PL184547B1

PL184547B1 - Sposób obróbki cieplnej materiałów węglowych

Info

Publication number: PL184547B1
Application number: PL96324395A
Authority: PL
Inventors: Lynum@Steinar; Hox@Ketil; Smet@Richard; Hugdahl@Jan; Probst@Nicolas
Original assignee: Eramet & Comilog Chemicals Sa; Kvaerner Technology & Res Ltd
Priority date: 1995-07-07
Filing date: 1996-07-05
Publication date: 2002-11-29
Also published as: GR3035491T3; NO302242B1; MX211049B; AU691760B2; DE69611100T2; CZ292640B6; CN1148065A; MY120503A; MX9800038A; BG63263B1; AU6370596A; RU2163247C2; CA2226277C; CA2226277A1; RO118880B1; SK282609B6; SK2198A3; ES2154410T3; MA23931A1; HU220125B

Abstract

1. Sposób obróbki cieplnej materialów weglowych dla uzyskiwania zwiekszonego uporzadkowania w nanostrukturze w czastkach wegla, zwlaszcza sadzy weglowej, w któ- rym czastki wegla podaje sie do strefy plazmatycznej przy pomocy gazu nosnikowego, tak, ze czastki wegla poddawane sa kolejnej obróbce plazmatycznej poprzez obróbke cieplna w strefie plazmatycznej, i w którym w czastkach wegla indukuje sie calkowita entalpie od 1 do 10 kWh/kg, znamienny tym, ze stosuje sie czas przebywania w zakresie 0,07 sek do 0,01 sek, oraz tym, ze stosunek czasu przebywania do entalpii w strefie plazmatycznej (9) ustalany jest w taki sposób, ze material weglowy ogrzewany jest do temperatury, która zapewnia zwiekszony porzadek, w nanostrukturze i która nie przekracza 3700°C, tym sa- mym zapobiegajac sublimacji czastek wegla. PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki cieplnej materiałów węglowych dla uzyskiwania zwiększonego uporządkowania w nanostrukturze w cząstkach węgla, a zwłaszcza sadzy węglowej.

Mikrostruktura cząstek sadzy składa się z małych obszarów krystalicznych w porządku turbostratycznym, tj. równoległych warstw obróconych ale nie uporządkowanych wokół osi c. Warstwy grafitu są uporządkowane koncentrycznie w kierunku powierzchni cząstki, tj. w orientacji równoległej, z wzrastającym stopniem nieuporządkowania w kierunku środka cząstek.

Wymiary kryształów określono odpowiednio jako Lc, La i d 002. Lc jest wymiarem krystalicznym w kierunku c, tj. wysokością i stanowi przeciętną wysokość ułożenia warstw grafitu. La jest rozmiarem albo rozpiętością warstw i stanowi średnią średnicę każdej warstwy, d 002 jest odległością pomiędzy warstwami grafitu.

Wymiary krystaliczne zmierzone metodą dyfrakcji promieni X dla sadzy wytworzonej w znanych konwencjonalnych procesach przedstawiono w tabeli 1.

184 547

Strukturalne własności sadzy określone metodą dyfrakcji promieni X (nm)

Tabela 1

Cecha	La	Lc	d 002
Grafit jako odnies.			0,335
Sadza termiczna	2,8	1,7	0,350
Sadza kanałowa	1,9	1,4	0,353
Sadza piecowa	2,0	1,7	0,355
Sadza acetylenowa	2,7	2,6	0,343

Wiadomo, iż obróbka cieplna zmienia stopień uporządkowania nanostruktury w cząstkach sadzy. Wymiar krystaliczny rośnie poprzez zwiększenie średnicy przeciętnej (La) warstw grafitu i poprzez zwiększoną przeciętną wysokość warstwy (Lc). Odległość pomiędzy warstwami grafitu (d 002) zmniejsza się.

Obróbka cieplna sadzy przeprowadzona w temperaturach tuż powyżej 1000°C wywiera wpływ na nanostrukturę i morfologię. Zwiększenie temperatury do 2700°C i wyżej wywiera potężny wpływ na uporządkowanie warstw grafitu, a wzrost kryształów osiąga poziom odpowiadający danym dla Sadzy Acetylenowej.

Znane są sposoby obróbki cieplnej, które polegają na ogrzewaniu w piecu indukcyjnym w atmosferze gazu obojętnego do temperatury pomiędzy 1100°C a 2400°C z czasem przebywania od kilku minut do kilku godzin.

W amerykańskim opisie patentowym US 4 351 825 przedstawiono sposób obróbki cieplnej sadzy w piecu o dwóch strefach ogrzewania. W strefie pierwszej ogrzewa się ją do temperatury pomiędzy 565°C a 760°C w celu przemiany całego obecnego tlenu w dwutlenki węgla, a w drugiej strefie ogrzewa się ją do temperatury pomiędzy 1400°C a2400°C. Czas obróbki cieplnej może wahać się od 9 sekund do 10 minut.

W opisie patentowym DD 292 920 przedstawiono sposób wytwarzania lepszej sadzy z sadzy gorszej w reaktorze plazmowym. Entalpię minimum 3 kWh/kg wzbudza się w surowcu przy czasie reakcji pomiędzy 0,1 a 1 sek, powodując tym samym całkowitą bądź częściową sublimację węgla. Obecny jest on w postaci węgla gazowego i dlatego proces ten trzeba scharakteryzować jako transformację surowca, a nie proces obróbki cieplnej.

W opisie patentowym WO 94/17908 przedstawiono sposób transformowania materiałów węglowych takich jak sadza i grafit o niezadowalającej nanostrukturze w reaktorze plazmowym. Energię pomiędzy 40 kW/h a 150 kW/h dostarcza się do surowca z czasem przebywania w komorze reakcyjnej pomiędzy 2 a 10 sek. Sposób trzeba scharakteryzować jako transformację surowca a niejako proces obróbki cieplnej.

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki cieplnej materiałów węglowych dla uzyskiwania zwiększonego uporządkowania w nanostrukturze w cząstkach węgla, zwłaszcza sadzy węglowej w którym cząstki węgla podaje się do strefy plazmatycznej przy pomocy gazu nośnikowego, tak; że cząstki węgla poddawane są kolejnej obróbce i w którym w cząstkach węgla indukuje się całkowitą entalpię od 1 do 10 kWh/kg, charakteryzuje się tym, że stosuje się czas przebywania w zakresie od 0,07 sek do 0,01 sek, oraz tym że stosunek czasu przebywania do entalpi w strefie plazmatycznej ustalany jest w taki sposób, że materiał węglowy ogrzewany jest do temperatury zapewniającej zwiększony porządek w nanostrukturze i która nie przekracza 3700°C, tym samym zapobiegając sublimacji cząstek węgla. W materiale węglowym indukuje się entalpię od 2 do 6 kWh/kg. Czas przebywania, dla cząstek węgla w strefie plazmatycznej ustala się poprzez sterowanie prędkością przepływu gazu plazmatycznego/gazu nośnikowego albo poprzez sterowanie prędkością przepływu gazu dla gazu nośnikowego i poprzez położenie rury zasilającej względem strefy plazmatycznej albo poprzez wybór rur zasilających, które są do stosowania cząstek węgla i gazu nośnikowego.

W celu uzyskania chemicznych grup funkcjonalnych na powierzchni materiału węglowego środek utleniający taki jak CO2, CO, H2O, powietrze lub O2 albo środek redukujący taki

184 547 jak H2 albo halogeny lub kwasy stosuje się jako gaz plazmatyczny i gaz nośnikowy albo dodaje do gazu plazmatycznego i nośnikowego.

Obróbkę w strefie plazmatycznej przeprowadza się w połączeniu z procesem produkcyjnym.

Sposób według wynalazku jest wydajny pod względem ciepła i łatwy w sterowaniu, do obróbki cieplnej materiałów węglowych a zwłaszcza wszelkich typów sadzy w celu uzyskania zwiększonego porządku w nanostrukturze. Ten porządek nanostruktury można określić standardowymi metodami testowymi takimi jak mikroskopia i dyfrakcja promieni X.

Daje on poprawę handlowych własności sadzy, i materiałów węglowych typu niezgrafityzowanego, które na przykład stosuje się jako materiały elektrodowe.

Poza tym sposób według wynalazku umożliwia osiągnięcie specjalnych jakości, których dotąd nie wytworzono albo które mogą być trudne do wytworzenia w znanych sposobach wytwarzania bez zastosowania drogich surowców takich jak acetylen oraz zapewnienie możliwości przeróbki ogromnej ilości surowców w krótkim czasie, tym samym czyniąc proces ekonomicznie żywotnym.

W znanych konwencjonalnych sposobach obróbki cieplnej, czas przebywania surowca w piecu wynosi od 10 sekund do kilku godzin. Procesy takie nie mogą obrabiać dużych objętości w krótkim czasie i dlatego nie stanowią przedsięwzięcia zyskownego. Poczyniono zaskakujące odkrycie, iż czas obróbki cieplnej dla cząstek węgla takich jak sadza można drastycznie zmniejszyć. Dzięki obróbce cieplnej w procesie plazmowym, tj. w strefie plazmatycznej, osiąga się ten sam porządek warstw grafitu jak w czasie ogrzewania w piecu.

Jednakże w strefie plazmatycznej, zwiększony porządek nanostruktury uzyskuje się już po czasie przebywania rzędu 0,1 sek albo krótszym. Wykazano, iż nawet czas przebywania 0,05 sek albo krótszy wystarcza do uzyskania zadowalającego porządku nanostruktury. W ten więc sposób opracowano zyskowny sposób, ponieważ duże objętości można poddać obróbce w krótkim czasie.

Ten rodzaj obróbki plazmatycznej można przeprowadzić w strefie plazmatycznej, którą wytwarza się w palniku plazmowym, gdzie łuk elektryczny płonie pomiędzy dwiema elektrodami, albo w strefie plazmatycznej, która powstaje poprzez ciepło indukcyjne, np. przy wysokoczęstotliwościowym ogrzewaniu gazu.

Obróbce cieplnej można poddawać różne materiały węglowe, takie jak węgiel, koks, ale przede wszystkim specyficzne własności sadzy w celu uzyskania specjalnej jakości. Cząstki węgla podaje się do strefy plazmatycznej przy pomocy gazu nośnikowego. Gazem tym może być również gaz plazmatyczny.

Jako gaz nośnikowy albo gaz plazmatyczny można zastosować gaz obojętny taki jak Ar albo N2. Gaz redukujący, taki jak H2, albo gaz obróbczy, który może być mieszaniną H2 + CH4 + CO + CO2, można również zastosować. Można też zastosować połączenie tych gazów··.

Sposób służy podniesieniu handlowych własności sadzy i niegrafitowych materiałów węglowych. Obróbkę cieplną przeprowadza się w strefie plazmatycznej, przy czym czas przebywania i dostarczana moc podlegają sterowaniu w celu zapewnienia tego, że materiał węglowy nie ulegnie sublimacji. W ten sposób zapobiega się transformacji węgla, który dostarczany jest do strefy plazmatycznej i jego przemianie w nowy produkt.

Przykład wykonania wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zasadę projektu palnika plazmowego z zasilaniem surowca do strefy plazmatycznej, fig. 2 - wykres dla temperatury osiąganej przez cząstki węgla oraz gaz plazmatyczny i nośnikowy w strefie plazmatycznej jako funkcje czasu. Figura 1 przedstawia podstawowe założenie palnika plazmatycznego, tym samym umożliwiając osobie biegłej w stanie techniki opracowanie rozwiązań technicznych przy zastosowaniu znanych sposobów.

Palnik plazmatyczny przedstawiony na fig. 1 jest z zewnętrzną elektrodą 1 i elektrodą środkową 2. Elektrody są rurowate w kształcie i umieszczone są współosiowo jedna wewnątrz drugiej. Elektrody są stałe i wykonane z materiału o wysokim punkcie topnienia z dobrym przewodnictwem elektrycznym, takiego jak grafit. Można również zastosować chłodzone elektrody metalowe. Elektrody te można zaopatrywać albo prądem stałym albo prądem

184 547 zmiennym. Wokół elektrod w polu działania łuku elektrycznego umieszczony jest zwój 3, który zaopatrywany jest prądem stałym, tym samym tworząc osiowe pole magnetyczne.

Gaz plazmatyczny może być dostarczany poprzez przestrzeń pierścieniowatą 4 pomiędzy elektrodami. Gaz plazmatyczny może być również gazem nośnikowym dla cząstek węgla. Cząstki węgla tym samym przechodzą przez łuk elektryczny, tym samym zapewniając to, że ulegają jednorodnemu wystawieniu w strefie plazmatycznej 9. Czas przebywania dla cząstek sadzy w strefie plazmatycznej 9 można ustalić na podstawie prędkości przepływu gazu dla gazu plazmatycznego.

Gaz nośnikowy, zawierający cząstki węgla można dostarczać poprzez wywiert 5 w elektrodzie środkowej 2 albo poprzez oddzielną rurę zasilającą 6, która umieszczona jest współosiowo w elektrodzie środkowej 2. Ta rura zasilająca może poruszać się w kierunku osiowym dla umieszczenia wylotu względem sfery plazmatycznej 9. Czas przebywania dla cząstek sadzy w strefie plazmatycznej 9 można tym samym ustalić na podstawie prędkości przepływu gazu dla gazu nośnikowego i przy pomocy położenia rury zasilającej względem łuku elektrycznego plazmy.

Jako trzecia alternatywa, gaz nośnikowy przenoszący cząstki węgła może być dostarczany przez jedną bądź więcej rur zasilających 7 przy albo pod strefą łuku elektrycznego 9. Kilka rur zasilających może być umieszczonych wzdłuż obwodu komory reaktorowej 8 przy różnych poziomach w zwiększających się odległościach od elektrod palnika plazmatycznego 1, 2. Czas przebywania dla cząstek sadzy w strefie plazmatycznej 9 można tym samym ustalić zależnie od tego, które rury zasilające są używane.

Plazma wysokotemperaturowa tworzy się przy pomocy gazu, który ogrzewany jest przez łuk elektryczny, który płonie pomiędzy dwiema elektrodami. W strefie plazmatycznej tego rodzaju osiąga się niezwykle wysokie temperatury, od 3000°C do 20 000°C i w tej właśnie strefie przeprowadza się obróbkę cieplną.

Palnik plazmatyczny wyposażony jest w połączenie z komorą reaktorową 8, gdzie można ochłodzić materiał poddany obróbce cieplnej, np. poprzez dostarczenie zimnego gazu plazmatycznego/gazu nośnikowego, który w ten sposób ogrzewa się i może być zawrócony do obiegu i zastosowany do dostarczenia energii. W dodatku do albo jako część gazu chłodzącego można dodać specjalne substancje w celu uzyskania pewnych chemicznych grup funkcjonalnych na powierzchni cząstek węgla. Taką substancję można dostarczyć w obszarze, gdzie temperatura spadnie do określonego poziomu. Takie substancje można również dostarczać w następnej komorze.

Znanego, konwencjonalnego typu jest reszta sprzętu, do której należy chłodziarka jak również sprzęt rozdzielający, który może składać się z cyklonu albo urządzenia filtrującego, gdzie ulega rozdziałowi węgiel.

Proces ten jest wysoce intensywny i wolny od zanieczyszczeń. Proces można przeprowadzić jako proces ciągły albo można go stosować przerywanie. Proces można zastosować w połączeniu z istniejącym procesem, np. procesem pieca olejowego albo procesem plazmatycznym. Może być on również zastosowany w procesie plazmatycznym do wytwarzania sadzy węglowej. W tym procesie węglowodory rozkłada się przy pomocy energii z palnika plazmatycznego na część węglową i wodorową, które podaje się do następnych etapów w komorze reaktora ze strefami temperatury dla regulacji i sterowania jakością otrzymanych produktów. W strefie reaktorowej można zainstalować jeden albo więcej dodatkowych palników plazmatycznych, gdzie proces obróbki cieplnej według wynalazku można przeprowadzić na wytworzonej sadzy.

Ogólna entalpia od 1 do 10 kWh/kg, korzystnie od 2 do 6 kWh/kg, wzbudza się w cząstkach sadzy, które mają czas przebywania w strefie plazmatycznej mniej niż 0,1 sek, a zwłaszcza mniej niż 0,07 sek. Nadaje to cząstkom sadzy temperaturę do ale nie ponad temperaturę sublimacji dla węgla, która wynosi 3700°C.

Ogólna entalpia, jaka się wzbudza daje wzrost całkowitej energii układu. Zarówno ogrzewanie sadzy, gazu plazmatycznego i gazu nośnikowego jak również utrata ciepła wli6

184 547 czone są w ogólną równowagę. W celu zapobieżenia odparowaniu / sublimacji sadzy, nie można jej podgrzewać do temperatur ponad 3700°C.

Całkowita energia dostarczana cząstce sadzy może być wyrażona równaniem: AG = AH - TAS gdzie AG = Wolna energia Gibbssa = całkowita dosiarezz)na energia

ΔΗ = entalpia = energia cieplna

T = temperatura w K

AS = entropia

Dane entalpii dla węgla podają, iż AH może wynosić maksymalnie około 2 kWh/kg w celu utrzymania temperatury poniżej 3700°C. Przyczyną dla której dostarczanie większej ilości energii nie powoduje odparowania jest to, że obróbka cieplna zapewnia bardziej uporządkowaną strukturę, co z kolei oznacza iż entropia cząstek zmniejsza się. Dlatego też możliwe jest, by AH w powyższym równaniu wynosiło poniżej 2 kWh/kg pomimo tego, iż dostarczona energia (AG) jest większa niż 2 kWh/kg.

Czas przebywania należy rozumieć jako czas, który upływa, gdy cząstki sadzy są wystawione w początkowym etapie prznaosaeaia na absorpcję energii w albo w pobliżu strefy plazmatycznej albo strefy łuku elektrycznego. Cząstki węgla mają wysoki stopień emisyjności, e>0,9 i w trakcie bardzo krótkiego czasu, który można zmierzyć w milisekundach, osiągają temperaturę ponad 3000°C z uwagi na promieniowanie cieplne z łuku elektrycznego i również być może z elektrod. W trakcie bardzo krótkiego czasu cząstki węgla przenoszą część swej zaabsorbowanej energii na gaz plazmatyczny i/lub gaz nośnikowy przy pomocy promieniowania cieplnego i indukcji cieplnej. Gaz plazmatyczny i gaz nośnikowy mają niską nmi/djność, e<0,1 i tym samym temperatura wynikowa cząstek sadzy i gazu plazmatyczango/gazu nośnikowego osiąga poziom poniżej 2000°C. Wzbudzona entalpia i czas przebywania ustawia się tak, by zapewnić, iż cząstki węgla nie osiągną temperatury, która jest tak wysoka, że uległyby sublimacji, to jest temperatura musi być utrzymywana poniżej 3700°C.

Figura 2 przedstawia wykres dla temperatury osiąganej przez cząstki węgla oraz gaz plazmatyczny/gaz nośnikowy w strefie plaamatdcznej jako funkcję czasu. Linia ciągła przedstawia temperaturę jako funkcję czasu dla cząstek węgla a linia kropkowana przedstawia temperaturę jako funkcję czasu dla gazu plaamatyaaaego/gaau nośnikowego przy danej entalpii ogólnej w zakresie 5 kWh/kg sadzy.

Tabela 2 przedstawia wartości dla La, Lc i d 002 wraz z czasem przebywania i entalpią dla różnych jakości sadzy przed i po obróbce cieplnej przy wyżej wspomnianych parametrach w strefie plazmatycaanj i przy zastosowaniu różnych typów gazu plazmatycznego.

184 547

X ’Ξ <t>

ε ο

J—. Gh

CM σ3 <D

Χ>

Η ο' λ

¢5 >>

Ό

4? ο 2 α> _τ ε cc α

Q> co G Λ Ο CU <υ

I * ° CD . ΧΪ

-ο Η co -C Ο <υ *

u Ο

S ⁷³ <D is c σι Ο ·- υ

Całkowita entalpia (kWh/kg sadzy)	1 ^r	10 3-5 8 10
Czas przebywania (sek.) j	0, 03	0,06 0,02-0,06 0,03 0,03
Gaz plazmatyczny	1 1 1 t 1 lilii \ \ \ \ \ \ \ \ OJ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1	Ar Gaz obróbczy h₂ — //—
Φ u U XI X! Ό M 0<f X! *5. 0 « <0 -r-ι ł-q 0) C 1-1 α 0 OJ O -H § dj υ Ό	3.39 75 76 3.41 71 57 3.42 77 71 3.40 71 59 3.41 76 60 3,45 67 41	3.43 65 48 3.44 66 48 3,43 89 134 3,41 102 127
2 0 N u 0 £ 3 Xi —~ ΓΊ Φ »< g n> —- Ό	3,51 35 16 3,57 30 18 3.55 32 17 3,54 30 16 3.56 39 20 3,56 33 16	3,55 40 22 3,55 40 22 3,48 60 40 3,46 52 44
Jakość	Sevacarb MT Furnex N-765 Statex N-550 Corax N-220 Condutex 975 Condutex SC	U u -J X L_ ΙΟ O OJ O O C C rC rO i- L- co co fU c c > > cd ω

σ3 t— <υ e

ο χ:

§

C £

Ό

5—

ΟΌ <-*τ

Ό <υ

184 547

W czasie obróbki cieplnej chemiczne grupy funkcjonalne oraz zanieczyszczenia, które przymocowane są albo związane z powierzchnią cząstek węgla zostaną zredukowane albo usunięte. Obróbka cieplna prowadzi do dramatycznego zmniejszenia aktywności powierzchniowej związanej z uwolnieniem chemicznie związanego wodoru, z poziomu 2500 ppm do około 100 ppm albo niższego.

W celu uzyskania specjalnych chemicznych grup funkcyjnych na powierzchni cząstek węgla, specjalne substancje można dodać do gazu plazmatycznego i/lub gazu nośnikowego. Mogą nimi być środki utleniające, takie jak CO2, CO, O2, powietrze i H2O albo środki redukujące, takie jak H2, halogeny, kwasy itd.

Sadza poddana obróbce cieplnej według sposobu według wynalazku może być porównywana z sadzą obrabianą przez kilka godzin w piecu indukcyjnym. Tabela 3 przedstawia wartości dla La, Lc i d 002 dla jednego z typów sadzy przed i po obróbce cieplnej w piecu indukcyjnym i tej samej sadzy po obróbce cieplnej w procesie plazmowym według wynalazku.

Strukturalne własności sadzy określono metodą dyfrakcji promieni X (nm).

Tabela 3

	La	Lc	d 002
Nieobrobiona sadza	4,0	2,2	0,355
Obróbka cieplna w piecu indukcyjnym	7	5	0,341
Obróbka cieplna w strefie plazmatycznej	8,2	8	0,341

Dane procesowe dla obróbki cieplnej w strefie plazmatycznej: Generator plazmy i komora reaktorowa jak opisano.

Materiał zasilający: Gaz nośnikowy:

Gaz plazmatyczny: Ciśnienie reaktora: Wzbudzona entalpia: Czas przebywania:

Sadaa 10 kg/h

Air 3 Nm³/h

Gaz obróbczy : a Xm^!/h baty

2,9 r 4,8 kWgdcg

0,09 sek.

Gaz obróbczy składa się z: 50% H2, 1,5% CH4, 48% CO i 1,5% CO2 Temperatura osiągnięta przez cząstki węgla w strefie plazmatycznej jest niższa od

3700°C a uzyskane temperatury sadzy i gazów wynoszą około 2000°C.

Tabela 4 przedstawia wartości La, Lc i d 002 dla pewnego rodzaju sadzy przed i po obróbce cieplnej w strefie plazmatycznej według wynalazku, gdzie zastosowano dwa różne gazy plazmatyczne.

Strukturalne własności sadzy określono metodą dyfrakcji promieni X (nm).

Tabela 4

	La	Lc	d 002	Gaz plazmatyczny
Przed obróbką cieplną	4	2,2	3,55
Po obróbce cieplnej	6,5	4,8	3,43	Ar
	6,6	4,8	3,44	Gaz obróbczy

Wpływ obróbki cieplnej służyć będzie zapewnieniu ulepszonych własności materiałów, w których sadza stosowana jest jako domieszka. W poniższym fragmencie czyni się odniesienie do różnych produktów, w których wykorzystuje się specjalne własności sadzy uzyskane przez obróbkę cieplną według wynalazku.

Baterie suchoogniwowe:

W typowych bateriach suchoogniwowych stosuje się sadzę acetylenową albo alternatywnie jakość „sadzy o specjalnym przewodnictwie”. Tę ostatnią wytwarza się poprzez tradycyjny „proces pieca olejowego”, po którym następuje znane ze stanu techniki utleniania albo etap obróbki cieplnej. Zastosowanie specjalnych własności daje wzrost w pojemności elektro184 547 litowej, lepszą charakterystykę rozładowywania itd., z rezultatem takim, że jakości te wykazują właściwości, które są bliskie albo nie na tym samym poziomie co sadza acetylenowa.

Dzięki obróbce cieplnej według wynalazku tradycyjnie wytworzonych jakości sadzy w strefie plazmatycznej, osiąga się dalszy stopień porządku nanostruktury, tym samym umożliwiając osiągnięcie wartości, które są równe albo wyższe wartościom zmierzonym dla sadzy acetylenowej.

Sadza elektrycznie przewodząca:

Opracowano serię jakości sadzy, takich jak „przewodząca”, „nadprzewodząca” i „ekstra-przewodząca” dla szczególnych zastosowań. Zapewniają one własności przewodnictwa elektrycznego i antystatyczne dla mieszanek polimerów nawet po dodaniu w niewielkich ilościach. Te jakości sadzy dają optymalne przewodnictwo, ponieważ mają nie wysoką strukturę, wysoką porowatość, mały wymiar cząstek i chemicznie czystą powierzchnię. Dla jakości tych obróbka cieplna według wynalazku zapewnia jeszcze lepszy stopień przewodnictwa.

Tradycyjne jakości sadzy, które stosuje się np. jako domieszki w gumie można ulepszyć w ten sam sposób do „sadzy przewodzącej”. Obróbka cieplna w strefie plazmatycznej według wynalazku oczyści powierzchnię z tlenków i zanieczyszczeń i zoptymalizuje wewnętrzne przewodnictwo w cząstkach sadzy poprzez zapewnienie większego stopnia grafityzacji.

Niegrafitowe materiały węgłowe, takie jak antracyt, koks benzynowy, koks smołowy i inne można poddać obróbce według sposobu według wynalazku. Takie materiały węglowe są np. często stosowane jako elektrody i w produkcji ogniotrwałej po procesie grafityzacji, obejmującym obróbkę cieplną w piecu kalcynacyjnym. Obróbka cieplna według niniejszego wynalazku oferuje alternatywę dla tradycyjnego procesu kalcynacji i doprowadzi przeciętną odległość pomiędzy warstwami grafitu, d 002, z wartości 0,344 nm do poziomu 0,335 nm tak, jak w graficie.

W technologii ogniw paliwowych, obróbka cieplna materiału elektrodowego będzie odpowiednim procesem. W ogniwach paliwowych z kwasem fosforowym (Phosphoric acid fuel cells, PAFC) oraz ze stałymi polimerami (solid polymer fuel cells, SPFC) stosuje się grafit z katalizatorem platynowym jako anodę i katodę. W tym kontekście ważne jest, by elektrody miały dobre przewodnictwo elektryczne. Przy pomocy obróbki cieplnej materiałów węglowych według wynalazku, zwiększony stopień grafityzacji osiągnięty poprzez zwiększenie uporządkowania w nanostrukturze pociągnie za sobą zwiększenie przewodnictwa elektrycznego materiału.

Sadza przewodząca termicznie:

Dobre przewodnictwo termiczne pożądane jest w mieszankach polimerów w celu uniknięcia nabudowywania się ciepła i przegrzania, a sadza o dobrych własnościach przewodnictwa cieplnego odgrywa znaczącą rolę w uzyskiwaniu tego. Wiadomo, iż podstawową własnością sadzy, która przyczynia się do tego efektu jest wysoki stopień uporządkowania, tj. grafityzacji, przy czym sadza acetylenowa jest pod tym względem najlepsza.

Obróbka cieplna w strefie plazmatycznej według wynalazku zapewni ten efekt wszystkim znanym tradycyjnym jakościom sadzy.

184 547

Fig. 2

184 547

Fig.1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób obróbki cieplnej materiałów węglowych dla uzyskiwania zwiększonego uporządkowania w nanostrukturze w cząstkach węgla, zwłaszcza sadzy węglowej, w którym cząstki węgla podaje się do strefy plazmatycznej przy pomocy gazu nośnikowego, tak, że cząstki węgla poddawane są kolejnej obróbce plazmatycznej poprzez obróbkę cieplną w strefie plazmatycznej, i w którym w cząstkach węgla indukuje się całkowitą entalpię od 1 do 10 kWh/kg, znamienny tym, że stosuje się czas przebywania w zakresie 0,07 sek do 0,01 sek, oraz tym, że stosunek czasu przebywania do entalpii w strefie plazmatycznej (9) ustalany jest w taki sposób, że materiał węglowy ogrzewany jest do temperatury, która zapewnia zwiększony porządek, w nanostrukturze i która nie przekracza 3700°C, tym samym zapobiegając sublimacji cząstek węgla.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w materiale węglowym indukuje się entalpię od 2 do 6 kWh/kg.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że czas przebywania dla cząstek węgla w strefie plazmatycznej (9) ustala się poprzez sterowanie prędkością przepływu gazu dla gazu plazmatycznego/gazu nośnikowego albo poprzez sterowanie prędkością przepływu gazu dla gazu nośnikowego i poprzez położenie rury zasilającej (6) względem strefy plazmatycznej albo poprzez wybór rur zasilających (7), które stosowane są do wprowadzania cząstek węgla i gazu nośnikowego.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że w celu uzyskania chemicznych grup funkcjonalnych na powierzchni materiału węglowego środek utleniający taki jak CO2, CO, H2O, powietrze lub O2 albo środek redukujący taki jak H2 albo halogeny lub kwasy stosuje się jako gaz plazmatyczny i gaz nośnikowy albo dodaje się do gazu plazmatycznego i nośnikowego.
5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że obróbkę w strefie plazmatycznej (8) przeprowadza się w połączeniu z procesem produkcyjnym.