RU2593143C1 - Method of producing carbon nonwoven material - Google Patents
Method of producing carbon nonwoven material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2593143C1 RU2593143C1 RU2015120222/12A RU2015120222A RU2593143C1 RU 2593143 C1 RU2593143 C1 RU 2593143C1 RU 2015120222/12 A RU2015120222/12 A RU 2015120222/12A RU 2015120222 A RU2015120222 A RU 2015120222A RU 2593143 C1 RU2593143 C1 RU 2593143C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- viscose
- woven
- needle
- woven material
- Prior art date
Links
Landscapes
- Woven Fabrics (AREA)
- Nonwoven Fabrics (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области получения углеродных нетканых материалов, в том числе для использования в качестве материала для изготовления газодиффузионных электродов электрохимических источников тока.The present invention relates to the field of carbon non-woven materials, including for use as a material for the manufacture of gas diffusion electrodes of electrochemical current sources.
Из уровня техники известен материал, получаемый по способу изготовления нетканого иглопробивного материала, армированного сеткой, включающего образование первого и второго нетканых слоев, одинаковых по составу и свойствам, расположение сетки из стекловолокна с нитью 34 текс, размером ячейки 12 мм в продольном направлении и 6 мм по утку между ними [Патент РФ 2360050 C2, D04H 1/54, B32B 7/08. Способ изготовления нетканого иглопробивного материала, армированного сеткой. 27.06.2009].The prior art material obtained by a method of manufacturing a non-woven needle-punched material reinforced with a mesh, including the formation of the first and second non-woven layers of the same composition and properties, the location of the mesh of fiberglass with a thread of 34 tex, mesh size 12 mm in the longitudinal direction and 6 mm for a duck between them [RF Patent 2360050 C2, D04H 1/54, B32B 7/08. A method of manufacturing a nonwoven needle-punched material reinforced with a mesh. 06/27/2009].
Недостатком данного материала является то, что в качестве армирующего элемента выступает сетка из стекловолокна, что делает материал непригодным для переработки его в углеродный вследствие плавкости стеклянных волокон. Данный материал может служить основой для производства строительных, отделочных и других подобных материалов.The disadvantage of this material is that the fiberglass mesh acts as a reinforcing element, which makes the material unsuitable for processing it into carbon due to the fusibility of glass fibers. This material can serve as the basis for the production of construction, decoration and other similar materials.
Из уровня техники известен углеродный нетканый материал и способ его производства. Нетканый материал из штапелированных углеродных волокон получен путем смешения углеродных волокон с плавкими волокнами из смол с последующим прессованием массы и карбонизацией. Соотношение углеродные волокна/плавкие волокна - 90/10÷20/80, что обеспечивает легкость получаемого углеродного материала [Патент JP 2008081872 A, D01F 9/21; D04H 1/42; D04H 1/60. Углеродный нетканый материал и способ его производства. 10.10.2000].The prior art carbon non-woven material and method for its production. Non-woven material made of stapled carbon fibers is obtained by mixing carbon fibers with fusible fibers from resins, followed by compression of the mass and carbonization. The ratio of carbon fibers / fusible fibers is 90/10 ÷ 20/80, which ensures the ease of the obtained carbon material [Patent JP 2008081872 A, D01F 9/21; D04H 1/42; D04H 1/60. Carbon nonwoven material and method for its production. 10/10/2000].
Недостатком данного углеродного нетканого материала является использование плавких волокон из смол, что в результате дает непористый материал, который не может быть использован в качестве газодиффузионного электрода электрохимических источников тока.The disadvantage of this carbon non-woven material is the use of fusible resins, which results in a non-porous material that cannot be used as a gas diffusion electrode of electrochemical current sources.
Из уровня техники известно производство нетканых материалов из углеродных нитей. Нетканый материал получают аэродинамическим формованием, с определенным соотношением скоростей подачи газа и смолы, далее происходит карбонизация с получением нетканого материала из углеродного волокна [Патент JP 4209862 A, D01F 9/14; D04H 3/00. Производство нетканых материалов из углеродных нитей. 31.07.1992].The prior art production of non-woven materials from carbon filaments. Non-woven material is obtained by aerodynamic molding, with a certain ratio of gas and resin feed rates, then carbonization occurs to produce a non-woven material from carbon fiber [Patent JP 4209862 A, D01F 9/14; D04H 3/00. Production of non-woven materials from carbon filaments. 07/31/1992].
Недостатком данного способа производства является усложнение технологии за счет использования аэродинамического формования, что предполагает использование специального оборудования.The disadvantage of this production method is the complexity of the technology through the use of aerodynamic molding, which involves the use of special equipment.
Из уровня техники известны нетканые волокнистые материалы и электроды из них. Данные нетканые волокнистые материалы могут быть использованы в различных электрохимических устройствах, водородных накопителях, каталитических подложках [Патент РФ 2429317 С2, D04H 3/00, D01F 9/12, С25В 11/12, H01M 4/02, H01G 9/04, B32B 9/00. Нетканые волокнистые материалы и электроды из них. 20.09.2011].Non-woven fibrous materials and their electrodes are known in the art. These nonwoven fibrous materials can be used in various electrochemical devices, hydrogen storage rings, catalytic substrates [RF Patent 2429317 C2, D04H 3/00, D01F 9/12, C25B 11/12, H01M 4/02, H01G 9/04, B32B 9 / 00. Non-woven fibrous materials and electrodes thereof. 09/20/2011].
Недостатком данных нетканых волокнистых материалов является то, что они состоят из фрагментов активированного углеродного волокна, которое является хрупким и подвергается разрушению в процессе работы материала.The disadvantage of these nonwoven fibrous materials is that they consist of fragments of activated carbon fiber, which is brittle and is subject to destruction during operation of the material.
Из уровня техники известны проводящие полотна, содержащие токопроводы, и способ их изготовления. Проводящий материал включает проводящее нетканое полотно, содержащее проводящие углеродные волокна в комбинации с волокнами целлюлозы и/или синтетическими волокнами [Патент РФ 2496933 С2, D04H 13/00, B05D 7/00, B32B 1/00, B32B 5/26. Проводящие полотна, содержащие токопроводы, и способ их изготовления. 27.10.2013].The prior art conductive webs containing conductors, and a method for their manufacture. The conductive material includes a conductive non-woven fabric containing conductive carbon fibers in combination with cellulose fibers and / or synthetic fibers [RF Patent 2496933 C2, D04H 13/00, B05D 7/00, B32B 1/00, B32B 5/26. Conductive webs containing conductors, and a method for their manufacture. 10.27.2013].
Недостатком способа изготовления проводящих полотен является образование проводящих и непроводящих зон в материале, а так же применение ультразвука, что может приводить к разрушению углеродных волокон.The disadvantage of the method of manufacturing conductive webs is the formation of conductive and non-conductive zones in the material, as well as the use of ultrasound, which can lead to the destruction of carbon fibers.
Из уровня техники известен способ армирования нетканого материала, бумаги, картона и устройство для его осуществления, в котором в качестве армирующего материала используют ровницу, нити, ткани разреженных структур [Патент РФ 2087609 C1, D21F 1/00; D21H 27/34. Способ армирования нетканого материала, бумаги, картона и устройство для его осуществления. 20.08.1998].The prior art method of reinforcing non-woven material, paper, cardboard and a device for its implementation, in which the reinforcing material is used roving, yarn, fabric sparse structures [RF Patent 2087609 C1, D21F 1/00; D21H 27/34. A method of reinforcing non-woven material, paper, cardboard and a device for its implementation. 08/20/1998].
Недостатком данного способа является то, что количество и взаимное расположение вводимой формирующей ровницы, нитей произвольное, а также сложность и многостадийность технологии.The disadvantage of this method is that the number and relative position of the input forming rovings, threads is arbitrary, as well as the complexity and multi-stage technology.
Наиболее близким к заявленному является способ получения углеродного нетканого материала, при котором армирование наружных слоев нетканых материалов из штапелированных волокон осуществляют непрерывными вискозными нитями, расположенными параллельно друг другу вдоль наружных слоев [Патент РФ 2213820 C1, D04H 1/42, D04H 5/08. Способ получения углеродного нетканого материала. 10.10.2003]. Формирование каркасного слоя и армирование нетканого материала происходит одновременно, для этого наружные слои нетканого материала и нити каркасного слоя, намотанные на бобины, одновременно подают на агрегат ИМ-1800М-А с одинаковой скоростью, при этом нити каркасного слоя, проходя через нитепроводящее устройство - гребенку, укладываются параллельно друг другу (с плотностью от 50 до 100 на 1 м ширины) вдоль наружных слоев. Соотношение поверхностных плотностей нетканых наружных слоев и внутреннего каркасного слоя составляет (15,5-7,0):(1-4):(15,5-47,0). На агрегате ИМ-1800М-А происходит скрепление всех слоев путем иглопрокалывания. Число проколов может варьироваться 60-250 на 1 см2 (60·104-250·104 на 1 м2). Closest to the claimed is a method of producing a carbon non-woven material, in which the reinforcement of the outer layers of non-woven materials from stapled fibers is carried out by continuous viscose threads parallel to each other along the outer layers [RF Patent 2213820 C1, D04H 1/42, D04H 5/08. A method of producing a carbon nonwoven material. 10/10/2003]. The formation of the frame layer and the reinforcement of the nonwoven material occurs simultaneously, for this the outer layers of the nonwoven material and the threads of the frame layer wound on bobbins are simultaneously fed to the IM-1800M-A unit at the same speed, while the threads of the frame layer passing through a thread-conducting device - comb are stacked parallel to each other (with a density of 50 to 100 per 1 m of width) along the outer layers. The ratio of the surface densities of the nonwoven outer layers and the inner frame layer is (15.5-7.0) :( 1-4) :( 15.5-47.0). On the IM-1800M-A unit, all layers are bonded by needle piercing. The number of punctures can vary 60-250 per 1 cm 2 (60 · 10 4 -250 · 10 4 per 1 m 2 ).
Таким образом, общее число проколов в нетканом материале, получаемом по заявляемому способу, составляет от 120-500 на 1 см2 (120·104-500·104 на 1 м2). В дальнейшем получаемый нетканый материал подвергают карбонизации в печи карбонизации в среде инертного газа (азота) с постепенным подъемом температуры до 600-700°C. Получаемые карбонизованные материалы применяют также как полупродукт для получения графитированных материалов. После карбонизации нетканый материал подвергают графитации в печи графитации при температуре 1500-2500°C. Получаемый по данной технологии материал может быть использован в качестве теплоизоляционных, электропроводящих и фильтрующих материалов.Thus, the total number of punctures in the nonwoven material obtained by the present method is from 120-500 per 1 cm 2 (120 · 10 4 -500 · 10 4 per 1 m 2 ). Subsequently, the resulting nonwoven material is subjected to carbonization in a carbonization furnace in an inert gas (nitrogen) medium with a gradual increase in temperature to 600-700 ° C. The resulting carbonized materials are also used as an intermediate for the production of graphitized materials. After carbonization, the nonwoven material is graphitized in a graphitization furnace at a temperature of 1500-2500 ° C. The material obtained by this technology can be used as heat-insulating, electrically conductive and filtering materials.
Недостатком данного способа является однонаправленное армирование наружных слоев, что приводит к неравномерности прочностных характеристик в поперечном направлении, а также использование нитепроводников (гребенки) для подачи армирующих нитей.The disadvantage of this method is the unidirectional reinforcement of the outer layers, which leads to uneven strength characteristics in the transverse direction, as well as the use of thread conductors (combs) for feeding reinforcing threads.
Кроме того, как видно из результатов, приведенных в прототипе, прочность графитированных нетканых материалов варьируется от 150 до 332 Н/5 см, воздухопроницаемость - 43-87 дм3/м2×с, а электросопротивление составляет 1-2 Ом.In addition, as can be seen from the results given in the prototype, the strength of graphitized nonwoven materials varies from 150 to 332 N / 5 cm, air permeability is 43-87 dm 3 / m 2 × s, and the electrical resistance is 1-2 Ohms.
Техническим результатом заявленного изобретения является устранение указанных недостатков, а именно улучшение технологичности процесса за счет исключения стадии дополнительной ориентации каркасного слоя за счет армирования наружных слоев нетканых материалов из штапелированных волокон разреженной тканью, образованной полотняным переплетением вискозных нитей, при одновременном увеличении прочности по всему объему получаемых графитированных нетканых материалов за счет введения разреженной ткани, снижении электросопротивления и сохранении воздухопроницаемости путем формирования каналов сложной изогнутой формы, которые в совокупности со сквозными каналами образуют пористую структуру, с возможностью регулирования воздухопроницаемости и более стабильный подвод газов в зону реакции при работе газодиффузионных электродов электрохимических источников тока.The technical result of the claimed invention is to eliminate these drawbacks, namely improving the processability by eliminating the stage of additional orientation of the carcass layer by reinforcing the outer layers of nonwoven materials from stapled fibers with a sparse fabric formed by plain weaving of viscose yarns, while increasing the strength throughout the entire volume of graphite non-woven materials due to the introduction of sparse fabric, reducing electrical resistance and ohranenii air permeability by forming a complex curved channels which together with the through channels to form a porous structure, with the possibility of adjusting the air permeability and a more stable supply of gas to the reaction zone with the gas diffusion electrodes of electrochemical power sources.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения углеродного нетканого материала, включающем формирование трехслойного нетканого материала из вискозного сырья, состоящего из двух иглопробивных наружных слоев и внутреннего каркасного слоя, с последующим иглопрокалыванием, а затем карбонизацией полученного нетканого материала в среде азота при постепенном повышении температуры до 600-700°C и дальнейшей графитацией при температуре 1500-2500°C, формирование трехслойного нетканого материала осуществляют путем смещения относительно друг друга на 1,5-2 мм двух наружных иглопробивных слоев с различным числом проколов в соотношении 1:2 с поверхностной плотностью одного слоя 72-150 г2/м и числом проколов 6-18 на 1 см2 и поверхностной плотностью 45-120 г2/м и числом проколов 12-36 на 1 см2 для другого слоя, полученных из вискозных штапелированных волокон с длиной не менее 51 мм, и каркасный слой с поверхностной плотностью 50-120 г/м2, состоящий из разреженной ткани, образованной полотняным переплетением вискозных нитей под углом в 90 градусов с линейной плотностью 13-52 текс, с размером ячейки от 1×1 до 4×4 мм, иглопрокалывают с получением нетканого вискозного материала объемной плотностью 71-112 кг/м3.The specified technical result is achieved by the fact that in the method for producing a carbon non-woven material, comprising forming a three-layer non-woven material from viscose raw materials consisting of two needle-punched outer layers and an inner frame layer, followed by needle piercing, and then carbonization of the obtained non-woven material in nitrogen with a gradual increase temperatures up to 600-700 ° C and further graphitization at a temperature of 1500-2500 ° C, the formation of a three-layer nonwoven material is carried out by displacement relative to each other by 1.5-2 mm of two outer needle-punched layers with a different number of punctures in a ratio of 1: 2 with a surface density of one layer of 72-150 g 2 / m and a number of punctures of 6-18 per 1 cm 2 and a surface density of 45- 120 g 2 / m and the number of punctures 12-36 per 1 cm 2 for another layer obtained from viscose stapled fibers with a length of at least 51 mm, and a frame layer with a surface density of 50-120 g / m 2 , consisting of a sparse fabric, formed by plain weaving of viscose yarns at an angle of 90 degrees with a linear density of 13-52 tex, with ra mer cell 1 × 1 to 4 × 4 mm to obtain igloprokalyvayut viscose nonwoven material bulk density of 71-112 kg / m 3.
Существенным отличием заявляемого способа является то, что заявленную совокупность технологических приемов по получению углеродных нетканых материалов с формированием трехслойного нетканого материала осуществляют путем смещения двух наружных иглопробивных слоев относительно друг друга на 1,5-2 мм с поверхностной плотностью одного слоя 72-150 г/м2 и числом проколов 6-18 на 1 см2 и поверхностной плотностью 45-120 г/м2 и числом проколов 12-36 на 1 см2 для другого слоя, полученных из вискозных штапелированных волокон с длиной не менее 51 мм, и внутренний каркасный слой с поверхностной плотностью 50-120 г/м2, состоящий из разреженной ткани, образованной полотняным переплетением вискозных нитей под углом в 90 градусов с линейной плотностью 13-52 текс, с размером ячейки от 1×1 до 4×4 мм, иглопрокалывают с получением нетканого вискозного материала объемной плотностью 71-112 кг/м3, непосредственно после получения нетканого материала осуществляют карбонизацию при постепенном повышении температуры до 600-700°C и дальнейшую графитацию при температуре 1500-2500°C, что обеспечивает формирование каналов сложной изогнутой формы, которые в совокупности со сквозными каналами образуют пористую структуру с возможностью регулирования воздухопроницаемости и более стабильный подвод газов в зону реакции при работе газодиффузионных электродов электрохимических источников тока.A significant difference of the proposed method is that the claimed combination of technological methods for producing carbon non-woven materials with the formation of a three-layer non-woven material is carried out by shifting the two outer needle-punched layers relative to each other by 1.5-2 mm with a surface density of one layer of 72-150 g / m 2 and the number of punctures 6-18 per 1 cm 2 and a surface density of 45-120 g / m 2 and the number of punctures 12-36 per 1 cm 2 for another layer obtained from viscose stapled fibers with a length of at least 51 mm, and the inner the th skeleton layer with a surface density of 50-120 g / m 2 , consisting of a sparse fabric formed by plain weaving of viscose yarn at an angle of 90 degrees with a linear density of 13-52 tex, with a mesh size of 1 × 1 to 4 × 4 mm, igloprokalyvayut to obtain viscose nonwoven material bulk density of 71-112 kg / m 3, immediately after preparation of the nonwoven fabric is performed while gradually elevating the carbonization temperature to 600-700 ° C and subsequent graphitization at temperatures 1500-2500 ° C, which ensures the formation of channels is difficult curved, which together with the through channels to form a porous structure with adjustably breathability and more stable supply of gas to the reaction zone with the gas diffusion electrodes of electrochemical power sources.
Заявляемый способ получения нетканого углеродного материала осуществляют путем получения армированного нетканого материала, его карбонизацией, последующей графитацией. Для получения армированного нетканого материала предварительно нарабатывают наружные слои и каркасный слой.The inventive method for producing non-woven carbon material is carried out by obtaining a reinforced non-woven material, its carbonization, followed by graphitization. To obtain a reinforced nonwoven material, the outer layers and the carcass ply are pre-fabricated.
В качестве наружных слоев используют волокнистые холсты из вискозных штапелированных волокон со следующим метрическим составом, определенным экспериментально:As the outer layers using fibrous canvas from viscose stapled fibers with the following metric composition, experimentally determined:
длиной 51-73 мм - 24%51-73 mm long - 24%
длиной 74-95 мм не менее 46%;length 74-95 mm not less than 46%;
длиной 96-120 мм - не менее 30%.96-120 mm long - at least 30%.
Массу штапелированных вискозных волокон известными способами предварительно разрыхляют и подают на чесальную машину, где из прочеса формируют холст. При этом волокна длиной 51-95 мм обеспечивают равномерность объемной плотности за счет равномерного распределения в прочесе. Волокна длиной 96-120 мм, пронизывая всю массу получаемого прочеса и в дальнейшем нетканого материала, позволяют уже на стадии получения прочеса объединить все волокна каждого слоя в единую массу холста. Характеристики наружных исходных слоев после иглопрокалывания приведены в таблице 1.The mass of stapled viscose fibers by known methods is preliminarily loosened and fed to a carding machine, where a canvas is formed from the comb. At the same time, fibers 51-95 mm long provide uniform bulk density due to uniform distribution in the weave. Fibers 96-120 mm long, penetrating the entire mass of the obtained webs and subsequently non-woven material, allow us to combine all the fibers of each layer into a single mass of canvas already at the stage of obtaining webs. The characteristics of the outer initial layers after needle piercing are shown in table 1.
Один волокнистый холст подвергают одностороннему иглопрокалыванию (иглы расположены в шахматном порядке вертикально относительно холста, глубина прокалывания 3-4 мм) с образованием первого слоя материала. Число проколов первого слоя составляет от 6 до 18 на 1 см2, при этом объемная плотность получаемого нетканого слоя составляет 18-32 кг/м3. Одновременно готовят другой слой заявляемого нетканого материала. Для этого другой волокнистый холст подвергают одностороннему иглопрокалыванию (иглы расположены в шахматном порядке вертикально относительно холста, глубина прокалывания 3-4 мм) с образованием другого слоя материала. Число проколов другого слоя составляет от 12 до 36 на 1 см2, при этом объемная плотность получаемого нетканого слоя составляет 20-38 кг/м3. Соотношение числа проколов наружных слоев материала равно 1:2.One fibrous canvas is subjected to unilateral needle piercing (the needles are staggered vertically relative to the canvas, the piercing depth is 3-4 mm) with the formation of the first layer of material. The number of punctures of the first layer is from 6 to 18 per 1 cm 2 , while the bulk density of the resulting non-woven layer is 18-32 kg / m 3 . At the same time, another layer of the inventive nonwoven fabric is prepared. To do this, another fibrous canvas is subjected to unilateral needle piercing (the needles are staggered vertically relative to the canvas, the piercing depth is 3-4 mm) with the formation of another layer of material. The number of punctures of another layer is from 12 to 36 per 1 cm 2 , while the bulk density of the resulting non-woven layer is 20-38 kg / m 3 . The ratio of the number of punctures of the outer layers of the material is 1: 2.
В качестве каркасного слоя используют разреженную ткань, образованную полотняным переплетением вискозных нитей под углом в 90 градусов с линейной плотностью 13-52 текс, с размером ячейки от 1×1 до 4×4 мм. Используемая разреженная ткань, образованная полотняным переплетением вискозных нитей, способная выдерживать разрывные нагрузки 60-150 сН/текс, выполняет, с одной стороны, роль транспортера, позволяющего протягивать без потери сплошности нетканые материалы через все технологические стадии, начиная с получения армированных нетканых материалов, до стадии получения готового углеродного продукта. С другой стороны, разреженная ткань является таким конструкционным элементом нетканого материала, который обеспечивает при иглопрокалывании прочное зацепление фракций длинных штапелированных волокон наружных слоев с каркасным слоем, благодаря чему получаемые армированные нетканые материалы обладают достаточной прочностью для получения углеродных нетканых материалов. Характеристики исходного каркасного слоя приведены в табл.2.As the skeleton layer, sparse fabric is used, formed by plain weaving of viscose yarns at an angle of 90 degrees with a linear density of 13-52 tex, with a mesh size of 1 × 1 to 4 × 4 mm. The sparse fabric used, formed by plain weaving of viscose yarns that can withstand breaking loads of 60-150 cN / tex, performs, on the one hand, the role of a conveyor that allows stretching non-woven materials without loss of continuity through all technological stages, starting from the production of reinforced non-woven materials, to stage of the finished carbon product. On the other hand, a sparse fabric is such a structural element of a nonwoven material that provides, when needle-piercing, strong engagement of fractions of long staple fibers of the outer layers with the carcass layer, so that the resulting reinforced non-woven materials have sufficient strength to produce carbon non-woven materials. The characteristics of the initial frame layer are given in table.2.
В заявляемом способе получения углеродных нетканых материалов применяют армирование нетканого материала разреженной тканью, образованной полотняным переплетением вискозных нитей под углом в 90 градусов с линейной плотностью 13-52 текс, с размером ячейки от 1×1 до 4×4 мм, который является как упрочняющим элементом, так и элементом, объединяющим наружные слои, состоящие из штапелированных волокон, а также электропроводящим элементом, иглопрокалывание. Одновременно каркасный слой выполняет функцию транспортера при проведении нетканого материала через все технологические стадии получения углеродных нетканых материалов.In the inventive method for producing carbon non-woven materials, reinforcement of the non-woven material with a sparse fabric formed by plain weaving of viscose yarns at an angle of 90 degrees with a linear density of 13-52 tex, with a mesh size of 1 × 1 to 4 × 4 mm, which is a reinforcing element, is used. and the element combining the outer layers, consisting of staple fibers, as well as the electrically conductive element, needle piercing. At the same time, the skeleton layer performs the function of a conveyor when conducting non-woven material through all technological stages of producing carbon non-woven materials.
Одним из преимуществ заявляемого способа получения нетканого материала является то, что формирование нетканого материала и армирование каркасным слоем происходит одновременно, для этого наружные слои нетканого материала и каркасный слой, намотанные на бобины, подают со смещением 1,5-2 мм на иглопробивной агрегат с одинаковой скоростью. На иглопробивном агрегате происходит скрепление всех слоев путем иглопрокалывания (иглы расположены в шахматном порядке вертикально относительно холста, глубина прокалывания 3-4 мм).One of the advantages of the proposed method for producing non-woven material is that the formation of non-woven material and the reinforcement of the skeleton layer occurs simultaneously, for this the outer layers of the non-woven material and the skeleton layer wound on bobbins are fed with a bias of 1.5-2 mm onto the needle-punched unit with the same speed. On the needle-punching unit, all layers are fastened together by needle-piercing (the needles are staggered vertically relative to the canvas, the piercing depth is 3-4 mm).
Примеры армированных нетканых материалов, поступающих в дальнейшем на карбонизацию, приведены в табл. 3. Непосредственно после получения по заявляемому способу нетканый материал с воздухопроницаемостью 54-280 дм3/м2·с, прочностью 320-1440 Н/5 см, поверхностной плотностью 148-312 г/м2, объемной плотностью 71-112 кг/м3 подвергают карбонизации в печи карбонизации, например в печи СПЗ-13, в среде инертного газа (азота) с постепенным подъемом температуры до 600-700°C в течение 25-35 мин, аналогично прототипу. За счет созданной на стадии формирования нетканого материала структуры при карбонизации получают объемный упругий материал. Равномерность объемной плотности материалу придают волокна длиной 51-95 мм. Волокна длиной 96-120 мм, пронизывая все слои нетканого материала, обеспечивают сплошность по объему и позволяют удерживать волокна длиной 51-73 мм в массе холста, а каркасный слой по-прежнему выполняет функцию транспортера и основных упрочняющих элементов, обеспечивая высокие физико-механические характеристики материала.Examples of reinforced non-woven materials, coming in the future for carbonization, are given in table. 3. Immediately after receiving by the present method a non-woven material with air permeability of 54-280 dm 3 / m 2 · s, strength 320-1440 N / 5 cm, surface density 148-312 g / m 2 , bulk density 71-112 kg / m 3 are subjected to carbonization in a carbonization furnace, for example in an SPZ-13 furnace, in an inert gas (nitrogen) medium with a gradual increase in temperature to 600-700 ° C over 25-35 minutes, similar to the prototype. Due to the structure created at the stage of formation of the nonwoven material during carbonization, bulk elastic material is obtained. The uniformity of bulk density of the material is imparted by fibers with a length of 51-95 mm. Fibers 96-120 mm long, penetrating all layers of non-woven material, provide continuity in volume and can hold fibers 51-73 mm long in the mass of the canvas, and the skeleton layer still serves as a conveyor and the main reinforcing elements, providing high physical and mechanical characteristics material.
В табл. 4 приведены примеры получаемых карбонизованных материалов и их свойства, позволяющие оценить влияние сочетания каркасного и наружных слоев нетканого материала на характеристики карбонизованного материала, такие как поверхностная и объемная плотности, прочность, воздухопроницаемость, толщина. После карбонизации нетканый материал подвергают графитации в печи графитации, например в печи ПНВ, при температуре 1500-2500°C в течение 10-20 мин. При графитации увеличивается объемная плотность нетканого материала, что ведет к увеличению электропроводности, а каркасный слой из разреженной ткани обеспечивает электропроводность не только в одном направлении, а во всех направлениях плоскости материала. А сложная система каналов, образующаяся при смещении наружных слоев относительно друг друга на 1,5-2, мм обеспечивает применение графитированных материалов в качестве материалов для изготовления электропроводящих материалов, в том числе газодиффузионных электродов электрохимических источников тока, получаемых по известной технологии. Свойства получаемых графитированных материалов описаны в табл. 4.In the table. Figure 4 shows examples of the obtained carbonized materials and their properties, allowing to evaluate the effect of the combination of the frame and outer layers of the nonwoven material on the characteristics of the carbonized material, such as surface and bulk density, strength, breathability, thickness. After carbonization, the nonwoven material is subjected to graphitization in a graphitization furnace, for example, in a NVD furnace, at a temperature of 1500-2500 ° C for 10-20 minutes. During graphitization, the bulk density of the nonwoven material increases, which leads to an increase in electrical conductivity, and the skeleton layer of rarefied fabric provides electrical conductivity not only in one direction, but in all directions of the material plane. A complex system of channels, formed when the outer layers are offset by 1.5-2 mm, provides the use of graphitized materials as materials for the manufacture of electrically conductive materials, including gas diffusion electrodes of electrochemical current sources obtained by known technology. The properties of the obtained graphitized materials are described in table. four.
Все испытания проводились:All tests were carried out:
- Определение прочности по ГОСТ 15902.3-79.- Determination of strength according to GOST 15902.3-79.
- Определение усадки поверхностной плотности и линейных размеров по ГОСТ 29104.1 -91.- Determination of shrinkage of surface density and linear dimensions according to GOST 29104.1 -91.
- Определение электросопротивления по ГОСТ 11529 - 86.4.2.- Determination of electrical resistance according to GOST 11529 - 86.4.2.
- Определение воздухопроницаемости по ГОСТ 12088-77.- Determination of air permeability according to GOST 12088-77.
Пример 1. Для получения армированного углеродного нетканого материала предварительно нарабатывают наружные слои и каркасный слой. В качестве наружных слоев используют волокнистые холсты из вискозных штапелированных волокон вида «а» (см. таблицу 1). В качестве каркасного слоя используют разреженную ткань вида «д» (см. таблицу 2), образованную полотняным переплетением вискозных нитей под углом в 90 градусов с линейной плотностью 13 текс, размером ячейки 2×2 мм, прочностью ткани 60 сН/текс, поверхностной плотностью 50 г/м2 и объемной плотностью 5 кг/м2. Формирование нетканого материала и армирование каркасным слоем происходит одновременно, для этого наружные слои нетканого материала и каркасный слой, намотанные на бобины, подают со смещением 1,5-2 мм на иглопробивной агрегат с одинаковой скоростью. На иглопробивном агрегате происходит скрепление всех слоев путем иглопрокалывания (иглы расположены в шахматном порядке вертикально относительно холста, глубина прокалывания 3-4 мм). В дальнейшем нетканый материал с воздухопроницаемостью 100 дм3/м2×с, прочностью 320 Н/5 см, поверхностной плотностью 148 г/м2, объемной плотностью 90 кг/м3 (см. таблицу 3) подвергают карбонизации в печи карбонизации в среде инертного газа (азота) с постепенным подъемом температуры до 650°C в течение 30 мин. После карбонизации получают нетканый материал с поверхностной плотностью 74 г/м2, объемной плотностью 114,2 кг/м3, прочностью 115,2 Н/5 см, воздухопроницаемостью 90 дм3/м2×с и толщиной 0,6 мм (см. таблицу 4), после этого нетканый материал подвергают графитации в печи графитации при температуре 2000°C в течение 14 минут и получают нетканый графитированный материал с поверхностной плотностью 67 г/м2, объемной плотностью 116 кг/м3, прочностью 230 Н/5 см, воздухопроницаемостью 60 дм3/м2×с, толщиной 0,583 мм и электросопротивлением 0,6 Ом.Example 1. To obtain a reinforced carbon non-woven material, the outer layers and the carcass ply are pre-fabricated. As the outer layers use fibrous canvas from viscose stapled fibers of the type "a" (see table 1). As a skeleton layer, sparse fabric of type “d” is used (see table 2), formed by plain weaving of viscose yarns at an angle of 90 degrees with a linear density of 13 tex, mesh size 2 × 2 mm, fabric strength 60 cN / tex, and surface density 50 g / m 2 and a bulk density of 5 kg / m 2 . The formation of non-woven material and reinforcement with a skeleton layer occurs simultaneously; for this, the outer layers of non-woven material and the skeleton layer wound on bobbins are fed with a displacement of 1.5-2 mm onto the needle-punched unit at the same speed. On the needle-punching unit, all layers are fastened together by needle-piercing (the needles are staggered vertically relative to the canvas, the piercing depth is 3-4 mm). Subsequently, a non-woven material with air permeability of 100 dm 3 / m 2 × s, strength 320 N / 5 cm, surface density 148 g / m 2 , bulk density 90 kg / m 3 (see table 3) is subjected to carbonization in a medium carbonization furnace inert gas (nitrogen) with a gradual increase in temperature to 650 ° C over 30 minutes After carbonization, a non-woven material is obtained with a surface density of 74 g / m 2 , bulk density 114.2 kg / m 3 , strength 115.2 N / 5 cm, air permeability 90 dm 3 / m 2 × s and a thickness of 0.6 mm (cm table 4), after that the non-woven material is subjected to graphitization in a graphitization furnace at a temperature of 2000 ° C for 14 minutes and a non-woven graphitized material is obtained with a surface density of 67 g / m 2 , bulk density 116 kg / m 3 , strength 230 N / 5 cm, air permeability 60 dm 3 / m 2 × s, a thickness of 0.583 mm and an electrical resistance of 0.6 Ohms.
В результате получают материал для изготовления газодиффузионных электродов для электрохимических источников тока в виде нетканого углеродного материала с системой каналов различной конфигурации, что повышает коэффициент полезного действия за счет стабилизации электрического тока.The result is a material for the manufacture of gas diffusion electrodes for electrochemical current sources in the form of a non-woven carbon material with a system of channels of various configurations, which increases the efficiency by stabilizing the electric current.
Остальные материалы (примеры 2-41) были получены по вышеизложенной технологии, изменения связаны с видами наружных и каркасного слоя, смещением наружных слоев относительно друг друга и с изменениями температуры термообработки.The remaining materials (examples 2-41) were obtained by the above technology, the changes are associated with the types of the outer and the frame layer, the displacement of the outer layers relative to each other and with changes in the heat treatment temperature.
Таким образом, при получении углеродного нетканого материала, включающем формирование трехслойного нетканого материала из вискозного сырья, состоящего из двух иглопробивных наружных слоев и внутреннего каркасного слоя из разряженной вискозной ткани, с последующим иглопрокалыванием, а затем карбонизацией полученного нетканого материала в среде азота при постепенном повышении температуры до 600-700°C и дальнейшей графитации при температуре 1500-2500°C, был достигнут технический результат, указанный выше.Thus, upon receipt of a carbon non-woven material, including the formation of a three-layer non-woven material from viscose raw materials, consisting of two needle-punched outer layers and an inner frame layer of discharged viscose fabric, followed by needle-piercing and then carbonization of the resulting non-woven material in nitrogen with a gradual increase in temperature up to 600-700 ° C and further graphitization at a temperature of 1500-2500 ° C, the technical result indicated above was achieved.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015120222/12A RU2593143C1 (en) | 2015-05-28 | 2015-05-28 | Method of producing carbon nonwoven material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015120222/12A RU2593143C1 (en) | 2015-05-28 | 2015-05-28 | Method of producing carbon nonwoven material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2593143C1 true RU2593143C1 (en) | 2016-07-27 |
Family
ID=56557276
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015120222/12A RU2593143C1 (en) | 2015-05-28 | 2015-05-28 | Method of producing carbon nonwoven material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2593143C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110626010A (en) * | 2019-08-01 | 2019-12-31 | 天津工业大学 | Activated carbon fiber felt and preparation method and application thereof |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0572891A1 (en) * | 1992-05-30 | 1993-12-08 | Hoechst Aktiengesellschaft | Non-woven sheet and saim |
| RU2213820C1 (en) * | 2002-08-02 | 2003-10-10 | Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна | Method of producing nonwoven carbon material |
| US20050227565A1 (en) * | 2004-03-30 | 2005-10-13 | O.R.V. Ovattificio Resinatura Valpadana S.P.A. | Non-woven fabric reinforced stratiform product and production method therefor |
| RU2357028C2 (en) * | 2007-07-16 | 2009-05-27 | Александр Николаевич Белявцев | Nonwoven needled material |
-
2015
- 2015-05-28 RU RU2015120222/12A patent/RU2593143C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0572891A1 (en) * | 1992-05-30 | 1993-12-08 | Hoechst Aktiengesellschaft | Non-woven sheet and saim |
| RU2213820C1 (en) * | 2002-08-02 | 2003-10-10 | Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна | Method of producing nonwoven carbon material |
| US20050227565A1 (en) * | 2004-03-30 | 2005-10-13 | O.R.V. Ovattificio Resinatura Valpadana S.P.A. | Non-woven fabric reinforced stratiform product and production method therefor |
| RU2357028C2 (en) * | 2007-07-16 | 2009-05-27 | Александр Николаевич Белявцев | Nonwoven needled material |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110626010A (en) * | 2019-08-01 | 2019-12-31 | 天津工业大学 | Activated carbon fiber felt and preparation method and application thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101945585B1 (en) | Carbon-fiber nonwoven cloth and gas diffusion electrode for polymer electrolyte fuel cell using same, polymer electrolyte fuel cell, method for manufacturing carbon-fiber nonwoven cloth, and composite sheet | |
| KR100594535B1 (en) | Carbon fiber paper and porous carbon electrode substrate for fuel cell therefrom | |
| KR101309074B1 (en) | Manufacturing Method of Carbon Nanofiber Strand | |
| TW201326274A (en) | Fiber reinforced composite material and method for producing fiber reinforced composite material | |
| KR20110036531A (en) | Nonwoven fabric, felt and manufacturing method thereof | |
| KR101628461B1 (en) | Carbon fiber insulator and preparing method for thereof | |
| KR100503499B1 (en) | Method for manufacturing the preform of high temperature refractory, using needle-punching process | |
| CN110485047B (en) | Quasi-three-dimensional preform for aircraft brake disc and preparation method thereof | |
| RU2593143C1 (en) | Method of producing carbon nonwoven material | |
| RU2594451C1 (en) | Method of producing carbon nonwoven material | |
| JP2607670B2 (en) | Molded insulation | |
| RU2213820C1 (en) | Method of producing nonwoven carbon material | |
| JP2016000885A (en) | Carbon fiber non-woven fabric, gas diffusion electrode for solid high molecular weight form fuel cell and solid high molecular weight form fuel cell | |
| JP2011117094A (en) | Web, felt comprising the same, and methods for producing them | |
| RU2593142C1 (en) | Nonwoven material | |
| RU2594455C1 (en) | Nonwoven material | |
| CN115305643B (en) | Friction material preform and preparation method thereof | |
| KR20170135399A (en) | Manufacturing of 3-dimensional structural carbon fiber fabric | |
| KR101222467B1 (en) | Method for the fabrication of needle-punched carbon composite | |
| CN211057374U (en) | Quasi-three-dimensional prefabricated body for airplane brake disc | |
| KR101523443B1 (en) | Preparing method of carbon fiber felt and heat insulator using thereof | |
| CN211416521U (en) | Active carbon fiber felt | |
| CN214821449U (en) | Carbon fiber high density puncture preform | |
| CN113846424B (en) | Mullite fiber needled felt and preparation method thereof | |
| RU2065846C1 (en) | Method of fabricating laminated filler from carbon fibers |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170529 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20180504 |