СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТКРЫТОПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СТЕКЛОУГЛЕРОДА Российский патент 1998 года по МПК C04B35/524 C04B38/04 

Изобретение относится к получению углеродных материалов на основе стеклоуглерода и может быть использовано в химической технологии для изготовления пористых электродов, фильтрующих элементов, барбатеров, мембран, адсорберов, теплообменной аппаратуры, работающих в агрессивных жидких и газообразных средах при высоких температурах.

Известен способ получения высокопористого ячеистого материала на основе стеклоуглерода [1].

В известном способе пористый углеродистый материал получают путем нанесения на заготовки из ретикулярованного пенополиуретана (ППУ) фенолоформальдегидной смолы (ФФС), отверждения заготовок и их последующей карбонизацией в интервале температур 150 - 160^oC. При этом размер, структура и объем пор углеродного материала полностью зависит от структуры ячеек используемого ППУ и их нельзя регулировать на стадии получения заготовок. Прочность материала на основе стеклоуглерода, получаемого таким способом, и его плотность можно варьировать только в узком диапазоне.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ получения пористого стеклоуглерода [2], путем заливки полимеризующейся смеси, содержащей фенольнофурфуральную смолу и кислотный катализатор в форму, заполненную частицами водорастворимой соли NaCl, KCl заданного гранулометрического состава. После частичной поликонденсации при 50 - 80^oC и отмывки соли порообразователя заготовку сушат, затем растворяют в течение недели при 150 - 200^oC.

Далее заготовку карбонизуют в инертной среде при 1200^oC.

Недостатками этой технологии являются длительный процесс доотверждения заготовки, возможность образования закрытых пор, из которых порообразователь не будет удален ни при отмывке соли, ни при карбонизации, ввиду невысокой растворимости предлагаемых порообразователей (NaCl KCl), процесс отмывки длителен, особенно при формовании мелкопористого материала.

Цель изобретения - получение стеклоуглеродного открытопористого материала, из которого полностью и гарантированно удален порообразователь.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом и другими техническими решениями позволило сделать вывод, что оно неизвестно из уровня техники, а следовательно соответствует критерию "новизна".

Поставленная цель достигается тем, что для изготовления открытопористого материала на основе стеклоуглерода используют смесь, содержащую связующе, например фенолоформальдегидную смолу и порошок щавелевой кислоты, выполняющего одновременно роль порошкообразователя и кислотного отвердителя при следующем соотношении компонентов мас.%: жидкая фенолоформальдегидная смола - 20 - 50, щавелевая кислота - 80 - 50.

Смесь тщательно перемешивают, заливают в форму, отверждают при температуре 20 - 80^oC. В процессе отверждения происходит полимеризация связующего с переходом его в резитнонеобратимое твердое состояние.

Порошкообразный порообразователь удаляют из термообработанной заготовки растворением его в воде, лучше горячей и проточной.

Ввиду высокой растворимости щавелевой кислоты в воде, при 100^oC в 100 г воды растворяется 120 г щавелевой кислоты, 98% порообразователя удаляют за 20 - 30 мин.

В процессе растворения порообразователя в материале образуется сложная развитая и жесткая поровая структура с определенным средним размером поровых каналов, определяемым главным образом размером частиц порошкообразного порообразователя.

Полученный материал без сушки подвергают термообработке в закрытой форме с вертикальной газоотводной трубой. Термообработку ведут равномерным повышением температуры от комнатной 20^oC до 700 - 1000^oC со скоростью 2 - 4^oC/мин. При 1000^oC материал выдерживают не менее 30 мин, затем охлаждают в форме со скоростью 4 - 10^oC/мин.

В процессе термообработки происходит полное 100%-ное удаление и разложение до углекислого газа и воды порообразователя со вскрытием закрытых пор, пиролиз и карбонизация фенолоформальдегидной смолы.

Регулированием фракционного состава порообразователя, соотношением связующего и порообразователя возможно варьирование размера и объема пор в котовом открытопористом стеклоуглероде в широком диапазоне.

Использование предлагаемого изобретения обеспечивает возможность регулирования размера и объема пор в широком диапазоне от десятков до сотен микрон за счет регулирования фракционного состава порообразователя; многократное использование после высушивания и помола порообразователя; получение стеклоуглеродного открытопористого материала без следов порообразователя; варьирование в диапазоне нескольких порядков электропроводности стеклоуглеродного материала, путем применения максимальной температуры термообработки.

В таблице приведены характеристики 7 примеров образцов открытопористого материала на основе стеклоуглерода.

Заготовки образцов формовались из смеси фенолоформальдегидной смолы СФЖ-303 со щавелевой кислотой при различном соотношении масс.

В примерах 2, 3, 4, 5, 6 получены качественные образцы с широкой вариацией свойств.

В примере 1 образцы на стадии растворения порообразователя сохраняют высокую прочность, однако при термообработке они разрушаются.

В примере 7 образцы на стадии растворения порообразователя превращаются в рыхлую губчатую массу, которая не сохраняет первоначальную форму.

Способ получения открытопористого материала на основе стеклоуглерода относится к получению углеродных материалов и может быть использовано в химической технологии для изготовления пористых электродов, фильтрующих материалов, барбатеров, мембран, адсорберов, теплообменной аппаратуры работающих в агрессивных жидких и газообразных средах при высоких температурах. Для изготовления стеклоуглеродистого материала используют смесь, содержащую жидкую фенолоформальдегидную смолу и порошок щавелевой кислоты в качестве порообразователя и кислотного отвердителя. Ввиду высокой растворимости щавелевой кислоты в воде, 98% порообразователя можно удалить за 20-30 мин. Полученный материал без сушки подвергают термообработке в закрытой форме, где окончательно происходит полное 100% удаление порообразователя. Изобретение обеспечивает: возможность регулирования размера и объема пор в широком диапазоне 10-100 микрон за счет регулирования фракционного состава порообразователя, многократное использование порообразователя, получение материала без следов порообразователя. 1 табл.

Способ получения открытопористого материала на основе стеклоуглерода, включающий смешение жидкой фенолоформальдегидной смолы и порообразователя с последующим отверждением и карбонизацией, отличающийся тем, что в качестве порообразователя и одновременно кислотного отвердителя используют щавелевую кислоту.