件工位，对所述钛极板进行进一步清洁；

重复上述操作步骤，完成不同电极制备；以及

焙烤步骤，通过所述传送组件将镀膜后的所有钛极板传送至所述热加工组件工位进行焙烤。