СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПОРИСТОГО ЯЧЕИСТОГО УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF PRODUCING HIGHLY POROUS CELLULAR CARBON MATERIAL

Изобретение относится к получению высокопористого ячеистого углеродного материала и может быть использовано при изготовлении фильтрующих элементов высокотемпературных газовых сред, расплавов металлов, солей, агрессивных кислых и щелочных сред, в качестве адсорбентов и носителей катализаторов в различных процессах, а также в медицине при проведении мероприятий по замещению дефектов костной ткани.
Известен способ получения высокопористого ячеистого углеродного материала, включающий нанесение на заготовку из пенополиуретана синтетической термореактивной смолы с последующей термообработкой указанной заготовки путем ее нагрева до 1000°C и изотермической выдержки при этой температуре, отличающийся тем, что в смолу сначала вводят углеродный порошок с размером частиц 150 мкм в количестве 16…26% масс., термообработку ведут в атмосфере природного газа, причем нагрев от 100 до 600°C осуществляют со скоростью 70…90°C/ч и от 600 до 1000°C со скоростью не менее 300°C/ч, а изотермическую выдержку проводят в течение 5…50 ч (см. описание к патенту RU №2089494 от 10.09.1997).
Это изобретение принято в качестве прототипа. Недостатками этого способа являются, большая стоимость продукта из-за значительного времени изотермической выдержки при высокой температуре и соответственно большого потребления электроэнергии и невысокая чистота получаемого продукта. Предлагаемое изобретение позволяет снизить себестоимость при получении высокопористого ячеистого углеродного материала за счет сокращения времени высокотемпературной изотермической выдержки и улучшить качество за счет уменьшения посторонних примесей в высокопористом ячеистом углеродном материале. Это достигается тем, что предлагается способ получения высокопористого ячеистого углеродного материала, использующий заготовку из пенополиуретана и синтетическую термореактивную смолу с последующей термообработкой указанной заготовки с синтетической смолой путем ее нагрева до 1000°C и изотермической выдержки при этой температуре, при этом термообработку ведут в атмосфере природного газа, причем нагрев от 100 до 600°C осуществляют со скоростью 70…90°C/ч и от 600 до 1000°C со скоростью не менее 300°C/ч, отличающийся тем, что в смолу сначала вводят углеродные нанотрубки в количестве 0,01…0,30% масс., затем заготовку из пенополиуретана пропитывают этим составом, а изотермическую выдержку проводят в течение 2 часов.
Введение в синтетическую термореактивную смолу углеродных нанотрубок, вместо порошкообразного углеродного материала с размером частиц 150 мкм, обеспечивает более высокую реакционную способность за счет создания нанотрубками большего количества центров кристаллизации для осаждения пироуглерода. Тем самым увеличивается скорость осаждения пироуглерода по сравнению с осаждением на частицы порошкообразного углерода размером 150 мкм, что значительно сокращает время выдержки при 1000°C, необходимое для осаждения того же количества пироуглерода и снижает себестоимость производства. Уменьшение количества посторонних примесей достигается за счет более высокой чистоты и меньшей массы введенных углеродных нанотрубок по сравнению с углеродным порошком. Содержание углеродных нанотрубок в синтетической термореактивной смоле менее 0,01% масс. приведет к образованию на поверхности скелетной структуры первоначальной подложки из пенополиуретана отдельных участков, не имеющих после завершения стадии карбонизации наночастиц. Поэтому из-за отсутствия центров кристаллизации при последующем пиролизе на такие участки происходит осаждение пиролитического углерода с меньшей скоростью. В готовом высокопористом ячеистом углеродном материале такие дефекты структуры приводят к снижению прочностных свойств. Повышение сверх 0,30% масс. доли нанотрубок в синтетической термореактивной смоле приведет к увеличению вязкости смолы, что затруднит равномерную пропитку каркаса из пенополиуретана. Кроме этого создаются условия для частичного или полного перекрытия смолой (а после термообработки и ее карбонизованным остатком) отдельных проницаемых пор пенополиуретана, в результате чего уменьшается открытая пористость и ухудшаются эксплуатационные свойства высокопористого ячеистого углеродного материала. Изотермическая выдержка в природном газе при 1000°C в течение 2 часов обеспечивает осаждение такой же массы пиролитического углерода в карбонизованной заготовке, как и в материале, изготовленном способом, изложенным в изобретении-прототипе, за счет более высокой скорости реакции из-за большего количества и более высокой реакционной способности нанотрубок. Замена способа, предусматривающего нанесение смолы на поверхность заготовки из пенополиуретана, на способ пропитки методом окунания способствует равномерному распределению смолы в порах заготовки и уменьшению разноплотности получаемого углеродного материала.
Способ осуществляют следующим образом. Берут термореактивное связующее марки ЛБС-4, ГОСТ 901-78, и добавлением спирта этилового ГОСТ 18300-87 добиваются получения однородной массы с вязкостью не более 80 пуаз. Перед этим в спирт вводят углеродные нанотрубки по ТУ 2166-030-07523132-2010 в количестве 0,10% от массы связующего с последующей обработкой ультразвуком. Затем нарезают заготовки размером (360×180×40) мм из пенополиуретана открытопористого марки ППУ 30-130, ТУ 6-55-221-991-88, и пропитывают их раствором смолы со спиртом методом окунания в течение 5 минут, после этого заготовки подвешивают и дают излишкам раствора стечь до открытия ячеек пенополиуретана. После подсушивания на воздухе в течение 1 часа заготовки из пенополиуретана, пропитанные раствором синтетической термореактивной смолой с углеродным нанотрубками, помещают в камеру реактора. Затем камеру реактора вакуумируют до остаточного давления 4000 Па, заполняют ее природным газом и включают нагрев реактора. При непрерывной подаче природного газа в реактор и достижении температуры в нем 100°C устанавливают скорость нагрева такую, что последующий равномерный нагрев до 600°C происходит в течение 6 часов, после чего, изменяя режим нагрева, доводят в течение 1 часа температуру до 1000°C. Произведя изотермическую выдержку при этой температуре в течение 2 часов, отключают нагрев и после естественного охлаждения заготовки достают из камеры реактора. В описанном примере открытая пористость полученного материала составила 85%. Отсутствие вариации пористости в отличие от прототипа получено за счет применения технически более совершенного метода пропитки вместо используемого в прототипе нанесения смолы на поверхность заготовки. Сравнительные характеристики высокопористого ячеистого углеродного материала, полученного с использованием предлагаемого способа и способа, изложенного в изобретении-прототипе, приведены в Таблице 1. Сравнение результатов, приведенных в Таблице 1, свидетельствует о том, что изобретение позволяет получить высокопористый ячеистый углеродный материал с такими же характеристиками, как и у прототипа, за время, в несколько десятков раз меньшее, чем у прототипа, и с меньшим количеством посторонних примесей, что свидетельствует о достижении технического результата. Положительный эффект от использования изобретения состоит в уменьшении в несколько (от 2,5 до 25) раз времени выдержки при высокой температуре, что приводит к экономии электроэнергии и снижению себестоимости продукта с одновременным повышением его качества.