Спосіб одержання металізованого термічно розширеного графіту

Изобретение относится к производству графита, в частности к производству гра фита со специфическими физическими свойствами (электропроводностью, твердостью, пластичностью) для использования при изготовлении смазок со специфическими свойствами, в качестве композиционного электропроводного, а в отдельных случаях и магнитного наполнителя, а также для прессований изделий при низких температурах без связующего. Известен способ получения вспученного графита, включающий окисление природного графита с последующей промывкой и сушкой, вспучивание на воздухе или в атмосфере инертного газа (Патент ПНР №128947, кл. C01B31/04). Известен способ получения расширенного графита, включающий обработку графита смесью и окислителя, промывку водой и термообработку при 700 - 1000°C (А.с. СССР №767023, кл. C01B31/04). Главным недостатком этих способов является отсутствие в частицах продукта металлов. Ближайшим к заявляемому практическим решением по совокупности признаков и достигаемому результату является принятый за прототип способ получения коррозионного расширенного графита, включающий получение расширенного графита, обработку его в водном растворе сушку при 100°C в течение 1 часа и термообработку при 1000°C в среде монооксида углерода в течение 30 минут (Патент Японии №50 - 101912, кл. C01B31/04). Главными недостатками данного способа являются двукратный нагрев материала до высоких температур, использование в качестве носителя металла только раствора его гидроксида, который используют для получения нанесенного оксида и многостадийность процесса восстановления, т.е. сложность технологии. Целью данного изобретения является получение металлизированного термически расширенного графита и упрощение технологии. Для достижения указанной цели в способе, включающем окисление графита, промывку, сушку и термообработку, после промывки окисленный графит обрабатывают кислородсодержащей солью и/или гидроксидом металла, сушку проводят при температуре ниже точки разложения нанесенного соединения, а термообработку ведут при температуре выше точки разложения нанесенного соединения, но не ниже 600°C в среде газа-восстановителя. Кроме того на окисленный графит наносят кислородсодержащие соли и/или гидроксиды металлов, имеющие стандартный электродный потенциал больший, чем у алюминия и термообработку проводят в прямотоке газа-восстановителя в режиме падающего слоя при исходной объемной концентрации 10-5 - 10-3м 3/м 3 в течение 1 - 8 секунд. Для нанесения на окисленный графит, с целью последующего восстановления металла, предлагается использовать соединения металлов, которые, будучи восстановленными из соединений, устойчивы в воздухе. Такими свойствами обладают металлы, имеющие стандартный электродный потенциал больший, чем у алюминия, например и т.д. Эти металлы не вытесняют водород из воды при нормальных условиях и относительно легко восстанавливаются из своих соединений. При проведении процесса термообработки в падающем слое необходимо создать прямоток газа и твердого материала, поскольку встречный газовый поток может легко вынести большую часть материала прежде, чем произойдут требуемые превращения. Для обработки окисленного графита с целью дальнейшего получения металла используют кислородсодержащие соли и/или гидроксиды металлов, поскольку в процессе разложения образуются вещества, имеющие другую кристаллическую решетку и в этот момент являются наиболее химически активными. Для прохождения процесса определяющим является наличие разлагающегося в процессе термообработки кислородсодержащего соединения независимо от его природы. Поэтому принципиально не важно будет ли нанесена кислородсодержащая соль, гидроксид, или и то и другое одновременно. Сушк у проводят при температуре ниже точки разложения нанесенного на окисленный графит соединения, так как если последнее разложится во время сушки, это резко снизит скорость восстановления металла из соединения. В процессе термообработки необходимо создать восстановительную газовую среду, чтобы все соединения металлов превратились в металлы одновременно с термическим расширением графита. Проведение термообработки в режиме падающего слоя характеризуется таким состоянием, при котором отдельные частицы не имеют контакта друг с другом и находятся на таком расстоянии друг от друга, которое обеспечивает объемную концентрацию 10-3 10-5м 3/м 3. Образовавшееся облако частиц под действием силы тяжести движется вниз и проходит через разогретый до нужной температуры реактор. За счет разобщенного состояния каждая частица обработанного соединением металла окисленного графита окружена только слоем высокотемпературного газа. Вследствие этого ее нагрев осуществляется со скоростью порядка (1 5) × 103град/с за счет интенсивного лучистого (от стен печи) и конвективного теплообмена. Разобщенное состояние дает доступ газовой атмосферы и каждой обрабатываемой частице. За счет быстрого нагрева и омывания газами атмосферы реактора каждой частицы в отдельности процесс восстановления металла из его соединений происходит во много раз быстрее, чем если бы процесс проводился в неподвижном слое и успевает полностью пройти за 1 - 8 секунд. Конкретное время для каждого случая зависит от содержания металла в обрабатываемом материале, температуры обработки и состава газовой атмосферы. Нижний временной предел - 1 секунда обусловлен тем, что уменьшение времени обработки не позволяет полностью восстановить металл из его соединения, а также не достаточно для полного расширения графила вдоль кристаллографической оси c. В течение 1 секунды металл успевает полностью восстановиться, если его содержание в продукте не превышает 2 - 3% в зависимости от природы металла и условий проведения процесса. Этого времени также достаточно для полного расширения окисленного графита вдоль оси c. Верхний временной предел ограничен 8 секундами, так как за это время восстановление металла и расширение графита вдоль оси с успевают в указанных условиях пройти полностью при любом содержании металла в частицах. Поэтому дальнейшее увеличение времени нагрева нецелесообразно, поскольку ведет к потерям тепловой энергии. Нижний предел объемной концентрации (1 × 10-5м 3/м 3) обусловлен тем, что дальнейшее снижение концентрации приводит к резкому снижению производительности процесса. Верхний предел объемной концентрации (1 × 10-3м 3/м 3) обусловлен тем, что при дальнейшем ее увеличении резко ухудшаются условия нагрева частиц за счет их взаимного экранирования, что приводит к замедлению всех химических процессов, а также тем, что появляется вероятность зависания частиц в реакторе за счет неравномерности потока. Нижний предел температуры в 600°C обусловлен тем, что при более низких температурах термическое расширение окисленного графита происходит в значительно меньшей степени, чем при более высоких температурах. Нижний температурный предел, равный температуре разложения нанесенного соединения обусловлен необходимостью разложения соли (или гидроксида) в процессе термообработки, В результате патентно-информационных исследований заявителем не обнаружено технических решений, содержащих сходные признаки изобретения и позволяющие достичь положительный эффект, следовательно, предложенное решение соответствует критерию "существенное отличие". Процесс получения металлизированного термически расширенного графита осуществляется следующим образом. Полученный обычным образом и отмытый окисленный графит обрабатывают раствором соли металла, наносят, таким образом, рассчитанное количество соли и/или гидроксида на окисленный графит, обезвоживают и высушивают. Затем материал обрабатывают в среде газавосстановителя при температуре выше точки разложения, нанесенной на графит соли и/или гидроксида, но не ниже 600°C в режиме теплового удара в падающем слое. В качестве газа-восстановителя может быть использован, например, один из следующих и др. Пример 1. 84,8г сухого окисленного, графита поместили в раствор, содержащий 15,2г сульфата железа (II) (безводного), упарили при перемешивании и высушили при 105 - 115°C. Полученный материал обработали при 1000°C в среде природного газа. Термообработку проводили в режиме падающего слоя в прямотоке газа. Расход окисленного графита, обработанного сульфатом железа, составлял 2,5г/мин. Расход природного газа 0,9л/мин. Время пребывания твердого материала в изотермической зоне печи 2,0 - 2,5с. Полученный материал имеет насыпную плотность 4,5 - 10кг/м 3 и содержит 8 ± 1% металлического железа. Пример 2. 84,8г сухого окисленного графита поместили в раствор, содержащий 15,2г сульфата железа, тщательно перемешали и постепенно прилили раствор аммиака до профильтровали и высушили при 105 - 110°C. Затем провели термообработку как в примере 1. Полученный материал имеет насыпную плотность 4,5 - 9кг/м 3 и содержит 8 ± 1% металлического железа. Пример 3. 85г сухого окисленного графита поместили в раствор, содержащий 25г сульфата никеля и при тщательном перемешивании прилили к нему раствор аммиака до Твердый остаток отфильтровали, высушили при 115°C и термообработали как в примере 1. Полученный материал имеет насыпную плотность 4 - 9кг/м 3 и содержит 13 - 16% металлического никеля по массе. Результаты, полученные при использовании други х соединений железа и других металлов приведены в таблице. При использовании гидроксидов, кислородсодержащих солей и основных солей, являющихся сложными соединениями солей с гидроксидами, для нанесения на окисленный графит и последующей обработке в газевосстановителе, например, в природном газе соединения металла восстанавливаются до металла. После сушки ниже точки разложения нанесенного соединения восстановление металла из соединения происходит быстро, после сушки выше точки разложения нанесенного соединения восстановление металла резко замедляется и количество восстановленного металла в продукте, полученном в те х же условиях, незначительно. При отсутствии газа-восстановителя металл в ходе термообработки не восстанавливается из соединений. При ведении процесса термообработки при температуре ниже точки разложения металл восстанавливается в незначительной степени или вообще не восстанавливается. При ведении термообработки при температуре ниже 600°C термическое расширение окисленного графита происходит недостаточно полно. При использовании для нанесения соединений металлов активнее алюминия, последние не восстанавливаются или быстро окисляются на воздухе после получения продукта. Металлы, имеющие стандартный электродный потенциал выше, чем у алюминия, т.е. металлы, которые пассивнее алюминия, восстанавливаются в ходе термообработки в газах-восстановителях и не окисляются полностью на воздухе после получения продукта. При проведении термообработки окисленного графита с нанесенным соединением металла в падающем слое при объемной концентрации выше 10-3м 3/м 3 не восстанавливается большая часть металла, недостаточно расширяется графит и возможно залипание продукта на стенки реактора. При объемной концентрации 10-5 - 10-3м 3/м 3 и ниже свойства продукта слабо зависят от объемной концентрации материала, но пои объемной концентрации ниже 10м 3/м 3 снижается производительность процесса. При термообработке материала в падающем слое в течение меньше чем 1с не успевают полностью пройти процессы восстановления металла и термического расширения графита. Термообработка материала дольше 8 секунд не позволяет улучши ть свойства продукта, но требует увеличения высоты установки и, следовательно, увеличения теплопотерь или применения других технических приемов, удорожающих продукт. Таким образом, предлагаемая технология позволяет получить термически расширенный графит, содержащий металл в требуемом количестве, то есть позволяет получать материалы с заданными свойствами. Кроме того, предлагаемая технология проще предложенной в прототипе, так как получение термически расширенного графита и восстановление металла проводится в одну стадию и, следовательно, количество стадий в процессе сокращается.