СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА Российский патент 2016 года по МПК C04B35/536 C01B31/04 C25B1/00 

Изобретение относится к технологиям получения композиционных материалов на основе оксидов металлов и неметаллических веществ - терморасширенного графита, и может быть использовано для изготовления токосъемных элементов электроподвижного состава, скользящих щеток в электродвигателях малой мощности, электродов для электрохимического производства и анодных заземлителей и др.

Большинство способов получения пористых углеродных материалов с нанесенными наночастицами металлов или их оксидов основаны на использовании различных пористых углеродных основ, на которые тем или иным методом наносятся металлосодержащие реагенты, с последующей их обработкой, приводящей к превращению металлосодержащих реагентов в частицы металла или оксидов металлов. Основой для нанесения могут выступать различные углеродные материалы: активированные угли, активированные углеродные волокна, углеродные нанотрубки, сажа, графит, терморасширенный оксид графита, терморасширенный графит, оксид графита. В последнее время получают все большее распространение материалы на основе терморасширенного графита.

Известен способ нанесения металла, в частности меди, на частицы высокодисперсных порошков (а.с. 1184293). Обработку основы по данному способу и осаждение на нее меди проводят в ванне путем начальной выдержки ее при перемешивании в водном растворе, содержащем медь сернокислую (пентагидрат), триэтаноламин (комплексообразователь), натрия гидрооксид и спирт одноатомный. В раствор вводят соль магния и растворяют ее, а затем через 5-10 минут добавляют раствор формалина.

К недостаткам данного способа следует отнести длительность процесса нанесения, большое число операций и использование большого количества ингредиентов для раствора.

В качестве наиболее близкого по технической сути решения выбран способ - прототип, описанный в патенте RU 2426709. В соответствии с указанным способом композиционный материал на основе терморасширенного графита с включениями металлов или оксидов металлов получают путем смешения окисленного графита с солью металла при температуре ниже температуры вспенивания оксида графита с образованием суспензии, ультразвуковым перемешиванием и диспергированием с последующей термообработкой при температуре 250-1000°С. Полученный материал содержит частицы металла или оксида металла размером 30 нм и удельной поверхностью 500 м²/г. При этом содержание металла в конечном продукте не превышает 20%.

Предложенный способ позволяет получить материал, обладающий требуемыми свойствами. Однако к недостаткам данного способа следует отнести высокую себестоимость готового продукта, сложность технологического процесса, проведение процесса в инертной среде и использование большого количества оборудования, а необходимость использования высоких температур при термообработке приводит к образованию карбидов и других побочных продуктов, что нежелательно может сказаться на качестве готового изделия.

Технической задачей изобретения является разработка способа получения композиционного материала на основе модифицированного терморасширенного графита с высокой удельной электрической проводимостью за счет электрохимического осаждения оксида меди и снижение себестоимости готового продукта за счет упрощения технологического процесса и возможности варьирования концентрацией.

Поставленные задачи решаются за счет того, что способ получения композиционного материала на основе модифицированного терморасширенного графита включает смешение частиц терморасширенного графита с водным раствором хлорида натрия и последующее электрохимическое осаждение оксидов меди. При приготовлении суспензии используется водный раствор хлорида натрия с концентрацией 2 моль/л при постоянном перемешивании, а на электроды подается переменный импульсный ток частотой 50 Гц. После синтеза суспензия композита в течение часа отстаивается в электролизере, осадок отфильтровывается и промывается бидистиллированной водой с последующей сушкой при температуре 75-85°С в течение 2-3 часов.

Преимуществами предложенного способа является возможность непосредственного регулирования самого процесса модификации поверхности графита при помощи изменения электрических параметров. Это упрощает изменение концентрации модификатора, поскольку не используются растворы солей или их комплексов, которые имеют предельное значение растворимости. Модифицирование оксидом меди происходит целенаправленно и исключает образование побочных продуктов реакции. За счет развитой поверхности терморасширенного графита происходит более прочное и равномерное покрытие поверхности. Снижение себестоимости готового продукта достигается за счет упрощения технологического процесса, отсутствия высокотемпературной термообработки и использования доступных и дешевых компонентов.

Способ осуществляется следующим образом. В начале производят подготовку терморасширенного графита, заключающуюся в приготовлении суспензии терморасширенного графита в растворе хлорида натрия концентрацией 2 моль/л при постоянном перемешивании. При этом наблюдается уменьшение объема графитовой составляющей за счет впитывания воды. Затем подготавливают две одинаковые медные пластинки с площадью поверхности S=10 см². Процесс подготовки включает предварительное взвешивание электродов, травление в азотной кислоте, промывку электродов бидистиллированной водой. Далее в электролизер с суспензией погружают 2 предварительно подготовленных медных электрода, к которым подключается источник тока. На электроды подается переменный импульсный ток частотой 50 Гц. Образующиеся в результате окисления и разрушения медных электродов наночастицы оксида меди оседают на поверхность углеродного носителя. Процесс электрохимического осаждение CuO_x (х=0,5÷1) на графит производится при постоянном перемешивании. Количество оксида меди в композите регулируется продолжительностью синтеза. После синтеза суспензия композита в течение часа отстаивается в электролизере, затем осадок отфильтровывается. Осадок, оставшийся на фильтре, многократно промывают бидистиллированной водой и сушат до постоянной массы при температуре 75-85°C в течение 2-3 часов, в зависимости от количества полученного порошка. Количество осажденного оксида меди колеблется в пределах 25-75% от массы терморасширенного графита.

Из полученного модифицированного порошка формируют изделия с использованием связующего или без него.

При отсутствии связующего прессование образцов производится на холодную с удельным давлением прессования 2000 кг/см².

При добавлении новолачного связующего, содержащего уротропин для отверждения, стеарин для пластификации и графит искусственный как наполнитель (содержание связующего находится в пределах 15-45% по массе композиции), прессование производится в замкнутую форму при температуре 180°C и выдержкой 10 минут на 1 см толщины изделия. Все образцы подвергают дополнительной термообработке в защитной засыпке при температуре 980°C и выдержке 3 часа.

Пример 1.

Образцы получены по описанной ранее методике с содержанием модифицирующей добавки 25% от массы терморасширенного графита. Удельная электрическая проводимость изделия составляет 180 См/м, кажущаяся плотность 1,55 г/см³.

Пример 2.

Образец отличается от Примера 1 содержанием модифицирующей добавки - 50% от массы терморасширенного графита. Удельная электрическая проводимость 235 См/м, кажущаяся плотность 1,62 г/см³.

Пример 3.

Образец отличается от Примера 1 содержанием модифицирующей добавки - 75% от массы терморасширенного графита. Удельная электрическая проводимость 210 См/м, кажущаяся плотность 1,7 г/см³.

Пример 4.

Образец отличается от Примера 2 добавлением новолачного связующего в количестве 15% от массы изделия. Удельная электрическая проводимость 390 См/м, кажущаяся плотность 1,82 г/см³.

Пример 5.

Образец отличается от Примера 4 количеством новолачного связующего - 30% от массы изделия. Удельная электрическая проводимость 407 См/м, кажущаяся плотность 1,7 г/см³.

Пример 6.

Образец отличается от Примера 4 количеством новолачного связующего - 45% от массы изделия. Удельная электрическая проводимость 490 См/м, кажущаяся плотность 1,53 г/см³.

Представленные результаты экспериментов подтверждают, что использование данного способа позволяет получать изделия из композиционного материала на основе модифицированного терморасширенного графита с высокой удельной электрической проводимостью, а также небольшим весом, высокой коррозионной стойкостью и низкой себестоимостью.

Изобретение относится к технологиям получения композиционных материалов на основе оксидов металлов и неметаллических веществ - терморасширенного графита, и может быть использовано в производстве токосъемных элементов электроподвижного состава, скользящих щеток в электродвигателях малой мощности, электродов для электрохимического производства и анодных заземлителей и др. Способ получения композиционного материала на основе модифицированного терморасширенного графита включает смешение частиц терморасширенного графита с водным раствором хлорида натрия с последующим электрохимическим осаждением оксидов меди. При приготовлении суспензии используется водный раствор хлорида натрия с концентрацией 2 моль/л при постоянном перемешивании, а на электроды подается переменный импульсный ток частотой 50 Гц. После синтеза суспензия композита в течение часа отстаивается в электролизере, осадок отфильтровывается и промывается бидистиллированной водой с последующей сушкой при температуре 75-85°C в течение 2-3 часов. Использование данного способа позволяет получать изделия с высокой удельной электрической проводимостью, а также небольшим весом и высокой коррозионной стойкостью. 6 пр.

Способ получения композиционного материала на основе модифицированного терморасширенного графита, включающий смешение частиц терморасширенного графита с водным раствором хлорида натрия с последующим электрохимическим осаждением оксидов меди, отличающийся тем, что при приготовлении суспензии используется водный раствор хлорида натрия с концентрацией 2 моль/л при постоянном перемешивании, при этом на электроды подается переменный импульсный ток частотой 50 Гц, а после синтеза суспензия композита в течение часа отстаивается в электролизере, осадок отфильтровывается и промывается бидистиллированной водой с последующей сушкой при температуре 75-85°С в течение 2-3 часов.