粒度对炭石墨材料的生产工艺及性能的影响

粒度对炭石墨材料的生产及性能的影响 第6卷专辑 Vol 6 中国粉体技术Suppl 2000年10月October 2000China Powder Science and Technology 作者介绍:蒋文忠，57岁(现在湖南大学化学化工学院工作，从事羌机非金属材料的教学的科研30奈 年，讲授过10余门课程，编写多门课程教材，获莜教学成果和教学质量优秀奖多项，主持过10多项科 研，发了50余篇(其中】0余篇为《Ei》、《(A》等国际刊特收录。 曩 囊蘩薰嚣蒸鬻攀囊瓣蘩蘩蘩餮鬻蘸囊蘩鬻萋 蕞i萋ii篓露蔓篓鬻臻囊爱囊囊i曼警蠢蓬lii囊譬瀑麓冀器孽蔓姜i?蓑?墅鏊慧慧l蕊芝萋耄蔓囊强? 蒋文忠 (期南大学化学化工学院，湖南长沙410082) 摘要对炭石墨材料的最太枉度的确定、粒度的计算、粒 趋势，如干粉粒度从控制小于200目的通过率到小 度对粘结刑用量厦对性能的影响进行了系统地研究和总蛄。 于320目的通过率，现在一些高密、高强度产品已采 关键词粒度;粘结剂;性能 用超微粉生产，粒度在几微米。随着C?的发现和 碳纳米管的制各，不久的将来纳米炭石墨材料将从 炭石墨材料是一种颗粒性结构材料，其原材料 实验室走向工业化应用【2J2。 的粒度组成在生产工艺中是非常重要的，它对产品 2干料总表面积的计算 的质量与性能影响很大，炭石墨材料生产中对它非 在理论上，若设粒子为球形，则组成产品的干料 常重视。炭石墨材料生产工艺中的配方理论是密堆 的总表面积为 积，即单位体积内达到最太容重。但在实际生产中， 存在着最大粒度如何确定、实际粒度 s总=积i‘z1+耐j‘z2+ +耐:?磊=S【+s2+ 怎样计算、以及 (3) +S。=?S， 粒度纯度(均匀度)的变化等对工艺及性能的影响等 式中dl，d2 ， ，d。——分别为各种不同的粒子的 问题，本文就这些问题进行较系统地研究和。 直径; 1粒度的计算 Z】，Z2， ，Z。——直径为矗I，d2， ，d。的 粒子的数目; 根据经验，炭石墨材料由于配方不当而造成废 品的基本原因可归结为:其一是因粘 S】，S2， ，S。— 结剂含量选择 —直径为dl，d2， ，d。的 不当而形成压坯的变形和裂纹;其二是因 粒子的表面积。 选择不当而形成的焙烧毛坯的废骨料粒度 但在实际生产中，要将所有的粒子的粒径和粒 品。而牯结剂含量 子数目准确测量出来是非常困难的，所以一般采用 选择不当也可能是因为粒度计算不准所至。 先测定物料的粒级，然后再计算每个粒级的比表面 对于石墨电极或炭块类产品，最大颗粒直径 积。 (d一)与产品毛坯直径雪的关系可近似地用下式 设各粒级的粒度上限和下限的粒径分别为d( 表示，即: 和d，一1，则此粒级的粒子的比表面积S，为 (1) d一=15×lO。中(mm) 而其骨粒料的粒度组成，当筛孔尺寸为d(nm)时，s，=焘?则该筛下的颗粒总量W为 式中d，,d 1 ——分别表示粒级的上限和下限， w_(盎)“22 S——粒级颗粒的比表面积，cnl2,g; 对于电炭类(粉末冷压型)产品，采用细粉生产， g，——骨料筛分实验中，筛孔为d，的筛下料 其粒度组成与粗粒产品不同，但仍然与粒度有关，而 的相对含量，曲=生兰d 为骨料中最?，且关系更为复杂。总的而言，现在已有降低粒度的 2000年专辑 中国粉体技术 大颗粒粒径: F——求算骨料单位质量的颗粒的表面上形 7H——骨料颗粒的重度，g,cm3。 成薄膜所需粘结剂系数，它的大小取决于焦炭的表 面状况和牯结剂种类及牯度，也取决于混捏温度和则骨料的总表面积Sn为 混捏时间。一般可通过实验测定。若原料种类和粒 (5) s总=1?20蓦志 度及其他条件相同时，系数F可认为是常数。 阱上计算是粒级内粒子呈正态分布，即粒度均 ,—_气孑L内及颗粒间的空隙内的粘结剂含 量，可通过实验测定。 匀，均匀度系数K健<40,，而 3，3粒度对粘结剂用量的影响 在理论上，若设粒子为球形，同种物料单位质量 阶监骘舻(6) 式中d 7，——粒级内再分成若干个小粒级的粒径， 的不同粒径的粒子有如下关系，即 nlrn; 警(Zl-y=詈di呸-y d’xt——粒级内各小粒级的粒子的平均粒 径: 则 (9)局=(字)3?z1 x——粒级内各小粒的含量。 式中d【，d2——分别为不同粒径的粒子直径; 若粒度不均匀时，粒级的比表面积就会改变，在 zl，z2——分别为不同粒径的粒子的数目; 粒级内，粒子粒径和数量向上限移，则比表面积减 y——粒子的重度。 少，粒子粒径和数量向下限移，比表面积就增加。 上式说明单位质量的粒子粒径越小，则粒子数 量越多。3粒度对粒结剂用量的影响 单位质量的物料不同粒径时的表面积分别为: 3(i粘结剂用量原理 S1=划}zI和S2=刑lz2，则 炭石墨材料生产中粘结剂用量的理论依据为全 部干料颗粒的总表面积(s裹总)等于粘结剂能够延 s:,S(=删;?Z2,捌{z，=(安):参=系 展的虽大面积(s粘)，即 (10)(。(s2=sI(半) (7) s裘弛=S粘 也就是说，干料所有颗粒的全部表面都能够均匀地 上式说明单位质量的粒子粒径越小，则表面积 包裹一层薄薄的粘结剂。当焙烧时，粘结剂炭与各 越大。实际计算时，粒子为非球形，故采用当量直径 焦炭粒子的表面碳原子牢固地键合，则产品强度高。 来计算。则单位质量的物料不同粒度所需的粘结剂 若牯结剂太多(混捏时料糊发湿)，则粒子外粘结剂 层太厚，因牯结剂炭的强度低而导致产品强的关系为 度下降， (11)q2=q【=(孚) 若粘结剂太少(混捏时料糊发干)，有些粒子的表面 不能完全被粘结剂包裹，使粒子间直接接触，粒子间 式中，qI、q2分别为粒径为dI、d2的粒子所需的粘 不能通过粘结剂炭的键台，故同样使强度降低。 结剂用量。因粒子为非球形，故采用当量直径来计 3(2粘结剂用量的计算 算。上式说明粒径越小，所需粘结剂用量越多。 炭石墨料生产中所用粘结剂分子为链状或立体 4 粒度对压制力的影响结构，粘结剂包裹在粒子表面时，这些长的或扁平的 分子因粒子表面的吸附作用，总是平躺在粒子表面， 在电极类产品的生产中，物料粒度一般较粗，挤 故分子层的厚度就影响粘结剂的用量。且牯结剂的 压成型时，物料(干料加粘结剂)为加热混捏后呈热 软化点、粘度及混捏时的温度等也直接影响到分子 塑性状的料糊，这时，减小粒度可提高料糊的塑性和 层的厚度，也就是说影响帖结剂的用量。另外，实际 流动性，因此减小粒度可降低挤压压制力。 生产中的 对于电炭产品的生产、成型时物料不需加热，为 各种焦炭或石墨等粒子，不是球形而是多 角形，且表面有很多微孔，因此，粘结剂用量为 常温粉末状态下压制，粉末越细，粉求松装密度下 【8) u=F?S+qn 降，压缩比增大，压制时内摩擦力增大，因而压制压 力增大。另外，粉末越细，流动性越羞，且易形成拱 式中 q——单位质量骨料所需粘结剂的含量; 桥效应，因而压制压力增大，同时，制品内的残余内S——单位质量骨料的比表面积; 134 China Powder Science and 衄vToehnolo 应力增大，压型后压坯困弹性后效而开裂的几率增 的小石墨棒的视密度为1(58左右，电阻率为8(5, 大。 10“nm左右，而最大粒度为4(2ram的大规格电极， 由于压制压力影响因素很多，力学关系复杂，这 里则视密度为1(52左右，电阻率为9,11(unm左右。 不予详述。 由于影响视密度和电阻率的因素很多，所以，未做粒 度单独与视密度和电阻率的影响的定量研究。 5粒度对制品强度的影响 [参考文献] 对于粗颗粒的电极类产品，对按(1)式计算出来 [1]科雷洛走BH(科学若作集[M](弟33册(1955，48-52( 的最大颗粒直径，可适当提高粗颗粒的粒径，可提高 [2]蒋文忠cm碟原子轩簇及其衍生物的性能与应用前景[J]炭 强度，如欧美和日本等炭素工业发达国家，对 索技术，1998((3):23—28 qb500mm及以上的电极，原最大粒级为4,2ram，现 [3]蒋文忠 优质电极糊的研制[J]湖南太学学报(1993((2):最大粒度已使用到8,12mm，甚至在大规格产品使 124一127( 用12,16mm。作者曾对优质电极糊进行研制时， 在增太最大粒度的同时，降低粉料的粒度，则明显提 on ProcessInfluences of Size J。高了强度(该研究论文为《Ei》所收录)b and Performance of Technology 对于电炭类产品，于料全部为粉末料，粒度已经 Carbon MaterialGraphite 很细，若继续降低粉末粒度，则压制时，压坯因弹性 后效而容易开裂，若能控制压坯残余内应力缓慢释 放，防止开裂，则降低粉末粒度能提高制品的强 Jiang Wenzhong 若既要度。 降低粒度，又要防止开裂，则可采用压制一焙 烧在同一工序中完成，即在压制的同时加热(热压)。 4t0082)(Hunan University(Hunan Chang:sire determination of the carLnn sjze of Abstract:The largest grap—6粒度对视密度和电阻率的影响 of size and the influence of size On nile caculation maleriat，the 粒度对视密度、电阻率均有影响，一般粗颗粒结the and the of the binder are studiedperformance quantification 构产品的视密度低，电阻率高。细颗粒结构的产品systematicedly( 视密度高，电阻率低。如最大粒度为中1,0(5ram Key words:size;binder;perfomlance