Новый способ производства высокоуглеродистых материалов и полученные высокоуглеродистые материалы - RU2019116177A
Код документа: RU2019116177A
Формула
1. Способ производства (1) высокоуглеродистого материала (2), отличающийся тем, что он содержит объединение (100) структурированного прекурсора (10), содержащего волокно или набор волокон, и неструктурированного прекурсора (15) в форме текучей среды, имеющей вязкость меньше чем 45000 мПа/с при температуре стадии объединения и содержащей по меньшей мере одно циклическое органическое или ароматическое соединение в расплавленном состоянии или в растворе в концентрации меньше или равной 65 мас.%, для того, чтобы получить объединенный прекурсор (20), соответствующий структурированному прекурсору (10), покрытому неструктурированным прекурсором (15), причем этот процесс дополнительно содержит следующие стадии:
- стадию (200) термической и размерной стабилизации объединенного прекурсора (20) для того, чтобы получить волокно или набор волокон, покрытых циклическим или ароматическим органическим соединением (30), и
- стадию (300) карбонизации волокна или набора волокон, покрытых циклическим или ароматическим органическим соединением (30), для того, чтобы получить высокоуглеродистый материал (2).
2. Способ производства по п. 1, отличающийся тем, что циклическое или ароматическое органическое соединение выбирается из получаемых из биоисточников продуктов, выбираемых из: лигнина, целлюлозы, крахмала, гликогена, амилозы, амилопектина, декстрана, гемицеллюлозы, фруктозы или глюкоза, а также их производных; из продуктов, получаемых из нефти или ископаемых ресурсов, выбираемых из: пека, нафталина, фенантрена, антрацена, пирена или нафталинсульфата; а также из синтетических продуктов, выбираемых из фенольной смолы, смолы фенопласта или полиэпоксидной смолы.
3. Способ производства по одному из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что неструктурированный прекурсор (15) содержит от 5 до 50 мас.% циклического органического или ароматического соединения.
4. Способ производства по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что текучая среда представляет собой водный раствор, или органический раствор, или их смесь.
5. Способ производства по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что текучая среда является расплавом.
6. Способ производства по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что циклическое органическое или ароматическое соединение имеет молекулярную массу больше чем 500 г/моль.
7. Способ производства по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что неструктурированный прекурсор (15) дополнительно содержит по меньшей мере одно дополнительное соединение, выбираемое из: металлических наполнителей, богатых углеродом соединений и органических частиц.
8. Способ производства по п. 7, отличающийся тем, что металлические наполнители содержат металлы, выбираемые из: бора, кремния, германия, мышьяка, лития, натрия, калия, титана, ванадия, марганца, железа, кобальта, никеля, молибдена, алюминия и свинца.
9. Способ производства по п. 7, отличающийся тем, что богатые углеродом соединения выбираются из: активированного угля, натурального антрацита, синтетического антрацита, сажи, натурального графита или синтетического графита.
10. Способ производства по п. 7, отличающийся тем, что органические частицы выбираются из: наноцеллюлозы, таннинов, хитозана или других биополимеров, которые не являются ни плавкими, ни растворимыми.
11. Способ производства по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что структурированный прекурсор (10) содержит по меньшей мере одно регулярное волокно (11) с диаметром от 0,5 до 300 мкм, предпочтительно от 1 мкм до 50 мкм.
12. Способ производства по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что структурированный прекурсор (10) содержит скрученный комплекс несвязанных между собой элементарных непрерывных волокон, нескрученный комплекс несвязанных между собой элементарных непрерывных волокон, набор нетканых волокон или набор тканых волокон.
13. Способ производства по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что структурированный прекурсор (10) содержит целлюлозные волокна, волокна гидроцеллюлозы, волокна лигнина, волокна пека или волокна PAN.
14. Способ производства по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что структурированный прекурсор (10) и/или неструктурированный прекурсор (15) содержат углеродсодержащие нанонаполнители в концентрации от 0,0001 до 30 мас.%, предпочтительно от 0,01 до 5 мас.%.
15. Способ производства по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что стадия (100) объединения и стадия (200) термической и размерной стабилизации повторяются один или более раз.
16. Способ производства по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит стадию (400) формообразования высокоуглеродистого материала (2) с помощью любого процесса формования, такого как экструдирование, прессование, каландрирование, вытягивание или формовка, при температуре окружающей среды или с термической обработкой.
17. Процесс производства по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит стадию (500) графитизации.
18. Волокно или набор волокон, покрытых органическим покрытием (30) в качестве промежуточного продукта, отличающиеся тем, что это органическое покрытие содержит по меньшей мере одно циклическое или ароматическое органическое соединение, выбираемое из:
- лигнина или производных лигнина, полисахаридов, таких как целлюлоза, крахмал, гликоген, амилоза, амилопектин, декстран, гемицеллюлоза, или фруктоза или глюкоза и их производные,
- пека, нафталина, фенантрена, антрацена, пирена или замещенных полициклических ароматических углеводородов, таких как нафталинсульфат, и
- фенольной смолы, смолы фенопласта или полиэпоксидной смолы,
и отличающиеся тем, что отношение массы волокна к массе циклического органического или ароматического соединения составляет от 1/5 до 100/1.
19. Высокоуглеродистый материал (2), отличающийся тем, что он является биструктурным и содержит структурированную часть, содержащую карбонизированное волокно или набор карбонизированных волокон, и неструктурированную часть, содержащую карбонизированное циклическое органическое или ароматическое соединение, а также тем, что он имеет общую пористость больше чем 5%, предпочтительно больше чем 10%.
20. Высокоуглеродистый материал (2) по п. 19, отличающийся тем, что структурированная часть имеет пористость меньше чем 40%, предпочтительно меньше чем 30%, в то время как неструктурированная часть имеет пористость больше чем 7%, предпочтительно больше чем 10%.
21. Высокоуглеродистый материал (2) по любому из пп. 19 или 20, отличающийся тем, что отношение объема структурированной части к объему неструктурированной части составляет от 1/5 до 100/1.
22. Высокоуглеродистый материал (2) по любому из пп. 19-21, отличающийся тем, что он содержит добавки, такие как металлические наполнители и/или соли металла, введенные в его неструктурированную часть в соответствии с процессом по пп. 1-8.
23. Высокоуглеродистый материал (2) по любому из пп. 19-22, отличающийся тем, что он имеет форму углеродного волокна, скрученного комплекса несвязанных между собой элементарных непрерывных волокон, множества нескрученных непрерывных элементарных волокон, набора нетканых углеродных волокон или набора тканых углеродных волокон.
24. Применение высокоуглеродистого материала по любому из пп. 19-23 для производства деталей из композиционного материала термопластичного или термореактивного типа.
25. Применение высокоуглеродистого материала по любому из пп. 19-23 для производства деталей, которые могут использоваться в качестве электрода в электрохимических процессах.
26. Применение высокоуглеродистого материала по любому из пп. 19-23 для производства деталей, которые могут использоваться в качестве анода для катодной защиты.
27. Применение высокоуглеродистого материала по любому из пп. 19-23 для производства деталей, которые могут использоваться в качестве электрода для топливных ячеек.
28. Применение высокоуглеродистого материала по любому из пп. 19-23 для производства деталей, которые могут использоваться в качестве электродного элемента для батарей и аккумуляторов.
29. Применение высокоуглеродистого материала по любому из пп. 19-23 для производства деталей, которые могут использоваться в качестве коллектора электрического тока для анодов или катодов литиевых или натриевых батарей.
30. Применение высокоуглеродистого материала по любому из пп. 19-23 для производства деталей, которые могут использоваться в качестве коллектора электрического тока для литиево-серных батарей.
31. Применение высокоуглеродистого материала по любому из пп. 19-23 для производства деталей, которые могут использоваться в качестве коллектора электрического тока для литиево-полимерных батарей.
32. Применение высокоуглеродистого материала по любому из пп. 19-23 для производства деталей, которые могут использоваться в качестве электродного элемента для свинцово-кислотных батарей, в частности для свинцовых или свинцово-углеродных ультрабатарей.
33. Применение высокоуглеродистого материала по любому из пп. 19-23 для производства деталей, которые могут использоваться в качестве электродного элемента для перезаряжаемых литиевых батарей.
34. Применение высокоуглеродистого материала по любому из пп. 19-23 для производства деталей, которые могут использоваться в качестве суперконденсаторного электродного элемента.
35. Применение высокоуглеродистого материала по любому из пп. 19-23 для производства деталей, которые могут использоваться в качестве каталитической подложки, в частности для очистки воздуха.
36. Применение высокоуглеродистого материала по любому из пп. 19-23 для производства деталей, которые могут использоваться в качестве каталитической подложки для литиево-воздушных батарей.
