CN115448288A - 一种碳棒电极和制备方法及其应用 - Google Patents

一种碳棒电极和制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及空气净化领域，具体涉及一种碳棒电极和制备方法及其应用，其中，一种碳棒电极的制备方法，包括：获取由碳纤维构成的碳棒，将碳棒在800℃‑1200℃条件下进行10h以上的热处理。本发明所提供的碳棒电极在水雾离子发生装置的应用中不仅可以虹吸更多的水分，从而电离产生更多的氢氧根离子，增强杀菌效果，还不会造成材料本身的氧化侵蚀和污染物的附着，进而避免了对空气的二次污染，提高了使用寿命。

Description

一种碳棒电极和制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及空气净化领域，具体涉及一种碳棒电极和制备方法及其应用。
背景技术
空调在使用一段时间后，过滤器、蒸发器、散热器和通风系统上都会积聚大量的灰尘、污垢，容易滋生大量的霉菌、细菌、病毒以及螨虫，在空调工作时，这些有害物质就会很快分散到室内空气中，使空气细菌含量上升，长期在这种环境中生活，人们极易出现头晕、乏力、感冒等“空调病”症状和感染各种疾病的机会，严重影响了广大消费者的身体健康，而污垢同时还会降低空调器的制热、制冷效率，增加能耗，缩短空调器使用寿命。
现有的空调器采用拦截式过滤、惯性和扩散式过滤、静电式过滤、化学式过滤等净化技术，对空气实现净化杀菌。这些净化技术均有一个致命的缺点，由于在一定时间的拦截污染空气后，所用的拦截材料都会积满污染物，导致净化效果和杀菌效果大打折扣，甚至失效。虽可清洗更换，但工作烦琐，且极易产生二次污染。
离子发生器通过高压可进行放电，进而产生正离子或负离子，通过离子实现对空气的净化作用。而离子发生器的形式有多种多样，比如有水雾离子发生器、电离子发生器等。其中，水雾离子发生器通过高压电可以将水分解产生水雾离子，进而对流经出风口的空气进行杀菌净化。
市场现有水雾离子发生器的发射针材料中同时包括用于导水的亲水材料和用于导电的导电材料，而常规采用的导电材料为不锈钢针，不锈钢针本身不具有吸水性，只能通过冷凝制水，或者通过亲水材料将水输送到不锈钢针上，再通电使不锈钢针上的水电离产生氢氧根离子，其产生的氢氧根离子的量微乎其微，杀菌净化效果有限。另外，在使用过程中，不锈钢针还容易被氧化侵蚀，导致表面产生附着物，极易对空气造成二次污染。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中水雾离子发射针容易氧化侵蚀和水雾离子释放速率低的缺陷，从而提供解决上述问题的一种碳棒电极和制备方法及其应用。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种碳棒电极的制备方法，包括：获取由碳纤维构成的碳棒，将碳棒在800℃-1200℃条件下进行10h以上的热处理。
优选的，所述碳棒电极的密度为0.6g/cm3-0.9g/cm3，即所述碳棒电极的密度可以为0.6g/cm3、0.7g/cm3、0.8g/cm3或0.9g/cm3；所述碳棒电极的电阻≤5Ω；电阻率≤0.001Ω·m。
优选的，所述热处理在保护气氛下进行，所述保护气氛为氮气、氩气或氢气。
优选的，在热处理之后，还包括对热处理后的碳棒进行酸浸泡。
优选的，所述酸为硫酸；所述酸的质量百分比浓度为≥70％；所述酸浸泡处理时长为6h以上。
优选的，所述热处理前还对碳棒进行切割、打磨、去除毛刺、清除杂质、烘干处理；
所述酸浸泡处理后还进行清洗处理。
优选的，所述打磨步骤中，采用倒角机将切割后的碳棒打磨至顶端成半球形；
所述清除杂质的步骤中，采用清水进行处理；
所述酸浸泡的步骤中，同时采用超声进行处理；
所述酸浸泡后的清洗步骤中，采用纯净水和/或酒精进行处理。
优选的，所述碳纤维的规格为T300-3K。
本发明还提供一种碳棒电极，其由上述的一种碳棒电极的制备方法制备得到。
本发明还提供上述的一种碳棒电极在水雾离子发生装置中的应用。
本发明首先对碳纤维原材料进行切割成段，随后用倒角机打磨顶端至半球形，再统一去除材料毛刺，提高表面光滑度，并用清水清洗、烘干，从而去除材料表面的杂质，随后在800℃-1200℃条件下热处理10h以上，并通过酸浸泡6h以上，最后用纯净水和/或酒精处理，制备得到内部具有大量孔隙的碳棒电极。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的一种碳棒电极的制备方法，包括：获取由碳纤维构成的碳棒，将碳棒在800℃-1200℃条件下进行10h以上的热处理。本发明通过采用碳纤维作为电极材料并放在800℃-1200℃的条件下进行10h以上的热处理，制备得到内部具有大量孔隙的碳棒电极。因为虹吸效应，本发明制备的内部具有大量孔隙的碳棒电极在水雾离子发生装置中会虹吸大量的水，而制得的碳棒电极在吸收大量水分的同时，也会增强碳棒电极的导电性。因此，通入高压电之后，碳棒电极会产生大量含有离子或自由基的水雾离子，从而极大程度地提高了对空气杀菌净化的效果；
另外，在通电时，本发明所提供的碳棒电极会在吸水和释水的过程中产生多频振动，会使附着物被振落，而且碳棒电极产生的水雾离子也对电极本身具有一定的除菌效果，因此，碳棒电极不利于污染物的附着，进而避免了对空气的二次污染，同时也提高了电极的使用寿命。
2.本发明提供的一种碳棒电极的制备方法，在热处理制备得到内部具有大量孔隙的碳棒电极后，还采用酸进行浸泡处理，进一步清除碳棒电极内部的杂质，反应掉孔隙中的物质，加深孔隙的产生，使得制备得到的碳棒电极能够虹吸更多的水，也进一步增强了碳棒电极的导电性，进一步加快了水雾离子的释放速率，达到更好的除菌效果。
3.本发明提供的一种碳棒电极的制备方法，统一去除原料毛刺可以提高原料的光滑度。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
一种碳棒电极的制备方法，包括如下步骤：
根据碳棒电极的直径要求，选择对应直径大小的由日本东丽公司生产的3K规格的T300碳纤维构成的碳棒，本发明以规格为4.2mm±0.1mm×20mm的碳棒电极为例，先选择直径为4.2mm±0.1mm的碳棒，该碳棒的密度为1.4g/cm3。将碳棒切割成段，每段长度为20mm，随后用倒角机打磨顶端至半球形，再统一去除整体材料的毛刺，并用清水清洗后再烘干，随后在石英制作的定制模具中，将碳棒定型，防止其在热处理过程中过度膨胀，再将其放入800℃并通入氮气的环境中进行热处理，处理10h后，使碳纤维内部产生孔隙，形成半成品；
将半成品放入质量百分比浓度为70％的硫酸溶液中，浸泡6h后取出；
依次采用体积浓度为99％的乙醇水溶液和纯净水进行清洗3次后获得成品；
成品碳棒电极的密度为0.7g/cm3。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，热处理以及酸浸泡的工艺参数不同，具体的，本实施例中采用900℃热处理12h，酸浸泡步骤中酸的质量百分比浓度为70％，浸泡时间为8h；
成品碳棒电极的密度为0.6g/cm3。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，热处理以及酸浸泡的工艺参数不同，具体的，本实施例中采用1200℃热处理10h，酸浸泡步骤中酸的质量百分比浓度为70％，浸泡时间为8h。
成品碳棒电极的密度为0.6g/cm3。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中不进行酸浸泡的工艺，具体的，本实施例中热处理后的半成品直接采用酒精和纯净水进行清洁去除杂质获得成品。
成品碳棒电极的密度为0.7g/cm3。
对比例1
用不锈钢针替换碳纤维电极，测试条件与实施例1相同。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，本对比例制备碳棒电极的热处理温度为500℃。
一种碳棒电极的制备方法，包括如下步骤：
根据碳棒电极的直径要求，选择对应直径大小的由碳纤维构成的碳棒，本发明以规格为4.2mm±0.1mm×20mm的碳棒电极为例，先选择直径为4.2mm±0.1mm的碳棒，该碳棒的密度为1.4g/cm3。将碳棒切割成段，每段长度为20mm，随后用倒角机打磨顶端至半球形，再统一去除整体材料的毛刺，并用清水清洗后再烘干，随后在石英制作的定制模具中，将碳棒定型，防止其在热处理过程中过度膨胀，再将其放入500℃并通入氮气的环境中进行热处理，处理10h后，使碳纤维内部产生孔隙，形成半成品；
将半成品放入质量百分比浓度为70％的硫酸溶液中，浸泡6h后取出；
再依次采用体积浓度为99％的乙醇水溶液和纯净水进行清洗3次后获得成品。
成品碳棒电极的密度为0.9g/cm3。
实验例1：
对实施例和对比例制备得到的若干批电极的导电性、吸水性、机械性能及耐环境性能进行检测，本实验例中每组采用10批次电极进行检测，具体检测方法如下：
一、导电性：
电阻：用万用表的正负极抵住碳棒电极前后两端，得出电阻值；
电阻率：通过测量获得碳棒电极的电阻值、横截面积、长度，再将其对应参数代入式一，计算得到碳棒电极的电阻率；
式一：ρ＝RS/L；
其中：
ρ为碳棒电极的电阻率，单位为Ω·m；
R为碳棒电极的电阻值，单位为Ω；
S为碳棒电极的横截面积，单位为cm2；
L为碳棒电极的长度，单位为m。
二、吸水性：
吸水速度：将碳棒电极尾部一端插入水中，尾部入水高度为2mm，开始计算水到顶部的时间；
吸水量：称量浸水前碳棒电极质量，随后将碳棒电极在水中浸泡5min，然后取出碳棒电极进行称重，计算浸水前后的质量差，即为吸水量。
三、机械性能及耐环境性能：
1、恒定湿热性能：放入恒温恒湿箱中，分别在温度为26℃且湿度为30％ RH％、温度为26℃且湿度为70％ RH％、温度为26℃且湿度为100％RH％、温度为55℃且湿度为30％RH％、温度为55℃且湿度为70％ RH％、温度为26℃且湿度为100％ RH％的条件下放置7天后，烘干，观察碳棒电极表面前后差异情况。
2、耐酸碱性能：将碳棒电极放入强酸或强碱中，强酸或强碱的质量百分比浓度为70％，分别浸泡5h，10h，15h以上，清洗，烘干，观察并获取强酸强碱下碳棒电极表面以及导电性能变化情况。其中，强酸采用硫酸，强碱采用氢氧化钠。
具体检测结果如下表1和表2所示。
表1
Figure BDA0003900117530000081
表2
Figure BDA0003900117530000082
Figure BDA0003900117530000091
实验例2：
对实施例和对比例制备得到的电极的水雾离子释放速率进行检测，检测方法和检测结果如下：
具体检测方法为：
称量水雾离子发生器水槽中水的质量m1，再称量电极的质量m2，将电极的一端与伸入水槽内，与水槽内的水接触，通电使其工作5min，5min后称量水槽中剩余水和电极的总质量m3。然后通过以下公式计算出释放速率。
释放速率＝(m1+m2-m3)/5；
具体检测结果如表3所示。
表3
Figure BDA0003900117530000092
Figure BDA0003900117530000101
根据表1-3中实施例1-4和对比例1-2的数据分析，分析结果如下：
通过表1-3中对比例1采用的不锈钢针电极与本发明实施例1-4制备的碳棒电极对比可知，本发明制备的碳棒电极较不锈钢针电极的电阻和电阻率更低，说明本发明制备的碳棒电极的导电性能更佳；而且不锈钢针电极在恒温恒湿的环境中出现氧化腐蚀现象且在强酸强碱存在的情况下发生明显腐蚀，说明不锈钢针电极的机械性能及耐环境性能较差，而本发明制备的碳棒电极在恒温恒湿、强酸强碱的环境中均无明显变化，因此，较于不锈钢针电极，本发明制备的碳棒电极的机械性能及耐环境性能更佳；另外，本发明制备的碳棒电极较于不锈钢针电极的水雾离子释放速率存在显著提升。
而通过表1-3中实施例1与实施例4对比可知，较不经酸浸泡的碳棒电极，经过酸浸泡的碳棒电极吸水量及水雾离子释放速率都得到了提升，证明酸浸泡能够对碳棒电极孔隙进一步修饰，使得碳棒电极能够虹吸更多的水，进一步加快水雾离子的产生。
同时，通过表1-3中实施例1-4与对比例2制备的碳棒电极对比可知，500℃制备得到的碳棒电极虽然也具有优异的机械性能及耐环境性能，但其吸水速度、吸水量及水雾离子释放速率均低于本发明实施例1-4制备得到的碳棒电极。
综上，与不锈钢电极相比，本发明所提供的碳棒电极具有更佳的机械性能和耐环境性能，并且水雾离子释放速率得到明显提升。500℃制备得到的碳棒电极虽然也具有良好的导电性、吸水性和耐环境性能，但是其吸水性和水雾离子释放速率低，并不能满足水雾离子发生器中对发射针材料的要求。而本发明制备得到的碳棒电极既具有良好的导电性、吸水性、机械性能及耐环境性能，又有优异的水雾离子释放速率，可以有效替代水雾离子发生器中常规的发射针材料。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种碳棒电极的制备方法，其特征在于，包括：获取由碳纤维构成的碳棒，将碳棒在800℃-1200℃条件下进行10h以上的热处理。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳棒电极的密度为0.6g/cm3-0.9g/cm3；所述碳棒电极的电阻≤5Ω；电阻率≤0.001Ω·m。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述热处理在保护气氛下进行；所述保护气氛为氮气、氩气或氢气。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，在热处理之后，还包括对热处理后的碳棒进行酸浸泡。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述酸为硫酸；所述酸的质量百分比浓度为≥70％；所述酸浸泡处理时长为6h以上。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述热处理前还对碳棒进行切割、打磨、去除毛刺、清除杂质、烘干处理；
所述酸浸泡处理后还进行清洗处理。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述打磨步骤中，采用倒角机将切割后的碳棒打磨至顶端成半球形；
所述清除杂质的步骤中，采用清水进行处理；
所述酸浸泡的步骤中，同时采用超声进行处理；
所述酸浸泡后的清洗步骤中，采用纯净水和/或酒精进行处理。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述碳纤维的规格为T300-3K。
9.一种碳棒电极，其特征在于，其由上述权利要求1-8任一项所述的一种碳棒电极的制备方法制备得到。
10.权利要求9所述的一种碳棒电极在水雾离子发生装置中的应用。
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