[发明专利]一种铝电解用硼化钛基涂层复合材料及其制备方法、涂覆方法

说明书

 

技术领域本发明涉及电化学领域，具体涉及一种适用于惰性电极铝电解用阴极硼化钛基复合材料及其制备技术。

背景技术

铝电解技术中的阴极材料不仅要承载导电作用，还要承受高温冰晶石熔体的化学侵蚀和铝液的物理冲蚀，现有技术中的铝电解槽一般都采用碳质阴极材料，由于其较差的耐电解质渗透性能和与铝液润湿性不佳，严重影响了电解槽的高效稳定运行。硼化钛由于具有优异的导电性能、易被铝等熔融金属润湿，以及优良的耐腐蚀和高温抗氧化性能，因此成为制造铝电解用可润湿性惰性阴极的首选材料。专利CN1537975介绍硼化钛／氧化铝阴极涂层以及构成涂层的组分，其中该涂层中采用TiB₂/Al₂O₃复合材料取代纯TiB₂组分，影响了涂层的导电性能。专利CN101914786介绍了一种涂层浆料的制备技术与涂覆技术，该技术可实现涂层在碳基体表面的均匀分布，但涂层厚度较薄，难以长时间耐受铝液冲刷。目前，在铝电解生产中应用的可润湿阴极材料主要由涂层涂覆技术、振动成型和热压工艺获得。而以手工涂覆方式为主的涂层涂覆技术在铝电解生产中最为常用。专利US5651874、CN1448542、CN1405358和CN1537974介绍了一种铝电解硼化钛-C阴极材料涂层的制备方法，该方法是将热固型树脂等与硼化钛粉末混合制备成高粘稠状糊料，手工涂刷于铝电解槽炭素阴极表面。专利US6436250B1、US5728466介绍了溶胶—凝胶法制备硼化钛-MO涂层技术（MO代表金属氧化物），大大提高了导电性、以及涂层与基体的结合力。但是采用手工刷涂法进行施工存在一定的不足，如：（1）生产率低、劳动强度大；（2）涂层厚度不均一，表面粗糙，不平整；（3）刷涂层较厚，使得在电解槽通电焙烧、启动时受热冲击影响大，热膨胀系数失配导致热应力不均，最终导致涂层早期的脱落。

 

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的不足，提供一种能够解决与碳素基体间具备良好热膨胀匹配，抗钠钾膨胀、与铝液高润湿、耐熔融电解质渗蚀和铝液冲蚀、高导电和低成本、易施工的铝电解用硼化钛基涂层复合材料，本发明同时要提供这种复合材料的制备方法以及用该材料的涂覆方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种铝电解用硼化钛基涂层复合材料，按重量百分比由以下原料组成： 

硼化钛-氧化物复合颗粒：55%~70%；碳质添加剂：8%~15%；有机树脂胶：15%~30%；增强剂：0.5%~2%。

所述硼化钛-氧化物复合颗粒，按重量百分比由60%~90%硼化钛和10%~40%氧化物溶胶混合而成，所述氧化物溶胶固含量为5%~30%。

所述氧化物溶胶为氧化铝溶胶、氧化镁溶胶、氧化钛溶胶、氧化锌溶胶或氧化硅溶胶中的至少一种。

碳质添加剂为石墨、石油焦或电煅无烟煤中的至少一种。

所述有机树脂胶由粘结剂、分散剂、固化剂组成；各组分的质量百分含量分别为粘结剂35%~58%，分散剂40%~64%，固化剂1%~5%。

所述粘结剂为沥青、呋喃树脂、酚醛树脂、环氧树脂或糠醛树脂中的至少一种；分散剂为丙酮、丁酮、乙醇或乙酸丁酯中的至少一种；固化剂为对甲苯磺酸、聚酰胺树脂、间苯二甲胺、六次甲基四胺、三甲基六亚甲基二胺、二乙胺基丙胺、乙二胺或二乙烯三胺中的至少一种。

所述增强剂为碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维或碳化钛中的至少一种。

制备上述的硼化钛基涂层复合材料的方法，包括以下步骤：

首先制备硼化钛-氧化物复合颗粒，按上述硼化钛与氧化物溶胶的配比，将硼化钛与氧化物溶胶搅拌均匀，经过700~1000℃煅烧后破碎过100-150目筛得到； 

按上述硼化钛基涂层复合材料的原料配比，将硼化钛-氧化物复合颗粒、碳质添加剂、有机树脂胶、增强剂进行混捏搅拌，得到涂覆浆料；混捏温度为15℃~35℃，空气中相对湿度为30%~90%，混捏时间为2~6h。

用上述的硼化钛基涂层复合材料的涂覆方法，包括以下步骤：

（1）涂覆，将石墨基体材料放入涂覆模具中，石墨基体材料上表面与模具上口边缘的距离，以及石墨基体材料四周表面与模具壁之间的间隙尺寸一致，然后将上述得到的浆料倒入模具中； 

（2）固化，将涂覆有浆料的基体材料在15℃~35℃固化处理24h~48h，然后再在80℃~150℃固化处理12h~24h；