СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВСПУЧЕННОГО ГРАФИТА ВЫСОКОЙ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ Российский патент 2004 года по МПК C01B31/04 

Изобретение относится к химической технологии получения углеродных материалов на основе графита, обладающих высокой реакционной способностью, и может быть использовано, преимущественно, при производстве сорбентов повышенной сорбционной емкости, а также токопроводящих компонентов специальных тепловыделяющих конструктивных слоев (теплые полы, перегородки, стены и т.п.), а также противогололедных покрытий.

Высокая реакционная способность вспученного графита объясняется разрушением кристаллитных и межпакетных связей, обусловленных ван-дер-ваальсовыми и ковалентными силами, что приводит к образованию тонкодисперсного порошкового материала с весьма большой удельной поверхностью. При этом частицы порошка представляют собой обломки структурных элементов, содержащие энергетически неуравновешенные центры, что обеспечивает высокую реакционную способность материала.

Известен способ получения вспученного графита повышенной реакционной способности путем предварительной обработки графитового порошка серной кислотой с добавлением сильных окислителей типа НNО₃, К₃Сr₂О₇, К₂МnО₄, и др., см. Есин О.А., Гельд П.В. Физическая химия пирометаллургических процессов, М., 1950, с.250.

Данный способ сложен в реализации. Кроме того, не обеспечивает достаточной степени разрушения кристаллитных структур графита; процесс вспучивания происходит, в основном, за счет увеличения межпакетных расстояний кристаллитной структуры и образования требуемой дисперсности среды.

Известен способ получения вспученного графита высокой реакционной способности, включающий предварительную обработку графитового порошка кислотой и последующий резистивный нагрев путем пропускания через смесь графитового порошка с кислотой постоянного электрического тока, RU 2128624.

Данный способ принят за прототип настоящего изобретения.

В результате резистивного нагрева, осуществляемого в специальном реакторе, возникает множество электрических дуг между чешуйками графита и происходит разрушение ван-дер-ваальсовских и ковалентных связей; графит при этом преобразуется из двухмерной структуры в смесь гексагоналов и углеродных соединений типа С₃, С₄ и т.д.

Реакционная способность такой смеси, по утверждению автора способа-прототипа, “очень велика благодаря реакционной способности напряженных атомарных соединений углерода”. Однако хорошо известно, что указанные атомарные соединения углерода находятся в физическом и химическом равновесном состоянии и не могут представлять собой функциональные группы.

Поскольку в описании способа-прототипа нет никаких указаний, какая именно кислота использована для предварительной обработки графита, можно предположить, что использована серная кислота, применявшаяся во всех известных способах получения вспученного графита. Но при использовании серной кислоты, как отмечается выше, в любом случае необходимо использование дополнительных сильных окислителей.

Однако основным и принципиальным недостатком способа-прототипа, как и любых других способов, включающих межэлектродную обработку графитовой смеси, является то, что процесс идет в этом пространстве неодинаково. В анодной зоне происходят требующиеся для вспучивания окислительные процессы, а в катодной зоне имеют место противоположные, восстановительные процессы, препятствующие вспучиванию. Смесь анизотропна и ее электропроводность различна в различных направлениях, что также определяет неравномерность вспучивания графита. Электрическая дуга возникает в местах нарушения проводимости электрического тока. Кислота является электролитом и при насыщении графитового порошка кислотой в достаточной степени эффект токопроводимости системы графит + кислота обеспечивается полностью; следовательно, образование микроэлектрических дуг, практически, исключается. Также анизотропен и получаемый материал, его электропроводность нестабильна и существенно изменяется при воздействии физических полей. Это ограничивает возможность его использования в качестве токопроводящего компонента.

Кроме того, использование постоянного электрического тока для вспучивания графита связано со значительными энергозатратами и требует специального дорогостоящего оборудования. Немаловажно и то, что способ-прототип пожароопасен, поскольку электрические разряды в графитовом порошке с высокой вероятностью обусловливают его возгорание, так как температурный режим в зоне электрических разрядов не поддается контролю и регулированию в необходимых безопасных пределах.

В частности, для реализации способа-прототипа предусмотрен реактор весьма сложной конструкции.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи значительного повышения реакционной способности вспученного графита, обеспечения тем самым гомогенности и изотропности конечного продукта, и тем самым его стабильной электропроводности, уменьшения электрозатрат, упрощения и удешевления технологического оборудования, а также повышения пожаробезопасности технологического процесса.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в способе получения вспученного графита высокой реакционной способности, включающем предварительную обработку графитового порошка неорганической кислотой с последующим нагревом, для предварительной обработки графитового порошка используют хлорную кислоту с концентрацией от 30 до 62 мас.%, при этом нагрев осуществляют путем передачи тепла от теплоносителя до достижения температуры в пределах от 100 до 200°С и выдержки при этой температуре в течение времени от 2 до 15 минут, при этом обработку графитового порошка кислотой и последующий нагрев производят под давлением от 0,4 до 1,2 ати; отношение массы графитового порошка к массе хлорной кислоты составляет 1:0,15 - 1:0,5.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

Реализация отличительных признаков изобретения обусловливает важные новые свойства объекта, которые состоят в следующем.

При воздействии на графитовый порошок хлорной кислоты с концентрацией 30-62 маc.% происходит ее глубокая интеркаляция в межплоскостные зоны графитовой структуры. Поскольку хлорная кислота является чрезвычайно сильным окислителем, происходит интенсивное окисление графитовой структуры. Этот процесс резко интенсифицируется, а также процесс диссоциации кислоты и ее производных, при осуществлении нагрева смеси графитового порошка с хлорной кислотой до температуры от 140 до 200°С и выдержки при этой температуре в течение 4-30 мин. В результате возрастает давление газовой фазы, включающей О₂, Н₂О, НС1, Сl₂ во внутрипоровых и межплоскостных пространствах графита, что приводит к микровзырвному разрушению его структуры и образованию субмолекулярных обломков элементов исходной структуры (гексагоналов, пластинок и др.). Дополнительное воздействие избыточного давления 0,4-1,2 ати интенсифирует процесс вспучивания в условиях относительно невысоких температур. На сколах боковых и торцевых граней подвергшихся разрушению элементов структуры графита образуются энергетически неуравновешенные активные центры, которые обеспечивают хемосорбиционное взаимодействие вспученного графита с различными адсорбатами, органическими и неорганическими.

Кроме того, следует отметить, что процесс вспучивания происходит однородно во всей массе графитового порошка, интеркалированного хлорной кислотой; при этом исключается необходимость использования дополнительных окислителей. Получаемый материал имеет высокую степень дисперсности, гомогенности и изотропности.

Весьма важно также и то, что заявленный способ не требует пропускания постоянного электрического тока через графит, что удешевляет технологию и используемое оборудование, обеспечивает высокую пожаробезопасность.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию “изобретательский уровень”.

Заявленный способ реализуется следующим образом. В металлический поддон прямоугольной формы размером 1000×1500 мм с высотой бортов 100 мм насыпают равномерным слоем толщиной 10 мм графитовый порошок, который затем смешивают с хлорной кислотой, имеющей концентрацию от 30 до 62 маc.% при отношении массы графитового порошка к массе кислоты 1:0,15-1-0,5. Меньшее, чем указано, количество кислоты не обеспечивает необходимую интенсивность процесса вспучивания графита, а большее - нецелесообразно, поскольку ведет к нерациональному расходу дорогостоящего реагента.

Затем, без предварительной выдержки, поддон с графитовым порошком, смешанным с кислотой, помещают в термобарокамеру и подвергают нагреву до температуры в диапазоне 100-200°С. Нагрев до более низкой температуры, чем 100°C, не обеспечивает достаточно интенсивного процесса вспучивания, нагрев выше 200°С обусловливает чрезмерно интенсивное вспучивание графита, что ведет к его разбросу, а также к нерациональному расходу тепловой энергии. Продолжительность обработки смеси под давлением при нагреве составляет 2-15 мин.

Готовый продукт имеет однородную структуру, цвет, физические и физико-химические свойства; невспученных частиц графитового порошка не обнаруживается; материал гомогенен и изотропен, что позволяет обеспечить его стабильную электропроводность в условиях изменения физических полей.

Ход процесса вспучивания в конкретных примерах при различных соотношениях графитового порошка и хлорной кислоты при различных ее концентрациях и режимах избыточность давления и нагрева приведен в таблице 1.

Физические свойства вспученного графита, полученного согласно примерам 3-7 таблицы 1, приведены в таблице 2.

Сорбционная емкость полученного по примерам 3-7 материала приведена в таблице 3.

Для реализации способа использовано обычное несложное промышленное оборудование, что обусловливает соответствие изобретения критерию “промышленная применимость”.

Изобретение предназначено для химической технологии получения углеродных материалов и может быть использовано при производстве сорбентов повышенной сорбционной емкости, токопроводящих компонентов специальных тепловыделяющих конструктивных слоев, например теплых полов, перегородок, стен, а также противогололедных покрытий. Графитовый порошок помещают равномерным слоем на металлический поддон и смешивают с 30-62%-ной хлорной кислотой. Отношение массы графитового порошка к массе хлорной кислоты 1:0,15-1:0,5. Поддон помещают в термобарокамеру, нагревают до 100-200°С и выдерживают при этой температуре 2-15 мин. Обработку графитового порошка хлорной кислотой и нагрев производят под давлением 0,4-1,2 ати. Конечный продукт гомогенен и изотропен обладает стабильной электроповодностью, а также высокой сорбционной ёмкостью по нефти и керосину. Способ прост, пожаробезопасен, экономичен. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ получения вспученного графита высокой реакционной способности, включающий предварительную обработку графитового порошка неорганической кислотой с последующим нагревом, отличающийся тем, что для предварительной обработки графитового порошка используют хлорную кислоту с концентрацией 30 - 62 мас.%, при этом нагрев осуществляют путем передачи тепла от теплоносителя до достижения температуры в пределах 100 - 200°С и выдержки при этой температуре в течение времени 2 - 15 мин, при этом обработку графитового порошка кислотой и последующий нагрев производят под давлением 0,4 - 1,2 ати.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение массы графитового порошка к массе хлорной кислоты составляет 1:0,15 - 1:0,5.