Использование пенографита

 

2. Интеркалированный графит – компонент огнезащитных покрытий

 

Интеркалированные соединения также широко используются для 
создания огнезащитных материалов терморасширяющегося типа. Под действием огня такие материалы резко (в десятки раз) увеличиваются в 
объёме, образуя слои пены, имеющей низкую теплопроводность и высокую 
термическую стойкость. Образовавшаяся пена покрывает защищаемые 
поверхности, заполняет отверстия и щели, изолируя очаг пожара. Высокая 
эффективность материалов терморасширяющегося типа определяется тем, 
что для защиты от пожаров требуется нанесение покрытий толщиной всего 
от нескольких десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров, 
которые под действием огня превращаются в слои пены толщиной 
несколько сантиметров. К настоящему времени разработан ряд 
огнезащитных материалов терморасширяющегося типа: пасты и гибкие 
материалы, предназначенные для защиты электрических кабелей и кабелей 
связи, металлических и деревянных строительных конструкции. 

 

3. Пенографит  – эффективный сорбент

 

С точки зрения экологической  безопасности актуальной является 
проблема очистки воды от мазута, масел, других органических соединений и 
тяжелых металлов. Благодаря высокоразвитой удельной поверхности 
(50-150 м²·т^-1), низкой плотности (1-10 кг·м^-3), микропористой структуре, 
способности образовывать композиты с широким классом веществ, 
пенографит обладает высокой поглощающей способностью по 
отношению к нефтепродуктам и другим гидрофобным органическим 
соединениям, таким как масла, жироподобные вещества, толуол, ксилол, 
хлорированные фенолы, дихлордифенилтрихлорметилметан (ДДТ) и т.п. 
Преимущество пенографита по сравнению с традиционно применяемыми 
сорбентами заключается в его малом расходе и высокой способности к 
регенерации. 1 грамм пенографита способен поглотить до 80 граммов 
органических веществ. Следует отметить, что легкий и гидрофобный 
пенографит способен удерживаться на поверхности воды в течение десятков 
часов, а после поглощения нефтепродуктов в течение нескольких суток. При 
этом пенографит может очищать воду как с поверхности, так и из объема.

 

3. Перспективные направления развития композитов на основе пенографита 

 

Разработанные технологии получения наукоемкого материала - 
интеркалированного и ко-интеркалированного графита значительно 
повышают технический уровень продукции на их основе. Несомненно, 
продолжение работ в области ИСГ и низкоплотных углеродных материалов 
приведет к расширению областей применения этих уникальных углеродных 
материалов.

Разрабатывается промышленная технология модифицирования 
поверхности низкоплотных углеродных материалов путем формирования на 
их поверхности наноструктур, таких как нанопористый пироуглерод, 
углеродные нановолокна и углеродные нанотрубки. Технологией 
модификации композиционных материалов, позволяющей полноценно 
регулировать свойства в самых широких пределах, является процесс 
углеродного пироуплотнения. Данный процесс основан на пиролитическом 
разложении углеводородов при высокой температуре (свыше 1000°С), в 
результате чего на поверхности пор матрицы графитового композита 
осаждается фаза пироуглерода в виде кластеров от нескольких нанометров до 
нескольких микрометров, химически связывая ее компоненты (рис. 3).

Рис. 3 – Морфология пироуплотненной графитовой сетки с нанесенными частицами пироуглерода

Данная технология позволит тонко регулировать пористость 
композиционного материала вплоть до его абсолютной 
газонепроницаемости, а также увеличить его прочность, уменьшить 
электросопротивление, повысить химическую и термическую стойкость.

Новые направления применения пенографита и углеродных 
композиционных материалов связаны с использованием углерод-углерод- 
углерод-углеродных композитов: С(графит) - С(углеродное волокно) - 
С(пироуглерод) - С(пек и т.д.) для получения высокотемпературных 
нагревателей сложной формы, в том числе гибких, трубопроводов 
агрессивных сред, высокотемпературных теплозащитных экранов и щитов и т.д.

Таблица 1. Роль нанотехнологий в создании качественно новых 
характеристик композиционных материалов общепромышленного 
назначения на основе нанослоистых и наномодифицированных матриц.

 

№	Ключевые свойства разрабатываемых  и  производимых материалов	Значения достигаемых параметров
		на основе традиционных  технологий	с использованием  нанотехнологий
1.1	Толщина наночастицы терморасширенного  графита, нм	100	40
1.2	Коэффициент расширения при  термодеструкции, раз	300	600
1.3	Прочность на разрыв гибкой графитовой фольги, МПа	5,2	15,0
1.4	Упругость гибкой графитовой фольги, %	9,0-9,5	25,0

 

В рамках расширения ассортимента и улучшения качества огнезащитных материалов перспективным является разработка огнезащитных материалов с пониженной до 150°С температурой начала вспенивания. Решением этой задачи является ко-интеркалирование соответствующего компонента с низкой температурой разложения с образованием газообразной фазы.

Основной областью применения пенографита (до 70%) является 
использование его в герметизации в качестве уплотняющих материалов на 
предприятиях топливно-энергетического комплекса, машиностроения и 
нефтепереработки. Применение материалов на основе графитовой 
фольги - уникального уплотнительного материала по всей совокупности эксплуатационных свойств позволяет повысить герметичность и надежность 
соединений технологического оборудования, добиться снижения количества 
вредных выбросов, резко уменьшить потери энергоносителей и исключить 
использование канцерогенных асбестовых материалов, запрещенных к 
применению практически во всех развитых странах мира (табл.2).

 

Таблица 2. Свойства гибкой графитовой фольги.

Показатели	Графитовая  фольга	Новые материалы	Grafoil, UCAR,  США
Содержание С,%	98-99.99	99.99	99.8
Плотность, кг/см3	0.05-1.5	0.05-1.5	1.1 - 1.5
Толщина, мм	0.1 -2.0	0.1-2.0	1-2
Открытая пористость, %	0.002/30- 13
Предел прочности при сжатии, МПа	не менее 4	Не менее 10	4.4-6.9
Упругость, %	Не менее 8	Не менее 15	6- 10
Газопроницаемость по азоту, см3-см/см2-с-атм	2 10-6	8-25
Удельная поверхность, м2/г	20-50	110-150
Размер пор, нм	10-30 (мезо)	3-20
Удельное электросопротивление,  Ом-мкм	650/10	Не менее  650/10
Теплопроводность, Вт/м-К	3 -5/130-200		5/140
Термостойкость в инертной  среде, °С	3000
Теплостойкость в инертной  среде, °С	2300
Содержание хлор-ионов, ppm	<15	<15	<20

/ - вдоль/ поперек графитового листа

 

 

ВЫВОДЫ

 

Практическое применение ИСГ далеко не исчерпывается описанными 
выше областями. Они могут быть использованы для создания гибких и 
объемных нагревательных элементов, защитных экранов от теплового и 
электромагнитного излучений, теплоизоляторов, антифрикционных добавок 
к маслам, углерод-углеродных композиционных материалов, 
газодиффузионных слоев топливных элементов, низкоплотных 
конструкционных высокотемпературных теплоизоляционных материалов для 
авиационно-космической техники и др.

Разработка промышленных технологий, создание производства и 
организация массового внедрения нового поколения высокоэффективных 
уплотнительных и огнезащитных материалов на основе интеркалированных 
соединений графита позволяет решить целый ряд задач, связанных с 
технологической и экологической безопасностью атомных и тепловых 
электростанций, предприятий химической, нефтехимической, газовой и 
других отраслей промышленности, снизить риск техногенных катастроф.

Применение нового класса уплотнительных материалов позволит 
значительно увеличить межремонтные сроки эксплуатации арматуры 
тепловых и атомных электростанций, повысить показатели их безаварийной 
работы, улучшить условия труда персонала, привести к снижению потерь 
тепла и пара, снизить количество сжигаемого топлива, что, в свою очередь, 
приведет к уменьшению уровня загрязнения окружающей среды.

Новые технологии и оригинальное оборудование реализовали научные 
принципы управляемого синтеза интеркалированных соединений различного 
назначения, на базе которых созданы уплотнительные и прокладочные 
материалы (изделия) широкой номенклатуры, огнезащитные композиты, 
адсорбенты, катализаторы, активные компоненты для анодных масс, в 
электродах химических источников тока и антифрикционные материалы.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1. Шорникова ОН, Сорокина HE, Авдеев В В Получение пенографита, допированного оксидами никеля и кобальта // 5м Международная конференция «Углерод фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология» Москва Россия 18-20 Октября 2006 с 191

2. Шорникова О Н Интеркалирование графита в электролитах H2S04 - R (R = Н20, С2Н5ОН, НСООН, СН3СООН, С2Н5СООН) // Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «ЛОМОНОСОВ» Секция Химия Москва Россия 11-14 Апреля 2007 с 283

3. Тихомиров, А.С., Савченко, Д.В.  Пиронасыщение терморасширенного графита // Материалы XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». – Москва, 2009.

4. Тихомиров, А.С., Сорокина, Н.Е., Авдеев, В.В. Особенности взаимодействия  карбонизованного углеродного волокна с минеральными кислотами // Материалы конференции Углерод. – Владимир, 2010.

5. Ионов, С.Г., Сорокина, Н.Е., Козлов, А.В., Павлов, А.А., Шорникова, О.Н., Тихомиров, А.С., Годунов, И.А., Селезнев, А.Н., Авдеев, В.В. Установка для получения фольги из терморасширенного графита // Патент РФ на изобретение №2421427 от 20 июня 2011 г.