<<
>>

Углеродные структуры

Как отмечено в разделе 1.6.1.1 активационная роль углеродных вклю­чений в составе ОЭМ оказывают, пожалуй, самое многофакторное воздей­ствие, вызывая, как правило, комплексное улучшение как структурных харак­теристик, так и рабочих параметров СК АБ [10, 80, 81, 89, 90, 92, 93, 95, 96, 98, 101 - 105, 115, 1Ί6].

Влияние на процессы токообразования в СК АБ микро и наноуглеродных активаторов было изучено на:

- трех видах углерода (технический углерод (ТУ)) - C40, CH85, CH200 «Омск Карбон Групп» OMCARB™ [158], печной малоактивный ТУ - марки П803 (ГОСТ 7885-86) [156] и гибридный углерод (сочетание свойств графита и ТУ) - «Timrex CyPbrid 1» производства «IMERYS Graphite &Carbon» [1Ί0]);

- расширенном графите (РГ) - «Timcal Timrex bnb90» [160];

- графите аккумуляторном (ГАК-2, ГОСТ 10273-Ί9) [160];

- углеродном наноструктурном материале «Таунит-МД» [153].

Проверялась роль и влияние каждого указанного УА на структурные из­менения в ОЭМ на этапах изготовления- (2), (4), (7) и характеристики в про­цессе исследования СК АБ - (8). Отметим, что также проверялось влияние включения ТУ (марки П803) в ПЭМ [144, 145, 148 - 152]. Углеродсодержащий активатор вносился в состав ЭМ в соответствии с применяемым в производ­ственных условиях техническим регламентом на этапе приготовления (рису­нок 2.1 - (2)). Физико-химические характеристики этих УА в соответствии с сертификатами производителей представлены в таблицах 2.4 - 2.8.

Следует отметить, что УА ТУ структурировались в виде гроздевидных агрегатов сферических частиц. ТУ получают в процессе термоокислительного разложения жидкого углеводородного сырья печным, ламповым, термическим или канальным методами. Характерно, что способ получения ТУ сказывается как на его структуре, так и составе. Так, печной ТУ содержит 95-99.5% угле­рода, 0.2-0.5% водорода, 0.2-1.3% кислорода, 0.1-1 % серы, а в канальном ТУ отмечено наибольшее содержание кислорода (3-8%) и водорода (менее 1%), тогда как термический ТУ содержит наименьшее их количество, и почти не содержит серы [177 - 179].

Минимальные размеры частиц ТУ достигают порядка десятков - сотен нанометров. Агрегаты ТУ содержат от нескольких десятков до нескольких со­тен соединенных частиц, и имеют тенденцию к самоорганизации в виде агло­мератов, под действием ван-дер-ваальсовых и электростатических сил. Агло­мераты легко распадаются при сдвиговых механических напряжениях.

Основными физико-химическими характеристиками ТУ являются раз­мер частиц и агрегатов, структурность, удельная поверхность, адсорбционная способность, pH водной суспензии, электропроводность, которые частично представлены в таблицах 2.4 и 2.5. Структурность ТУ оценивается по абсорб­ции дибутилфталата. Именно структурность обусловливает разветвленность агрегатов и количество входящих в них частиц [178]. Для структуры ТУ ха­рактерны сильно фрагментированные графитовые плоскости (рисунок 2.9).

Некоторые атомы углерода на краевых поверхностях ТУ из-за наличия свободных химических связей, даже при сравнительно низких температурах способны взаимодействовать с атмосферным кислородом и водородом, обра­зуя водород- и кислородосодержащие поверхностные функциональные группы: карбоксильные (-СООН), карбонильные (-С=О), гидроксильные (-С-ОН) и другие [180], что может существенно изменять их смачиваемость, электропроводность и реакционную способность, влияя на процессы токооб- разования в СК АБ.

Таблица 2. 4 - Физико-химические характеристики технического углерода

марки OMCARB™ (сертификат производителя)

Характеристика Марка углерода
OMCARB™

C40

OMCARB™

CH85

OMCARB™

CH200

Адсорбция йода, г/кг 42.7 80.5 184.2
Адсорбция масла, 10-5

м3/кг

119.9 138.6 161
Остаток на сите с ячейками
размером:
25 мкм, % 0.0018 - -
45 мкм, % - 0.0004 0.0079
500 мкм, % 0.0000 0.0000 0.0000
Потеря массы при нагрева­нии до 125°С, % 0.2 0.16 0.24
Зольность, % 0.22 0.19 0.19
Значение рН, ед. 9.0 9.4 -
Насыпная плотность, кг/м3 358 336 261

Таблица 2.5 - Физико-химические характеристики печного малоактивного технического углерода П803 (ГОСТ 7885-86) (сертификат производителя)

Характеристика Значение
Удельная условная поверхность, м2 14-18
Абсорбция дибутилфталата, см3/100 г 76-90
рН водной суспензии 8.8
Зольность, % 0.45
Массовая доля остатка, %, не более, после просева
через сито с сеткой, мкм:
45 8∙10-2
140 1∙10-2
500 1∙10-3

Следует отметить, что УА в виде ТУ П803 имеет низкую дисперсность и среднюю структурность.

Была изучена его роль при включениях, составив­ших 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0%, относительно массы свинцового порошка [156]. Ги­бридный углерод (ГУ) сочетал свойства графита и ТУ. Главное его преимуще­ство - повышенная гидрофильность [170].

Особенности структуры, использованных УА в виде ТУ П803 и Timrex CyPbrid 1 [170], продемонстрированы на СЭМ-изображениях с разным про­странственным разрешением (рисунок 2.9). Так, структура ТУ П803 имеет аг­ломераты, состоящие из отдельных наночастиц углерода и их агрегатов с раз­мерами от 90 до 170 нм. В то же время структура ГУ представлена субмикрон­ными пластинчатыми частицами графита с размерами в несколько микрон, и наночастицами ТУ, образовавшими агломераты микронного размера.

Расширенный графит марки «Timcal Timrex bnb90» характеризовался развитой поверхностью и высокой насыпной плотностью (таблица 2.6). Для графита характерна политипия: α-графит (гексагональный) и β-графит (ромбо­эдрический). Расстояние между атомами углерода внутри слоя равно 0.1415 нм, тогда как расстояние между слоями значительно больше - 0.3354 нм [181]. На рисунке 2.10 представлены СЭМ-изображения расширенного графита в

виде тонких, как правило, изогнутых расслаивающихся пластин с размерами

порядка десятков микрометров и субмикронной толщины.

Рисунок 2. 9 - Сканированные электронные изображения углеродных струк­тур, выступающие в качестве активаторов для ОЭМ: а, б - технический уг­лерод П803; в, г - гибридный углерод Timrex CyPbrid 1

Активатор на основе РГ марки «Timcal Timrex bnb90» изготавливается из кристаллов природного графита последовательно проводимыми размолом, сепарацией и флотацией исходного сырья. Наиболее высокая чистота по угле­роду (99.9 %) достигается после химической высокотемпературной обра­ботки, при этом происходит расслоение естественных кристаллов графита по плоскостям спайности на листы менее 100 нм с резким ростом объема матери­ала (в 300 и более раз).

Возникающие пластинчатые кристаллы РГ обладают высокой гидрофильностью, электропроводностью (превышающей электро­проводность высокопроводящих марок ТУ), а также способностью адсорбиро-

вать свинец из раствора его соли [182]. Можно ожидать повышения эффектив­ности процессов токообразования в СК АБ при внесении в ОЭМ активатора на основе РГ [160].

Таблица 2.6 - Физико-химические характеристики расширенного графита

Timrex bnb90 и гибридного углерода Timrex CyPbrid 1 (сертификаты произ­водителя) [182]

Характеристика Timrex bnb90 Timrex CyPbrid 1
Удельная поверхность, м2 24 300
Насыпная плотность, кг/м3 30 30
Абсорбция масла, мл/100 г 180 < 100
Краевой угол смачивания водой, ° < 30 < 30
Адсорбция ионов Pb из раствора

Pb(NO3)2, ppm

1300 7700
Удельная емкость, Ф/г 5 20

Рисунок 2.10 - Сканированные электронные изображения расширенного

графита Timrex bnb90: слева - ?500, справа - ?20000

Влияние УА на основе графита аккумуляторного марки ГАК-2 (рисунок 2.11) было изучено в [160]. Как видно из рисунка структурно этот активатор выстроен из отдельных пластин графита с размерами вплоть до нескольких сот

мкм с субмикронной толщиной. ГАК имеет строго кристаллическую струк­туру. Производится из природного графита. Его физико-химические характе-

ристики приведены в таблице 2.7.

Рисунок 2.11 - Сканированные электронные изображения аккумуляторного

графита ГАК-2: слева - ?500, справа - ? 10000

Таблица 2.7 - Физические характеристики графита аккумуляторного ГАК-2

(сертификат производителя)

Характеристика Значение
Зольность, % не более 1.0
Влажность, % не более 1.0
Массовая доля железа, % не более 0.5
Остаток на сетке №0063, % 60.0 - 95.0
Остаток на сетке №016, % 50.0

В качестве активатора в состав ОЭМ вводился [153] также углеродный наноматериал (УНМ) «Таунит» (производитель ООО «НаноТехЦентр), синте­зированный методом каталитического пиролиза углеводородов [1Ί1] с уча­стием в роли катализатора наночастиц переходных металлов, как правило, Fe, Со или Ni. По данным СЭМ (рисунок 2.12) УНМ образованы из одномерных наномасштабных нитевидных структур изогнутой цилиндрической формы. Внутри этих структур по всей длине присутствует внутренний канал. По дан­ным просвечивающей электронной микроскопии [183] характерные размеры УНМ имеют длину от менее 1 мкм до 2 мкм и более с диаметрами наружным

от 15 до 100 нм и внутренним от 3 до 8 нм. По этим признакам указанный ма­териал вполне можно считать МУНТ. Наиболее значимые характеристики этого материала приведены в таблице 2.8. Следует отметить, что в исходном состоянии МУНТ из-за повышенной поверхностной энергией склонны агреги­роваться с образованием сложной структуры. В них сохраняются центры за­родышеобразования в виде металлических нанокатализаторов, наличие кото­рых в составе ЭМ для СК АБ недопустимо. Таким образом, перед включением УНМ в состав ЭМ обязательными становятся как их очистка [184], так функ­ционализация [185 - 187].

Рисунок 2. 12 - Сканированное электронное изображение углеродных нано-

структур типа «Таунит-МД»

Таблица 2.8 - Физические характеристики углеродных наноструктур «Та- унит-МД» (сертификат производителя)

Характеристика Значение
Внешний диаметр, нм 30 - 80
Внутренний диаметр, нм 10 - 20
Длина, мкм ≥ 20
Общее количество примесей, %: исходное

после очистки

≤5

≤1

Насыпная плотность, кг/м3 30 - 50
Удельная поверхность, м2 180 - 200
Термическая устойчивость на воздухе, °C ≤ 600

2.1.4

<< | >>
Источник: Харсеев Виктор Алексеевич. ВЛИЯНИЕ МИКРО- И НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук. Курск - 2019. 2019

Еще по теме Углеродные структуры:

  1. Роль углеродных активаторов
  2. Структурирование электродных материалов углеродными активато­рами
  3. Влияние углеродных активаторов на процессы структурирования в электродных материалах
  4. 11. Структура гражданского правоотношения.
  5. Изменение структуры отрицательного электродного материала
  6. Анализ исследований взаимосвязи структуры и свойств электродных материалов
  7. Формирование состава и структуры в свинцово-кислотном источнике тока
  8. ГЛАВА 3. ВЗАИМОСВЯЗИ СОСТАВОВ, СТРУКТУР С ДЕЙСТВУЮ­ЩИМИ В ИСТОЧНИКАХ ТОКА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ МЕХА­НИЗМАМИ ТОКООБРАЗОВАНИЯ
  9. 2.1. Понятие и структура административно-правовых норм. Виды административно-правовых норм.
  10. Выводы по главе
  11. Выводы по главе
  12. Метод электрохимического формирования пленочных слоев из уль­традисперсного графита