[发明专利]一种碳布夹短纤维增强碳基复合阴极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种碳布夹短纤维增强碳基复合阴极材料及其制备方法，该复合阴极材料包括上下两层碳布和中间短纤维增强碳基复合材料层，中间短纤维增强碳基复合材料层主要由短切碳纤维、石墨粉和呋喃树脂组成。该复合阴极材料经压力下模压成型，再经过碳化‑石墨化‑(化学气相渗透)CVI‑(化学气相沉积)CVD等过程得到最终碳布夹短纤维增强碳基复合阴极材料。相比铜阴极生产，制备得到的二氧化锰产品中的铜、铁等杂质含量低；相对于石墨阴极和碳棒阴极，该阴极的强度和韧性更好；模压成型的工艺突破了冷等静压对阴极尺寸的限制，可以生产尺寸更大的阴极；经CVI和CVD处理的复合阴极材料能极大的抑制表层和心部钙镁结晶的形成，大大延长了极板的清洗周期。

技术领域

本发明涉及一种碳/碳复合材料及其制备方法，尤其涉及一种面向二氧化锰生产应用的碳布夹短纤维增强碳基复合阴极材料及其制备方法。

背景技术

目前电解二氧化锰(EMD)的生产工艺主要采用铜、石墨、碳棒等析氢阴极进行电解生产。在酸性电解环境下，铜阴极容易被腐蚀，并被吸附进入产品中，当铜含量达到1.5ppm以上时，将影响产品质量；同时铜阴极容易损坏，经常要维修和更换，增加了生产成本。石墨和碳棒阴极因为材料脆性高，在使用过程中经常被折断，经常需要更换。而且石墨、碳棒阴极无法大型化，只适合小型电解槽的生产。

碳/碳复合材料全称为碳纤维增强碳基复合材料，是一种以碳纤维或石墨纤维制成预制体后液相浸渍或化学气相沉积等方法制备而成的复合材料。电阻率方面，碳/碳复合材料(12μΩ∙m-18μΩ∙m)介于石墨(8μΩ∙m-13μΩ∙m)和碳棒(22μΩ∙m-28μΩ∙m)之间，具有远高于石墨和碳棒的强度和韧性，且其不含金属元素，可以避免金属杂质对EMD产品质量的影响，十分适合用作EMD生产的阴极材料。在此基础上，我们采用高强高韧的碳布夹持碳纤维增强碳基复合材料的结构进一步强韧化材料，使其强韧性满足实际生产过程中吊装、冲洗等的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述现有技术的不足，提供一种碳布夹短纤维增强碳基复合阴极材料及其制备方法，通过热压制备上下两层高强高韧的碳布夹持碳纤维增强碳基复合材料中间层结构的复合阴极材料，获得高强高韧的二氧化锰阴极，采用该阴极生产的电解二氧化锰产品铜铁等杂质含量更低。

解决上述技术问题的技术方案是：一种碳布夹短纤维增强碳基复合阴极材料，包括上下两层碳布和中间短纤维增强碳基复合材料层，所述中间短纤维增强碳基复合材料层主要由短切碳纤维、石墨粉、呋喃树脂按以下质量比例组成：60%～80%短切碳纤维、20%～10%石墨粉和10%～20%酚醛树脂。

所述短切碳纤维的长度为 8-10mm。

本发明的另一技术方案是：一种碳布夹短纤维增强碳基复合阴极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）按质量分数分别称取60%～80%短切碳纤维、20%～10%石墨粉和10%～20%酚醛树脂，混合1～3h制成成分均匀的混合粉末；

（2）向三者混合粉末中加入混合粉末总质量48～53%的酒精，并在搅拌机中搅拌0.8～1.2h，再在75℃～80℃下干燥3h～5h；

（3）将呋喃树脂和酒精按1:（3.9～4.1）的质量比混合，充分搅拌使呋喃树脂溶于酒精，并将溶液均匀涂刷在碳布上，每平方米碳布涂刷18～22mL溶液，并将碳布在72～82℃下烘干待用；

（4）将烘干后的碳布铺在下模冲上，并将步骤（2）干燥后的物料放入模具中，再在物料上再铺一层经步骤（3）处理后的碳布；在120℃～170℃、40MPa～70MPa条件下模压成型，将碳布夹混合料在模具中压成一次固化坯体，此时，坯体密度为1.75～1.8g/cm³；

（5）将坯体经过碳化得到密度 1.4g/cm3～1.5g/cm³的一次碳化坯体；

（6）将一次碳化坯体采用呋喃树脂进行浸渍-固化得到密度约1.7g/cm³-1.8g/cm³的二次固化坯体；