カーボン・ペースト電極の作り方

カーボンペースト電極は、鉱物炉、炭化カルシウム炉、および他の機器に使用される導電材料の一種です。炭素原料と接着剤で構成され、環境監視などの分野で独特な長所がある。炭素ペースト電極は、炭素原料と接着剤から構成され、環境モニタリングなどの分野でユニークな利点があります。炭素ペースト電極は、簡単な調製プロセス、低コスト、変更可能、特性の柔軟な調整、科学的研究と実用的なアプリケーションの注目を持っています。

材料の準備

炭素質原料

の核となるカーボン素材。 電極ペースト は石油コークス、アスファルトコークス、黒鉛である。石油コークスは炭素含有率が高く、不純物が少なく、高温で焼成した後の抵抗率が低い。アスファルトコークスは機械的強度が高く、電気伝導性が良いため、電極の安定性を高めることができます。 黒鉛スクラップ は電気伝導性と熱伝導性に優れ、熱伝導と電子輸送性能を向上させることができる。実際、電極ペーストの使用に応じて、その割合は正確に調整される。

バインダー

石炭アスファルト は最も一般的に使用されるバインダーである。ある温度まで加熱すると固体から液体に変化し、カーボン粒子を均一にコーティングして強固に結合させる。石炭アスファルトの軟化点は、その軟化流動温度範囲を決定する。そして適切な軟化点により、加熱時に原料に完全に浸透することができる。冷却後に十分な結合強度を提供し、電極ペーストの形状と構造を維持します。コーキング価は、高温コーキング能力を反映します。コーキング値が高いほど、高温での電極ペーストの機械的強度と電気伝導性を向上させることができます。

添加物

電極ペーストの性能を最適化するために、特定の添加剤が加えられることがある。銅粉、アルミニウム粉などの金属粉は導電性が良いため、添加後に導電性を大幅に向上させることができます。炭素繊維などの繊維材料は、機械的強度を向上させることができます。そのため、電極ペーストは外力を受けても壊れにくい。酸化防止剤は、高温での酸化防止能力を向上させ、寿命を延ばすことができる。ただし、添加剤の種類や量は、他の特性に影響を与えないよう、多くの実験と厳しい試験を行う必要がある。

カーボンペーストの調製 ステップ

トナーと接着剤の計量

綿密に設計された計算式に従ってカーボン粉末と接着剤を計量します。高精度の電子天秤を使用し、カーボン原料と接着剤を正確に計量する。カーボン原料の吸湿や温度・湿度の変化による変質を防ぐため、計量時の環境条件を厳密に管理する。そして、吸湿しやすい原料は乾燥した環境で操作し、できるだけ早く処理する。正確な計量を確保するために、天秤の定期的な校正。異なるアプリケーションシナリオの電極ペーストの性能要件は異なっており、最適な式を決定するために、環境、性能とコストの使用を考慮する必要があります。

混合研削

計量した原料や接着剤を高速ミキサーや強力混練機で混合・粉砕する。まず低速で10～15分間撹拌し、最初に大きな粒子を分散させる。次に速度を上げて150～180℃に加熱し、石炭ピッチを軟化させて炭素粒子を包み込む。そして30～45分間攪拌を続ける。完全に攪拌された混合物もボールミルなどに移して2～4時間。カーボン粒子を微細化し、接着剤を強固に結合させ、カーボンペーストの均一性と安定性を向上させる。

カーボンペースト電極形成プロセス

手詰め方式

ハンドフィリング法は、簡単で直接的な電極形成法である。まず、準備した電極母材を洗浄する。 ガラス炭素電極)を窒素で乾燥させる。次に、用意したカーボンペーストを適量取る。そして、ピンセットやガラス棒を使って、電極台の表面や特定の溝にカーボンペーストを注意深く充填する。充填の際は、穴が開いたり厚みが不均一にならないよう、カーボンペーストができるだけ均等になるようにする。充填後、カーボンペーストを指や工具で軽く押し、電極ベースにしっかりと結合させる。この方法は操作が簡単で、特別な設備は必要ないが、作業者の経験値が高い。また、成形後の電極の安定性は比較的悪い。

金型成形方法

金型成形法は、規則的な形状、正確なサイズと良好な一貫性を持つカーボンペースト電極を調製することができます。まず、希望する電極の形状や大きさに応じて、PTFE金型など適切な金型を選択またはカスタマイズします。金型を洗浄し、乾燥させた後、金型表面に離型剤を均一に塗布し、その後離型します。次に、金型のキャビティにカーボンペーストを充填し、金型がカーボンペーストを圧縮します。カーボンペーストが金型を完全に満たし、表面が平らになるようにする。その後、カーボンペーストを充填した金型を一定の温度・圧力条件下に置き、硬化させる。(エポキシ樹脂など硬化が必要なバインダーを使用する場合）。硬化後、注意深く型を開け、形成されたカーボンペースト電極を取り出す。この方法は、高い電極形状と寸法精度が要求される大規模な準備や応用シーンに適しています。

カーボンペースト電極の後処理

平面研削と研磨

形成されたカーボンペースト電極の表面は、凹凸があったり粗かったりすることがある。これは電極の電気化学的性能や再現性に影響する。そのため、電極の表面を研削し、研磨する必要がある。まず、電極の表面をサンドペーパーで研磨し、目立つ凹凸を取り除きます。(200メッシュ、400メッシュ、800メッシュ、1200メッシュなど、粗目から細目まで）研磨の際には、電極表面にかかる力が均一になるように注意する必要があります。カーボンペースト層を傷つけないためである。その後、研磨布と研磨ペースト（アルミナ研磨ペーストなど）を使用して電極を研磨する。電極表面の鏡面効果を得るため。研磨された電極表面はより滑らかになり、電極のバックグラウンド電流を効果的に減少させ、電極の感度と応答安定性を向上させることができる。

洗浄と活性化

研削・研磨後の電極表面には、研磨粒子、研磨ペースト、その他の不純物が残っている場合があり、洗浄が必要です。無水エタノールに電極を浸し、5～10分間超音波洗浄した後、脱イオン水ですすぎ、窒素で乾燥させる。洗浄した電極は、電極の電気化学的活性を向上させるために活性化する必要もある。活性化法には通常、電気化学サイクリックボルタンメトリーを用い、特定の電解液中で、一定の走査速度（50mV/sなど）で電極を数回走査する。これにより、電極表面に安定した活性サイトが形成され、電極の電気化学的性能が最適化される。

品質検査と性能評価

外観検査

肉眼と顕微鏡で電極の外観を確認する。肉眼で電極の全体的な形状が規則正しいかどうかを確認する。カーボンペーストが完全かどうか、亀裂、穴、脱落がないかどうか。顕微鏡を使ってカーボンペーストの微細構造を観察することができる。例えば、黒鉛粉末の分布が均一かどうか、接着剤の塗布状態など。高品質電極の表面は滑らかで、カーボンペーストは母材としっかりと結合し、明らかな欠陥がないこと。

電気化学的性能試験

電気化学ワークステーションを使用して、カーボンペースト電極の性能を試験することができます。一般的な方法には、サイクリックボルタンメトリー（CV）、ディファレンシャルパルスボルタンメトリー（DPV）、ACインピーダンス分光法（EIS）などがあります。CVは電極のREDOX挙動を研究し、異なる電位での電流応答を測定し、REDOXのピーク電位と電流を決定する。そして、特定の物質の触媒性能を評価する。DPVは高感度で、パルス電位下での電流変化を分析し、低濃度の物質を検出する。EISは電極/溶液界面の電荷移動と内部抵抗を研究し、異なる周波数の交流インピーダンスを測定して等価回路パラメータを得る。また、界面の性能と電子輸送能力を評価します。

結論

カーボンペースト電極の製造には、多くの工程と複雑な影響要因があります。材料の選択から準備、成形、後処理、性能評価まで、それぞれのつながりが非常に重要です。パラメータを合理的に制御することで、高品質の電極を製造することができ、将来の製造工程は最適化と革新を続けるでしょう。