СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА
METHOD OF THERMALLY EXPANDED GRAPHITE PRODUCTION

Изобретение относится к технологии переработки природного графита, в частности, к получению терморасширенного графита, который может быть использован как компонент теплозащитных и огнезащитных материалов, а также композиционных материалов.
Известен способ получения терморасширенного графита, включающий обработку природного графита смесью концентрированных азотной и серной кислот, причем азотную кислоту используют в виде меланжа, содержащего 7,5-15 мас.% серной кислоты, 3,5 мас.% воды, остальное азотная кислота, при массовом отношении меланжа к серной кислоте 1-2,3 в пересчете на безводные кислоты. Далее полученную смесь промывают, сушат и подвергают термообработке на воздухе при температуре 1000°С в течение 10 секунд. Полученный терморасширенный графит имеет насыпную плотность в диапазоне 3-5 г/л (RU 2090498, опубл. 20.09.1997).
Недостатком указанного способа является выделение в ходе термообработки серной кислоты или продуктов ее частичного или полного разложения.
Известно использование нефтяного битума и каменноугольного пека в смеси с графитом при изготовлении электродов и конструкционных материалов (WO 02078945, опубл. 10.10.2007, RU 2134656, опубл. 20.08.1999).
Однако в этом случае коксообразующие органические остатки (нефтяной битум и каменноугольный пек) используются как связующее и не приводят к термическому расширению графита.
Наиболее близким по физической сущности и конечному результату к предлагаемому способу является способ получения терморасширенного графита, включающий обработку исходного порошка графита смесью серной кислоты с окислителем - азотной кислотой или бихроматом калия, последующую сушку и термообработку окисленного графита в присутствии газообразного аммиака (SU 1813711, опубл. 07.05.93).
Недостатком данного способа является необходимость ведения процесса термообработки в атмосфере аммиака, что обусловлено необходимостью использования большого количества серной кислоты. Кроме того, к недостатком данного способа следует отнести высокую насыпную плотность полученного терморасширенного графита (низкий коэффициент расширения).
Задачей изобретения является повышения коэффициента расширения и упрощение технологии получения терморасширенного графита.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения терморасширенного графита, включающем обработку исходного графита смесью азотной и серной кислот, последующую отмывку, сушку и термообработку окисленного графита, согласно изобретению перед термообработкой в окисленный графит вводят нефтяной битум в количестве 5-20 мас.% и проводят термообработку на воздухе.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что общими признаками с предлагаемым изобретением являются:
- обработка исходного графита смесью азотной кислоты с серной;
- последующая промывка до рН 7;
- сушка продукта;
- термообработка окисленного графита.
Отличительными от прототипа признаками являются:
- перед термообработкой в окисленный графит дополнительно вводят нефтяной битум в количестве 5-20 мас.%;
- термообработку ведут на воздухе (в прототипе - в атмосфере аммиака). Благодаря данным отличительным признакам удалось упростить технологию получения терморасширенного графита, а также увеличить коэффициент расширения графита.
Суть проблемы заключается в том, чтобы на стадии окисления добиться максимального расширения межслоевого пространства графита, но при этом избежать преждевременного расслоения графита, снижающего эффективность процесса в целом.
Для решения упомянутой проблемы было предложено использовать после окисления кислотами такой материал, как нефтяной битум, способный при небольшом нагревании (105-130°С) плавиться, при дальнейшем нагревании переходить в жидкое состояние, при этом проникая в пустоты, образованные на первом этапе окисления графита азотной кислотой.
Все эти характеристики нефтяного битума позволяют добиться существенного расширения межслоевого пространства графита при его термообработке и, соответственно, получать терморасширенный графит с высоким коэффициентом расширения и величиной удельной поверхности выше, чем у терморасширенных графитов, полученных по другим методикам.
Изобретение подтверждается конкретными примерами.
3
3
2
4
Пример 1. 100 г порошка природного чешуйчатого графита марки ГАК-3 Кыштымского месторождения (ГОСТ 10273-79) помещают в реактор, перемешивают, добавляют 100 см (90% HNO+10% HSO) и продолжают перемешивание реакционной массы в течение 10 мин. Реакционную смесь промывают дистиллированной водой до рН 7. Конечный продукт сушат при (100-105)°С до постоянного веса. Окисленный графит подвергают термообработке при 800°С в течение 3 минут в атмосфере аммиака. Характеристики полученного графита представлены в таблице. Данный пример соответствует прототипу.
Пример 2. 100 г порошка графита обрабатывают окислительной смесью аналогично примеру 1. Далее добавляют 5% нефтяного битума Ачинского нефтеперерабатывающего завода (ГОСТ 22245-90) и перемешивают смесь 10 мин. Термообработку ведут при 800°С в течение 3 минут на воздухе. Характеристики терморасширенного графита приведены в таблице. Отмечено незначительное увеличение удельной поверхности по сравнению с прототипом. Данный опыт соответствует заявляемому способу.
Пример 3. Процесс осуществляют аналогично примеру 2. Отличие заключается в том, что добавляют 10% нефтяного битума. Характеристики терморасширенного графита приведены в таблице. Отмечено существенное увеличение Кр и удельной поверхности по сравнению с прототипом. Данный опыт соответствует заявляемому способу.
Пример 4. Процесс осуществляют аналогично примеру 2. Отличие заключается в том, что добавляют 20% нефтяного битума. Характеристики терморасширенного графита приведены в таблице. Образец имеет более высокие показатели, чем прототип. Данный опыт соответствует заявляемому способу.
Пример 5. Процесс осуществляют аналогично примеру 2. Отличие заключается в том, что добавляют 30% нефтяного битума. Характеристики терморасширенного графита приведены в таблице. Отмечено снижение показателей терморасширенного графита по сравнению с предыдущими образцами, что доказывает нецелесообразность применения столь высокой концентрации битума.
ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ НЕФТЯНОГО БИТУМА НА КОЭФФИЦИЕНТ
РАСШИРЕНИЯ И ВЕЛИЧИНУ УДЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА
Таблица
№ п/п
Содержание нефтяного битума в окисленном графите, %
Коэффициент терморасширния
Удельная поверхность, м<sup>2</sup>/г
1 (прототип)
0
146
36
2
5
146
38
3
10
190
81
4
20
150
78
5
30
100
77
Как видно из таблицы, введение от 5 до 20% нефтяного битума в окисленный графит обеспечивает улучшение характеристик терморасширенного графита по сравнению с прототипом. При оптимальной концентрации битума 10% достигнуто увеличение Кр терморасширенного графита на 30%, а удельной поверхности на 125%.
Таким образом, заявляемый способ позволяет значительно увеличить коэффициент терморасширения, удельную поверхность полученного терморасширенного графита, а также упростить технологию его получения.