RU2350554C1 - Способ получения фторированного углеродного материала и устройство для его осуществления - Google Patents
Способ получения фторированного углеродного материала и устройство для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2350554C1 RU2350554C1 RU2007118562/15A RU2007118562A RU2350554C1 RU 2350554 C1 RU2350554 C1 RU 2350554C1 RU 2007118562/15 A RU2007118562/15 A RU 2007118562/15A RU 2007118562 A RU2007118562 A RU 2007118562A RU 2350554 C1 RU2350554 C1 RU 2350554C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- carbon material
- reaction
- chamber
- reactor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Inorganic Fibers (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано при изготовлении катодных материалов для литиевых химических источников тока, компонентов смазывающих веществ и наполнителей полимерных материалов. Устройство для получения фторированного углеродного материала включает реактор 1, нагреватель 9, смеситель 4 реакционного и инертного газов, газопроницаемую оснастку 8 для углеродного материала, патрубки ввода 7 и отвода 10 газов, газораспределительный узел 5 для подачи газов, центральный газоотвод, соединенный со сборником легколетучих фторсодержащих газов 12 и со сборником для конденсата газоотходящих продуктов 13. Реактор 1 выполнен многокамерным и снабжен вентиляционным кожухом 3, а нагреватель 9 установлен по периметру каждой камеры 6. Патрубки отвода 10 газов подсоединены к центральному газоотводу под углом 30-60°. Соотношение площади поперечного сечения центрального газоотвода к сумме площадей поперечного сечения патрубков отвода 10 газов составляет 1:(1,5-5). В каждую камеру 6 помещают газопроницаемую оснастку 8, на которой размещен углеродный волокнистый материал или термически расширенный графит. Реакционный газ в соотношении с инертным газом (2-20)÷(80-98) об.% соответственно подают через смеситель 4 в газораспределительный узел 5 и в камеры 6. Реакционный газ содержит 5-12 об.% фтористого водорода. Процесс проводят при 350-500°С под давлением (-20÷100) кПа в течение 2-5 ч. Изобретение позволяет повысить производительность и выход годного продукта требуемого качества и обеспечивает взрывобезопасность процесса. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.
Description
Изобретение относится к химическим источникам тока и касается получения фторированного углеродного материала, который находит применение в качестве катодного материала литиевых химических источников тока, а также в качестве компонента смазывающих веществ и наполнителя полимерных материалов.
Известен способ получения фторированного углеродного материала, включающий обработку углеродного волокна газообразной смесью фтора и азота с парциальным давлением 0,5 атм каждого компонента при температуре 340°С в течение 36 часов и при температуре 320°С в течение 72 часов (заявка Японии №59-184716, кл. С01В 31/00, 1983 г.).
Состав полученного фторированного материала находится в пределах от CF0,7 до CF1,02.
Недостатком известного способа является значительное выгорание исходного материала из-за плохого теплоотвода в процессе фторирования, что отрицательно сказывается на выходе конечного продукта, при этом из-за его охрупчивания происходит разрушение исходной волокнистой формы материала. Другим недостатком способа является большая длительность фторирования.
Известен способ получения фторированного углеродного материала, включающий термическую обработку углеродного материала реакционным газом, содержащим фтор и фтористый водород, в смеси с инертным газом (заявка ФРГ №2306737, кл. С01В 31/10, 1973 г. - прототип). В качестве углеродного материала в данном способе используют древесный уголь, нефтяной пек, обуглероженный сахар. Газообразный фтор, полученный электролизом бифторида калия, предварительно очищают от фтористого водорода сорбцией на гранулах фторида натрия и вымораживают жидким кислородом до содержания во фторе 0,5 об.%, затем фтористый водород добавляют до требуемой концентрации, но не более чем 5 об.%. Обработку углеродного материала ведут при температуре 300-400°С в течение 5-7 часов. В результате обработки получают порошкообразный фторированный материал белого цвета с размером частиц 35-40 мкм с атомным соотношением С:F=1:1.
Недостатком известного способа является невозможность получения компактного фторированного углеродного материала заданных размеров, нужной геометрической формы и необходимого состава фторированного материала.
Известно устройство для фторирования углеродного материала, включающее цилиндрическую камеру, нагревательное и охлаждающее устройство, патрубки для подачи и циркуляции смеси реакционного и инертного газов при помощи вентилятора, систему управления (заявка Японии №60-41603, кл. С01В 31/00, 1983 г.).
Недостатком известного устройства является его малая производительность из-за фторирования материала небольшими порциями. Другим недостатком является невысокий выход годного продукта за счет уноса порошка вследствие принудительной циркуляции газовой смеси в реакционной зоне. Кроме того, это устройство позволяет фторировать только порошкообразные материалы.
Известно устройство для получения фторированного углеродного материала, включающее реактор, нагреватель, смеситель реакционного и инертного газов, газопроницаемую оснастку для углеродного материала, патрубки ввода и отвода газов (а.с. СССР №861298, кл. С01В 31/00, 1981 г. - прототип).
В данном устройстве реактор выполнен в виде одной прямоугольной камеры с установленной в ней газопроницаемой оснасткой для послойного фторирования углеродного материала волокнистого типа. Нагреватель имеет регулятор мощности. Устройство также имеет измерители расхода и состава газовой смеси.
Недостатком известного устройства является использование в нем прижимных устройств, нарушающих целостность волокнистого фторированного углерода, что приводит к потерям продукта. Кроме того, послойное фторирование материала ухудшает процесс тепломассообмена. Неизотермические условия по толщине фторируемого слоя волокнистого материала приводят к разной плотности источников тепла и к выгоранию материала, что уменьшает выход годного конечного продукта. Другим недостатком является невысокая производительность устройства из-за малых загрузок материала.
Кроме того, не достигается необходимая безопасность процесса из-за того, что фторирование в слое не обеспечивает теплоотвод и отвод газообразных продуктов, которые могут при конденсации забивать газоотводящие трубки, что может привести к возникновению взрывоопасной ситуации.
Указанные недостатки в совокупности не позволяют получать фторированный углеродный материал в необходимых количествах требуемого качества для использования его в качестве активного материала катодов литиевых химических источников тока с неводным электролитом.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение выхода годного продукта требуемого качества, повышение производительности и взрывобезопасности процесса.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения фторированного углеродного материала, включающем термическую обработку углеродного материала реакционным газом, содержащим фтористый водород и фтор, в смеси с инертным газом, в качестве углеродного материала используют волокнистый материал и термически расширенный графит, реакционный газ берут в объемном соотношении с инертным газом (2-20)÷(80-98) об.% соответственно, указанный реакционный газ содержит 5-12 об.% фтористого водорода, и обработку ведут при температуре 350-500°С под давлением (-20÷100) кПа в течение 2-5 часов.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что известное устройство для получения фторированного углеродного материала, включающее реактор, нагреватель, смеситель реакционного и инертного газов, газопроницаемую оснастку для углеродного материала, патрубки ввода и отвода газов, дополнительно снабжено газораспределительным узлом для подачи газов, центральным газоотводом, соединенным со сборником легколетучих фторсодержащих газов и сборником для конденсата газоотходящих продуктов, реактор выполнен многокамерным и снабжен вентиляционным кожухом, нагреватель установлен по периметру каждой камеры, патрубки отвода газов подсоединены к центральному газоотводу под углом 30-60°, при этом соотношение площади поперечного сечения центрального газоотвода к сумме площадей поперечного сечения патрубков отвода газов составляет 1:(1,5-5).
Предлагаемое техническое решение является промышленно применимым. Полученный по предлагаемому изобретению фторированный углеродный материал с содержанием фтора 59-64% используется в качестве активного материала катода литиевых химических источников тока с неводным электролитом. Полученный материал также используется как износостойкий компонент в смазочных материалах с улучшенными свойствами, а также как наполнитель полимерных материалов, придающий последним водо- и маслоотталкивающие свойства.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Известно, что процесс фторирования углеродных материалов протекает с большими тепловыделениями. Нарушение баланса между тепловыделениями и теплоотводом в пользу первой составляющей интенсифицирует побочные процессы разложения фторированного углеродного материала с образованием газообразных фторидов углерода, которые также протекают с выделениями тепла. Если выделяемое тепло не успевает передаваться в окружающее пространство, в зоне реакции повышается температура, что увеличивает скорость побочных реакций, уменьшая качество и выход получаемого продукта.
В конечном счете, может произойти мгновенное разложение фторированного углеродного материала, имеющее, как правило, взрывной характер, что приводит к разрушению технологического оборудования.
Экспериментально подобранное соотношение реакционного и инертного газов и состав реакционного газа является оправданным, так как позволяет достигнуть положительного результата при фторировании.
Запредельные величины соотношения реакционного и инертного газов, состава реакционного газа и запредельные параметры фторирования не позволяют получать фторированный углеродный материал с необходимым содержанием фтора (59-64%), а также не обеспечивает требуемое качество продукта за счет неравномерной обработки материала.
В предлагаемом способе улучшение теплообменных характеристик и кинетики процесса фторирования достигается путем использования реакционного газа, содержащего 88-95 об.% фтора, полученного электролизом бифторида калия, и 5-12 об.% фтористого водорода. Фтористый водород тормозит образование газообразных продуктов, уменьшая выгорание углеродного материала, что приводит к повышению выхода годного фторированного углеродного материала с требуемым качеством.
Давление реакционного газа (-20÷100) кПа в реакционной зоне в сочетании с газопроницаемой оснасткой и размещенными по периметру реакционных камер нагревателями, с одной стороны, обеспечивают равномерное распределение реакционного газа по рабочей поверхности фторируемого материала, с другой - изотермические условия в зоне реакции, что создает благоприятные условия для теплоотвода и способствует повышению качества фторированного углеродного материала, на основе новых тканых и нетканых материалов и компактного материала на основе термически расширенного графита.
Предлагаемое в устройстве присоединение патрубков отвода газов к центральному газоотводу под углом 30-60° и выбранное соотношение 1:(1,5-5) площади поперечного сечения центрального газоотвода к суммарной площади поперечных сечений патрубков отвода газов создает необходимые условия для отвода образующихся газообразных летучих продуктов, препятствуя их скапливанию в реакционной зоне и конденсации в патрубках отвода газов. Это обеспечивает надежность, взрывобезопасность и высокую производительность технологического процесса.
При присоединении патрубков отвода газов к центральному газоотводу под углом менее 30° не происходит удаления конденсата из газоотводящей трубки. Выбор угла более 60° влечет за собой увеличение габаритов конструкции и усложнение обслуживания.
Выбранное соотношение площади поперечного сечения центрального газоотвода к суммарной площади поперечных сечений патрубков отвода газов как 1:(1,5-5) является оптимальным, т.к. при соотношении менее (1:1,5) происходит забивка газоотводящих трубок конденсатом, а при соотношении более (1:5) увеличиваются габариты установки и ее металлоемкость.
Предлагаемое устройство представлено на чертежах, где на фиг.1 показан общий вид устройства с 12-камерным реактором (в разрезе), на фиг.2 показан вид устройства сзади.
Устройство включает реактор фторирования 1, снабженный теплоизоляцией 2 и вентиляционным кожухом 3, создающим безопасные условия за счет предотвращения выброса реакционного газа в рабочее помещение, смеситель 4, газораспределительный узел 5 для подачи реакционной смеси из смесителя 4 в камеру 6 через патрубок ввода 7 газов, газопроницаемую оснастку 8 для углеродного материала, нагреватель 9, установленный по периметру камеры, патрубок отвода 10 газов, подсоединенный к центральному газоотводу 11 под углом 45°, соотношение площади поперечного сечения центрального газоотвода 11 к сумме площадей поперечного сечения патрубков отвода 10 газов составляет 1:2, центральный газоотвод 11 соединен со сборником 12 легколетучих фторсодержащих газов и сборником 13 для конденсата тяжелых газоотходящих продуктов. Для герметизации камер 6 используют уплотняющие крышки 14.
Процесс фторирования углеродного материала проводят следующим образом.
В каждую реакционную камеру 6 помещают газопроницаемую оснастку 8 с предварительно размещенным на ней углеродным материалом. Реактор 1 герметизируют путем закрытия камеры 6 уплотняющими крышками 14. В камерах 6 с помощью нагревателей 9 устанавливают соответствующую рабочую температуру. С помощью клапанов измерителей перепада давления устанавливают расход реакционного и инертного газов, поступающих через смеситель 4 в газораспределительный узел 5, из которого смесь распределяется по камерам 6. В процессе обработки углеродного волокнистого материала образующиеся газообразные продукты удаляются из камер 6 через патрубки отвода 10 газов в центральный газоотвод 11, из которого легколетучие фторсодержащие газы удаляются в сборник 12, а тяжелолетучие газы собираются в сборнике 13.
При своевременном окончании процесса с сохранением заданного температурного режима и состава реакционной смеси полученный фторированный углеродный материал имеет равномерный цвет по всей обрабатываемой поверхности, что свидетельствует об однородности состава и качества полученного продукта.
Ниже приведены конкретные примеры получения фторированного углеродного материала и результаты испытаний его в качестве активного материала катода в литиевых источниках тока с неводным электролитом.
Пример 1. Тканый углеродный материал на основе вискозного волокна с температурой обработки 1800°С в количестве 1 кг, предварительно размещенный на газопроницаемой подложке, загружали в камеры реактора, в который пропускали предварительно смешенные реакционный и инертный газы (2-20)÷(80-98) об.%, при содержании 5 об.% фтористого водорода в реакционном газе. Давление газовой смеси на входе в реактор составило (-20) кПа. Фторирование проводили в течение 2 часов при температуре 350°С.
По технологии примера 1, но с различными заявленными параметрами процесса, проводили фторирование материалов по примерам 2-6.
Пример 2. В камеры реактора загружали тканый углеродный материал на основе вискозного волокна с температурой обработки 2200°С.
Пример 3. В камеры реактора загружали тканый углеродный материал на основе вискозного волокна с температурой обработки 2500°С.
Пример 4. В камеры реактора загружали нетканый углеродный материал на основе вискозного волокна с температурой обработки 2200°С.
Пример 5. В камеры реактора загружали войлок углеродный с температурой обработки 2400°С.
Пример 6. В камеры реактора загружали углеродную ленту на основе терморасширенного графита.
Параметры процесса фторирования и характеристики фторированного углеродного материала, полученного по способу-прототипу и по примерам 1-6, представлены в таблице 1. В таблице 2 представлены результаты испытаний полученного материала как активного материала катода литиевого источника тока с неводным электролитом, изготовленного по способу-прототипу и по примерам 3, 5, 6.
Для изготовления активного материала катода полученный продукт был диспергирован до требуемой дисперсности.
| Таблица 1 | |||||||||
| Характеристики фторированного углеродного материала, полученного по прототипу и предлагаемому способу | |||||||||
| №№ примеров | Параметры процесса фторирования | Атомное соотношение C:F | Выход готового продукта, кг | ||||||
| Масса загружаемого материала, кг | Температура, °С | Давление, кПа | Время, ч | Соотношение реакционного и инертного газов, об.% | Состав реакционного газа, об.% | ||||
| Фтор | Фтористый водород | ||||||||
| Прототип | 0,2 | 350 | - | 6 | - | 95 | 5 | 1:0,85 | 0,23 |
| 1 | 1 | 350 | -20 | 2 | (2-20)÷(80-98) | 95 | 5 | 1:0,95 | 2,2 |
| 2 | 1,5 | 430 | 50 | 2 | (5-20)÷(80-95) | 93 | 7 | 1:1 | 3,4 |
| 3 | 2 | 500 | 100 | 2,5 | (10-20)÷(80-90) | 88 | 12 | 1:1,02 | 4,3 |
| 4 | 2,5 | 420 | 100 | 3 | (8-20)÷(80-92) | 94 | 6 | 1:1 | 5,1 |
| 5 | 0,6 | 450 | 50 | 3 | (8-20)÷(80-92) | 93 | 7 | 1:1,08 | 1,6 |
| 6 | 0,6 | 470 | 100 | 5 | (15-20)÷(80-85) | 90 | 10 | 1:1,02 | 1,5 |
| Таблица 2 | ||||
| Результаты испытаний фторированного углеродного материала в качестве активного материала катода литиевого источника тока с неводным электролитом | ||||
| №№ примеров | Исходный материал для фторирования | Начальное напряжение разряда замкнутой цепи, Y | Напряжение разряда замкнутой цепи после 50% разряда, Y | Удельная электрическая емкость, Ма.ч/кг |
| Прототип | Сажа | 2,10 | 1,7 | 250 |
| 3 | Тканый углеродный материал на основе вискозного волокна с температурой обработки 2500°С | 2,75 | 2,61 | 860 |
| 5 | Войлок углеродный | 3,50 | 2,65 | 870 |
| 6 | Углеродная лента на основе терморасширенного графита | 3,10 | 2,70 | 920 |
Фторирование углеродных материалов, проведенное с запредельными технологическими параметрами процесса, не позволило достичь положительных результатов.
Как видно из таблицы 1, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает получение качественных фторированных углеродных материалов на основе различных исходных волокнистых тканых и нетканых материалов и на основе ленты из термически расширенного графита с большим выходом конечного продукта.
Из таблицы 2 видно, что электрохимические свойства фторированного углеродного материала, полученного на основе различных исходных углеродных материалов по предлагаемому способу, позволяют расширить ассортимент катодных материалов для литиевых источников тока различной конструкции с высокими эксплуатационными параметрами.
Claims (2)
1. Способ получения фторированного углеродного материала, включающий термическую обработку углеродного материала реакционным газом, содержащим фтор и фтористый водород, в смеси с инертным газом, отличающийся тем, что в качестве углеродного материала используют волокнистый материал или термически расширенный графит, реакционный газ берут в объемном соотношении с инертным газом (2-20)÷(80-98) об.% соответственно, указанный реакционный газ содержит 5-12 об.% фтористого водорода и обработку ведут при температуре 350-500°С под давлением (-20÷100) кПа в течение 2-5 ч.
2. Устройство для получения фторированного углеродного материала, включающее реактор, нагреватель, смеситель реакционного и инертного газов, газопроницаемую оснастку для углеродного материала, патрубки ввода и отвода газов, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено газораспределительным узлом для подачи газов, центральным газоотводом, соединенным со сборником легколетучих фторсодержащих газов, и сборником для конденсата газоотходящих продуктов, реактор выполнен многокамерным и снабжен вентиляционным кожухом, нагреватель установлен по периметру каждой камеры, патрубки отвода газов подсоединены к центральному газоотводу под углом 30-60°, при этом соотношение площади поперечного сечения центрального газоотвода к сумме площадей поперечного сечения патрубков отвода газов составляет 1:(1,5-5).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007118562/15A RU2350554C1 (ru) | 2007-05-21 | 2007-05-21 | Способ получения фторированного углеродного материала и устройство для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007118562/15A RU2350554C1 (ru) | 2007-05-21 | 2007-05-21 | Способ получения фторированного углеродного материала и устройство для его осуществления |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007118562A RU2007118562A (ru) | 2008-11-27 |
| RU2350554C1 true RU2350554C1 (ru) | 2009-03-27 |
Family
ID=40542789
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007118562/15A RU2350554C1 (ru) | 2007-05-21 | 2007-05-21 | Способ получения фторированного углеродного материала и устройство для его осуществления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2350554C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2464673C1 (ru) * | 2011-06-14 | 2012-10-20 | Владимир Павлович Пониматкин | Способ получения фторированного углеродного материала |
| RU2768123C1 (ru) * | 2021-04-09 | 2022-03-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ») | Реактор для активации углеродного материала |
-
2007
- 2007-05-21 RU RU2007118562/15A patent/RU2350554C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ФИАЛКОВ A.C. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. - М.: Аспект Пресс, 1997, с.379-397. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2464673C1 (ru) * | 2011-06-14 | 2012-10-20 | Владимир Павлович Пониматкин | Способ получения фторированного углеродного материала |
| RU2768123C1 (ru) * | 2021-04-09 | 2022-03-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ») | Реактор для активации углеродного материала |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007118562A (ru) | 2008-11-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE69838790T2 (de) | Verfahren zur oxidation durch in situ erzeugten dampf | |
| KR20010022259A (ko) | 가요성 흑연 복합체 | |
| US5505929A (en) | Method for manufacturing high purity graphite material and manufacturing apparatus for use thereof | |
| US8329008B2 (en) | Gas generating device and carbon electrode for gas generation | |
| CN100384715C (zh) | 以三氟化氮为氟化剂合成氟化石墨或氟化碳的工艺 | |
| RU2350554C1 (ru) | Способ получения фторированного углеродного материала и устройство для его осуществления | |
| US4595573A (en) | Chlorinator furnace and method for producing tetrachloride of such metals as titanium and zirconium | |
| CN104529533A (zh) | 一种热交换器用石墨管的制备方法 | |
| US5543120A (en) | Method for converting asbestos to non-carcinogenic compounds | |
| KR100742484B1 (ko) | 기화되는 불산을 최소화한 고순도 삼불화질소 제조용전해조 및 이를 이용한 삼불화 질소의 제조방법 | |
| CN108516543A (zh) | 六氟锰酸钾和五氟化锑共热产氟气提纯石墨的方法 | |
| CN108529615A (zh) | 一种添加氟化盐为浸渍剂的石墨提纯方法 | |
| TWI611147B (zh) | 廢氣之燃燒式淨化裝置 | |
| CN109019587A (zh) | 一种新型提纯石墨的方法 | |
| Bourelle et al. | Electrochemical exfoliation of graphite in trifluoroacetic media | |
| CN108516544A (zh) | 电解hf和khf2产生氟气提纯石墨的方法及系统 | |
| EP1671928B1 (en) | Durable graphite bodies and method for their production | |
| CN115487774A (zh) | 一种制备氟化沥青的装置及制备方法 | |
| JPH03133065A (ja) | 固体電解質燃料電池モジュール | |
| KR101566959B1 (ko) | 내염화성 셀룰로오스계 탄소섬유 제조방법 및 이에 의해 제조된 셀룰로오스계 탄소섬유 | |
| JP4170447B2 (ja) | 炭素材料の高純度化処理方法、及び高純度化処理装置 | |
| RU2170701C2 (ru) | Способ получения фторированного углерода | |
| RU2119448C1 (ru) | Способ получения фторированного углерода и устройство для его осуществления | |
| JP2005325019A (ja) | 光ファイバーの製造方法 | |
| CN111533834B (zh) | 一种复合材料制备装置及制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20140807 |