一种碳纳米管改性增强石墨电极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及石墨电极制备技术领域，具体涉及一种碳纳米管改性增强石墨电极及其制备方法，包括如下原料：石油焦颗粒100份，碳纳米管5‑100份，针状焦5‑100份，氧化钙5‑10份，沥青35‑45份和碳纳米管分散液5‑200份；制备方法包括以下步骤：将石油焦颗粒、碳纳米管、针状焦、氧化钙混捏；沥青熔化，加入碳纳米管分散液混匀，混捏锅混捏；将物料导入成型模具中得到待焙烧石墨电极毛坯；焙烧，获得石墨电极焙烧品；将石墨电极焙烧品在高温电炉内加热制备得到石墨电极。通过加入碳纳米管材料，提高产品致密度，增强石墨电极抗热震稳定性，降低电阻率，提高弹性模量和抗压抗折强度，使材料的物理性能和电学性能明显改善。

A Carbon Nanotube Modified Reinforced Graphite Electrode and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米管改性增强石墨电极及其制备方法
本专利技术涉及石墨电极制备
，具体涉及一种碳纳米管改性增强石墨电极及其制备方法。
技术介绍
石墨电极是以石油焦、针状焦为原料，煤沥青作为粘合剂，经原料煅烧、破碎磨粉、配料、混捏、成型、焙烧、浸渍以及石墨化等步骤制成的一种耐高温石墨质导电材料，广泛应用于电弧炼钢炉、钢包精炼炉、矿热电炉、电阻炉和异型石墨产品的制备。在电弧炼钢炉及钢包精炼炉中，电极处于末端位置，其作用是把大电流引导至熔炼室或钢水，在电极与炉料之间或电极与钢水之间产生电弧来达到加热炉料及钢水的目的。石墨电极是电弧炉和钢包精炼炉不可缺少的重要材料，消耗极大，目前我国的电炉用石墨电极平均单耗为7～8kg/t钢，约占电炉炼钢成本的8％。目前的石墨电极由于结构不稳定，强度不高，在运送过程中，产品经常会出现破损，影响用户使用。石墨电极电流分布普遍不均匀，且石墨电极在接续螺纹接头位置可能产生空隙造成放电的现象，并且石墨电极长期处于氧化性高温环境中工作，在工作的过程中容易产生热量造成氧化，现有的石墨电阻体积较大，伴随高压电弧冲击及电流集肤效应，使石墨电极耐久性差，造成石墨电极接头断裂、表面剥落、严重氧化变细等，提高了使用成本。电极松脱可能落入钢水中，处理不及时造成生产事故，增加生产安全隐患。针对上述的种种问题，CN109231987针对性的开发抗氧化的石墨电极材料，CN109678516开发了一种抗氧化性的石墨电极表面涂层及制备工艺，但目前尚未发现特别有效的办法。
技术实现思路
针对现有技术的石墨电极使用稳定性差导致结构失稳，易断裂、剥落、损耗快的问题，本专利技术提供一种碳纳米管改性增强石墨电极及其制备方法，通过加入碳纳米管材料，提高产品致密度，增强石墨电极抗热震稳定性，降低电阻率，提高弹性模量和抗压抗折强度，使材料的物理性能和电学性能明显改善。第一方面，本专利技术提供一种碳纳米管改性增强石墨电极，所述碳纳米管改性增强石墨电极包括如下重量份数的原料：石油焦颗粒100份，碳纳米管5-100份，针状焦5-100份，氧化钙5-10份，沥青35-45份和碳纳米管分散液5-200份。进一步的，所述碳纳米管分散液包括碳纳米管、溶剂和分散剂，所述溶剂为水、乙醇、N，N-二甲基甲酰胺、甲苯、N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、烷基酚环氧乙烷缩合物乳化剂中的一种或几种。进一步的，所述碳纳米管分散液中碳纳米管、溶剂和分散剂的重量比为(1-10)：(10-99)：(1-10)。进一步的，所述碳纳米管分散液中碳纳米管、溶剂和分散剂混合后经纳米砂磨机砂磨2-8h。进一步的，所述碳纳米管为聚团状碳纳米管、阵列管中的一种或两种，管径为5-100nm，长度为1μm-1m，粒径D50为1μm-2mm。进一步的，所述碳纳米管未经过提前纯化，碳纳米管在石墨电极制备过程中直接原位高温纯化处理。第二方面，本专利技术提供一种碳纳米管改性增强石墨电极制备方法，方法包括以下步骤：(1)先将石油焦颗粒100份、碳纳米管5-100份、针状焦5-100份、氧化钙5-10份导入混捏锅中，升温到130-135℃，混捏65-75min；(2)称取35-45份沥青，在液体蒸发回收系统中加热至170-180℃熔化，加入5-200份碳纳米管分散液混匀后，加入步骤(1)的混捏锅中，控制混捏锅升温至160-165℃，混捏锅的搅拌速度为1550-1650r/min，保温混捏35-65min；(3)混捏完成后，将物料导入成型模具中，加压至15-25MPa，保压45-65min，得到待焙烧石墨电极毛坯；(4)在氮气保护气氛条件下，石墨电极毛坯焙烧，升温速度5-10℃/min，在最高温度1450℃保持24后自然降温，冷却75h后获得石墨电极焙烧品；(5)将石墨电极焙烧品在高温电炉内加热至2450-2750℃，保温30-80h，制备得到石墨电极。进一步的，所述步骤(2)中沥青和碳纳米管分散液的混匀方式为高速剪切分散机分散或强制搅拌机搅拌或二者协同。本专利技术的有益效果在于，(1)通过加入碳纳米管，石墨电极原材料粒度级配细化，材料致密度提高，石墨电极抗热震稳定性提高，弹性模量有所提升；(2)碳纳米管材料的超高长径比，减少了微裂纹的发生和生长的可能，起到纳米级纤维增强作用，抗压强度尤其是抗折强度提高明显；(3)碳纳米管为石墨电极提供了电流通路网络桥连结构，一定程度降低了电阻率，最重要的是，促进了电流均匀分布；(4)原料中一部分碳纳米管以固体粉末形式与针状焦、石油焦混捏，另一部分碳纳米管以碳纳米管分散液的形式先与熔化的沥青混匀后，再与其他原料混捏，有效提高碳纳米管在石墨电极中的分散度；(5)石墨电极焙烧时，不仅发生石墨化过程，同时能够实现碳纳米管的原位纯化，简化了碳纳米管使用前的纯化工序，节省了碳纳米管的使用成本；(6)通过本专利技术方法制备的碳纳米管改性增强石墨电极的指标如下：5.0μΩ·m≦电阻率≦6.0μΩ·m，1.65g/cm3≦体积密度≦1.70g/cm3，15MPa≦抗折强度≦20MPa，16GPa≦弹性模量≦20GPa。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术中的技术方案，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。实施例1一种碳纳米管改性增强石墨电极，包括如下重量份数的原料：石油焦颗粒100份，碳纳米管20份，针状焦15份，氧化钙5份，沥青38份和碳纳米管分散液35份；其中碳纳米管为聚团状碳纳米管，管径为10-30nm，长度3-50μm，粒径D50为1-3μm；碳纳米管分散液由碳纳米管、N-甲基吡咯烷酮和聚乙烯吡咯烷酮经纳米砂磨机砂磨5h制得，碳纳米管、N-甲基吡咯烷酮和聚乙烯吡咯烷酮的重量比为1:96:3。碳纳米管改性增强石墨电极的制备方法，包括以下步骤：(1)先将石油焦颗粒100份、碳纳米管20份、针状焦15份、氧化钙5份导入混捏锅中，升温到135℃，混捏65-75min；(2)称取38份沥青，在液体蒸发回收系统中加热至170℃熔化，加入35份碳纳米管分散液通过高速剪切分散机分散混匀，再加入到步骤(1)的混捏锅中，控制混捏锅升温至160℃，混捏锅的搅拌速度为1550r/min，保温混捏40min；(3)混捏完成后，将物料导入成型模具中，加压至15MPa，保压50min，得到待焙烧石墨电极毛坯；(4)在氮气保护气氛条件下，石墨电极毛坯焙烧，升温速度5℃/min，在最高温度1450℃保持24后自然降温，冷却75h后获得石墨电极焙烧品；(5)将石墨电极焙烧品在高温电炉内加热至2500℃，保温36h，制备得到石墨电极。碳纳米管改性增强石墨电极的指标如下：电阻率＝5.8μΩ·m，体积密度＝1.66g/cm3，抗折强度＝15.1MPa，弹性模量＝16.2GPa。实施例2一种碳纳米管改性增强石墨电极，包括如下重量份数的原料：石油焦颗粒100份，碳纳米管80份，针状焦75份，氧化钙8份，沥青43份和碳纳米管分散液150份；其中碳纳米管为阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米管改性增强石墨电极，其特征在于，所述碳纳米管改性增强石墨电极包括如下重量份数的原料：石油焦颗粒100份，碳纳米管5‑100份，针状焦5‑100份，氧化钙5‑10份，沥青35‑45份和碳纳米管分散液5‑200份。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管改性增强石墨电极，其特征在于，所述碳纳米管改性增强石墨电极包括如下重量份数的原料：石油焦颗粒100份，碳纳米管5-100份，针状焦5-100份，氧化钙5-10份，沥青35-45份和碳纳米管分散液5-200份。2.如权利要求1所述的一种碳纳米管改性增强石墨电极，其特征在于，所述碳纳米管分散液包括碳纳米管、溶剂和分散剂，所述溶剂为水、乙醇、N，N-二甲基甲酰胺、甲苯、N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、烷基酚环氧乙烷缩合物乳化剂中的一种或几种。3.如权利要求2所述的一种碳纳米管改性增强石墨电极，其特征在于，所述碳纳米管分散液中碳纳米管、溶剂和分散剂的重量比为(1-10):(10-99):(1-10)。4.如权利要求2所述的一种碳纳米管改性增强石墨电极，其特征在于，碳纳米管分散液中碳纳米管、溶剂和分散剂混合后经纳米砂磨机砂磨2-8h。5.如权利要求1所述的一种碳纳米管改性增强石墨电极，其特征在于，所述碳纳米管为聚团状碳纳米管、阵列管中的一种或两种，管径为5-100nm，长度为1μm-1m，D50粒径为1μm-2mm。6.如权利要求1所述的一种碳纳米管改性增强石墨电极，其特征在于，所述碳纳米管未经过提前纯化。7.一种如权利要求1-6任一项所述的碳纳米管改性增强石墨电极制备方法，其特征在于，方法包括以下步骤：(1)先将石油焦颗粒100份、碳纳米管5-100份、针状焦5-100份、氧化钙5-10份导入混捏锅混捏；(2)称取35-45份沥青，在液体蒸发回收系统中加热熔化，加入5-200份碳纳米管分散液混...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟学成，李岩，耿磊，蒋兴华，王哲，
申请(专利权)人：山东晶石大展纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37