Спосіб виготовлення електрода на титановій основі

Реферат: Винахід належить до електрохімічного виробництва, виготовлення малозношуваних електродів для анодного заземлення. Спосіб виготовлення електрода включає нанесення на підготовлену поверхню титанової основи розплаву нітрату марганцю і вуглецевого волокна. На нагріту до UA 101901 C2 (12) UA 101901 C2 температури розкладання нітрату марганцю титанову основу у вигляді тонкостінного циліндра послідовною намоткою укладають вуглецеве волокно, просочене розплавом нітрату марганцю, що містить кристалізаційну затравку діоксиду марганцю. Нагрів титанової основи здійснюють за допомогою електронагрівного елементу, розміщеного в порожнині тонкостінного циліндра. Затравку отримують шляхом осадження γ-діоксиду марганцю на порошковому оксиду титана. Утворення композитного вуглецево-діоксид-марганцевого покриття в режимі безперервної намотки вуглецевого волокна забезпечує спрощення виготовлення електрода, зменшення електроспоживання і покращення структури покриття. UA 101901 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до технічної електрохімії, а саме до технології виробництва нерозчинних анодів для електрохімічних процесів, і може бути використаний для анодного заземлення в системах електрохімічного захисту від корозії металевих конструкцій, трубопроводів та комунікацій. Умови тривалої експлуатації анодів для заземлення вимагають підвищеної механічної міцності і стійкості електродного матеріалу до дії руйнуючих факторів анодного процесу. Відомі аноди для заземлення на основі титану з покриттям платини, інших коштовних металів та їх сплавів (Бэкман В., Швенк В. Катодная защита от коррозии. Справочник - М.: Металлургия, 1984 - С. 197-210; патент США № 4452683, заявл. 22.12.1982, опубл. 05.01.1984, 3 МПК : C23F 13/00). Проте їх застосування обмежено високою вартістю електрода і ненадійністю покриття при невеликій товщині. Відомі титан-діоксидмарганцеві аноди для електрохімічних процесів та способи їх виготовлення, де на підготовлену поверхню титанової основи наносять активний шар з діоксиду марганцю термічним розкладенням нітратної або карбонатної сполуки марганцю (Л.М. Якименко. Электродные материалы в прикладной электрохимии - М.: Химия, 1977 - С. 228-232). Недоліками титан-діоксидмаргацевих анодів є порівняна низька адгезійна і механічна міцність шару діоксиду марганцю, його пористість, можливість пасивації титанової основи. Нанесення шару діоксиду марганцю значної товщини потребує багаторазового чергування операцій нанесення і термічного розкладення розчину або розплаву сполуки марганцю, що ускладнює технологію виготовлення електрода. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, є спосіб виготовлення титан-діоксидмарганцевого анода (а.с. СССР, № 1700100, заявл. 16.10.89, опубл. 5 23. 12.91, МПК : С25В 11/03), де на підготовлену сітчасту титанову основу послідовно наносять розплав нітрату марганцю, що містить у вигляді суспензії 10-12 % (мас.) карбіду вольфраму, проводять відпал при температурі 400-450 °C, накладають вуглецеву тканину із взаємно перпендикулярним розташуванням волокон та чергують вказані операції з утворенням покриття необхідної товщини. Недоліками відомого способу є складність, трудомісткість та енергетичні витрати виготовлення анода, труднощі автоматизації при серійному виробництві. Жорсткі умови застосування електроду не виключають можливості окислення і руйнування вуглецевого матеріалу та карбідної сполуки в результаті анодної реакції з участю кисню. Крім того, використовуваний в складі покриття карбід вольфраму належить до порівняно дорогих сполук. В основу винаходу, що пропонується, поставлено задачу вдосконалити спосіб виготовлення електроду, в якому утворення композитного вуглецево-діоксидмарганцевого покриття в безперервному режимі дозволяє зменшити енергоспоживання і скоротити виробничі витрати при серійному виготовленні електродів для систем електрохімічного захисту від корозії. Поставлена задача вирішується тим, що в способі виготовлення електроду на титановій основі, що включає нанесення на підготовлену поверхню титанової основи розплаву нітрату марганцю і вуглецевого волокна, згідно з винаходом, на нагріту до температури розкладання нітрату марганцю титанову основу, яку виконують у вигляді тонкостінного циліндру, послідовною намоткою укладають витки вуглецевого волокна, попередньо пропущеного через розплав нітрату марганцю, що містить кристалізаційну затравку діоксиду марганцю, де нагрів титанової основи здійснюють за допомогою електронагрівального елементу, розміщеного в порожнині тонкостінного циліндру. Кристалізаційну затравку отримують осадженням γ-діоксиду марганцю на поверхні високодисперсних частинок порошкового оксиду титану. Нагрів електродної основи у відповідності до запропонованого способу зменшує теплові втрати в порівняні із зовнішнім нагрівом. Крім того, суттєве значення для отримання щільної структури покриття має спрямованість кристалізації в умовах температурного градієнту з початковим відкладенням діоксиду марганцю на нагрітий поверхні титанової основи. Послідовна укладка витків при формуванні структури покриття супроводжується одночасним нанесенням розплаву нітрату марганцю, яким попередньо просочують вуглецеве волокно. Захоплений волокном розплав заповнює міжволоконні капіляри з подальшою кристалізацією в них діоксиду марганцю. Послідовність намотки призводить до пошарової кристалізації діоксиду марганцю, при цьому попередній шар додатково просочується розплавом нітрату марганцю із зовнішнього шару, що сприяє формуванню щільної малопористої структури покриття. Товщина покриття задається кількістю послідовних проходів при намотуванні волокна, де швидкість намотки визначається за терміном остаточного розкладання сполуки марганцю. Використання затравки в складі розплаву нітрату марганцю спрямовано на прискорення кристалізації і покращення структури діоксиду марганцю при формуванні покриття. 1 UA 101901 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Ефективність затравки пов'язана з численністю кристалізаційних центрів і залежить від її дисперсності і питомої поверхні. Найбільш розвинена поверхня досягається шляхом осадження каталітично активною γ-модифікації діоксиду марганцю на високодисперсному порошковому матеріалі. Висока хімічна стійкість і напівпровідність n-типу ультратонких часток оксиду титану в зв'язку із дефектністю їх кришталевої структури найбільш задовольняє умовам одержання затравки та її використанні в складі електрода, що мало зношується, в порівнянні наприклад з порошковими карбідними сполуками, що схильні до окислення та руйнування в жорстких умовах анодного процесу. Таким чином, пропонований спосіб дозволяє покращати структуру композитного вуглецеводіоксидмарганцевого покриття, яке характеризується щільною волоконно-капілярною структурою, орієнтованою паралельним укладанням витків при обертанні циліндричної основи, спростити процес виготовлення, зменшити споживання електроенергії. Це призводить до збільшення ресурсу електрода та зниження його собівартості. За наявними у авторів відомостями відмітні ознаки, які характеризують суть винаходу, що заявляється, не відомі з рівня техніки. Суть винаходу, що заявляється, не випливає для фахівця явним чином з відомого рівня техніки. Сукупність ознак, що характеризують відомі способи виготовлення електродів, не призводять до виникнення нових властивостей, і лише наявність відмітних ознак дозволяє отримати новий технічний результат. Промислова застосовність нового технічного рішення підтверджується тим, що запропонований спосіб виготовлення електроду для анодного заземлення може бути реалізований за допомогою існуючих технологічних процесів та устаткування. При виготовленні циліндричної основи електрода може бути використана зварювальна титанова труба, а для нанесення покриття - вуглецеве волокно різних марок, що випускається промисловістю. Запропонований спосіб виготовлення електрода здійснюється наступним чином. Електродну основу циліндричної форми виготовляють з титанової труби марки ВТ1-0, діаметром 45 мм, з товщиною стінки 1 мм і довжиною робочої частини 60 см, яку нагрівають за допомогою електронагрівального елементу трубчатого типу, розміщеного в об'ємі труби з торцевим термоізолятором. На підготовлену відомим способом поверхню циліндричної основи, нагрітої до 200 °C, при її обертанні щільною намоткою укладаються витки вуглецевого волокна марки Н 22600 діаметром 1,0 мм до сумарної товщини покриття 3 мм. Попередньо вуглецеве волокно просочувалося розплавом нітрату марганцю при температурі розплаву 100 °C. В розплав нітрату марганцю вводили затравку, що містить γ-діоксид марганцю і оксид титану (рутил) в співвідношенні 1/1, в загальній кількості 1 % (мас). Затравку отримували шляхом осадження γ-діоксид марганцю на поверхні порошку оксиду 2 титану з питомою поверхнею 10 м /г в розчині сульфату марганцю і пероксодисульфату натрію. Контроль температури здійснювався за допомогою тепловізора "Мікрон". Визначалися температура початку термохімічної реакції утворення діоксиду марганцю і термін повного розкладання нітрату марганцю при температурі 200 °C в розрахунку на 1 шар укладеного намоткою волокна. Термін розкладання визначався за припиненням виділення оксиду азоту на окремій ділянці поверхні. Загальна пористість покриття розраховувалася із об'єму і маси покриття та усередненої питомої ваги композитного матеріалу. Дані наведені в таблиці. Таблиця Умови одержання покриття Запропонований спосіб Без затравки, при зовнішнім нагріванні Температура реакції,° С 150 початку Термін розкладання при Пористість, % 200° С, хвилини 5 5 170 10 15 45 50 Наведені в таблиці результати підтверджують, що використання затравки в розплаві нітрату марганцю надає каталітичний ефект на утворення діоксиду марганцю. Це дозволяє здійснити формування покриття шляхом прискореної намотки вуглецевого волокна згідно запропонованого технічного рішення. Так, розрахована і експериментально підтверджена максимально припущена швидкість намотки волокна стосовно вказаних конкретних умов одержання покриття в присутності затравки становить 15 м/хв. При відсутності затравки і зовнішньому нагріві швидкість намотки не перевищить 7 м/хв. Крім того, отримане запропонованим способом покриття характеризується низькою пористістю у порівняні з 2 UA 101901 C2 5 10 15 20 25 30 35 умовами, що передбачають нагрів від зовнішнього джерела. При цьому в прилеглому до титанової основи шарі крізних пор не виявлено. Випробування на надійність електроду, що здійснювалося шляхом тривалої поляризації при -2 анодній щільності струму 500 А∙м протягом 100 годин, показало стабільність анодного потенціалу в межах 1,82-1,85 В, що вказує на відсутність суттєвих змін властивостей електродного матеріалу. Рівномірність розподілу електропровідного вуглецевого волокна в об'ємі покриття сприяє покращенню механічних та електрофізичних властивостей композитного електродного матеріалу. Циліндрична форма електрода найбільш задовольняє умовам вертикального і глибинного свердловинного анодного заземлення, оскільки забезпечує більшу площину контакту з ґрунтом і рівномірність розтікання струму при достатній жорсткості трубчатої конструкції аноду з можливістю розміщення в ньому електричного кабелю, що забезпечує надійне електричне з'єднання окремих електродів. Таким чином, використання запропонованого способу порівняно з відомим забезпечують наступні переваги: - спрощення процесу одержання вуглецево-діоксидмарганцевого покриття на титановій основі з можливістю його автоматизації; - прискорення реакції утворення діоксиду марганцю і покращення структури покриття; - зниження енерговитрат при формуванні покриття при збільшенні його товщини. Означені переваги дозволяють удосконалити процес виготовлення малозношуваних електродів і сприяють їх використанню в системах електрохімічного захисту від корозії металевих конструкцій і комунікацій. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб виготовлення електрода на титановій основі, що включає нанесення на підготовлену поверхню титанової основи розплаву нітрату марганцю і вуглецевого волокна, який відрізняється тим, що на нагріту до температури розкладання нітрату марганцю титанову основу, яку виконують у вигляді тонкостінного циліндра, послідовною намоткою укладають витки вуглецевого волокна, попередньо пропущеного через розплав нітрату марганцю, що містить кристалізаційну затравку діоксиду марганцю, де нагрів титанової основи здійснюють за допомогою електронагрівального елементу, розміщеного в порожнині тонкостінного циліндра. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що кристалізаційну затравку отримують осадженням γ-діоксиду марганцю на поверхні високодисперсних часток порошкового оксиду титану. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3