Спосіб одержання нітрату графіту, що терморозширюється

Спосіб одержання нітрату графіту, що терморозширюється, який включає обробку графіту азотною кислотою, крижаною оцтовою кислотою, промивання обробленого кислотами графіту водою і сушіння кінцевого продукту, який відрізняється тим, що для обробки графіту використовують крижану оцтову кислоту в КІЛЬКОСТІ ВІД 0,6 до 5 вагових частин на одну вагову частину вихідного графіту Винахід відноситься до технології одержання стабільних при збереженні залишкових сполук інтеркалювання графіту з кислотами Бренстеда, що терморозширяються (спучуються при вогневому або тепловому впливі) Конкретно він відноситься до способу одержання стабільного при збереженні нітрату графіту, що терморозширяється Одержуваний ВІДПОВІДНО до даного винаходу продукт призначений для використання в якості компонента матеріалів, що спучуються при нагріванні, які використовуються в протипожежній обороні й у металургійному виробництві Продукт може бути також використаний для одержання терморозширеного (спученого) графіту і виробів з нього Нітрат графіту відноситься до класу сполук інтеркалювання графіту з кислотами Бренстеда і має здатність багаторазово збільшувати свій об'єм при нагріванні з утворенням низькощільного терморозширеного (спученого) графіту Цю властивість сполук зазначеного типу покладено в основу двох найбільш важливих галузей їхнього практичного використання одержання спученого графіту і матеріалів різноманітного призначення, що спучуються при нагріванні Є відомим спосіб одержання нітрату графіту, що терморозширяється, який включає обробку 100 вагових частин порошку природного лускатого графіту 20-70 ваговими частинами димучої азотної кислоти [1] Відомий спосіб [1] характеризується високою економічністю і технологічністю і дозволяє одержувати нітрат графіту, здатний утворювати терморозширений графіт при нагріванні Проте одержуваний по відомому способу [1] нітрат гра фіту, що терморозширяється, характеризується низькою стабільністю властивостей при збереженні і з цієї причини може бути використаний винятково тільки для негайної термічної обробки з одержанням терморозширеного графіту як кінцевого продукту Крім того, частки нітрату графіту, одержуваного по відомому способу [1], утримують на своїй поверхні значну КІЛЬКІСТЬ відпрацьованої азотної кислоти 3 цієї причини продукт характеризуються низькими значеннями показника концентрації водневих ІОНІВ водяної витяжки (рН«1) Це служить додатковою перешкодою використанню такого нітрату графіту в складі матеріалів, що спучуються при нагріванні Найбільш близьким до рішення, що заявляється, по технічній сутності і результату, що досягається, є спосіб одержання нітрату графіту [2], обраний нами в якості прототипу Спосіб-прототип [2] включає обробку однієї вагової частини природного лускатого графіту 0,2-0,7 ваговими частинами димучої азотної кислоти, додаткову обробку отриманої реакційної маси 0,2-0,4 ваговими частинами крижаної оцтової кислоти на одну вагову частину графіту, промивання отриманого модифікованого нітрату графіту водою і сушіння кінцевого продукту Одержуваний по способу-прототипу [2] нітрат графіту, як і нітрат графіту, одержуваний по відомому способу [1], має здатність до термічного розширення з утворенням терморозширеного графіту при нагріванні Проте одержуваний по способу-прототипу продукт характеризується тим, що не містить на своїй поверхні азотної кислоти, має значення по ю 00 со 43817 казника концентрації водневих ІОНІВ водяної витяжки більш 2 (рН>2) і характеризується високою стабільністю властивостей при збереженні Тривале збереження продукту у контакті з повітрям не викликає зміни його здатності до термічного розширення при нагріванні, оцінюваної коефіцієнтом терморозширення Кс (см3/г) 3 цих причин нітрат графіту, одержуваний по способу-прототипу [2], є багатоцільовим по застосуванню і може використовуватися не тільки для одержання терморозширеного графіту, але і як компонент матеріалів, що спучуються при нагріванні Проте одержуваний по способу-прототипу [2] продукт має істотний недолік - він ефективно розширюється тільки при високій температурі (900°С і вище) Коефіцієнт терморозширення продукту, одержуваного по відомому способу [2], при 900°С становить 50-150 см /г, у залежності від витрат азотної кислоти і крижаної оцтової кислоти, використаних для обробки графіту Проте при 500°С значення параметра Кс цього продукту становлять усього лише 5-7 см3/г Ця обставина істотно обмежує можливість використання такого нітратуграфіту як компонента матеріалів, що спучуються при нагріванні У основу винаходу, що заявляється, покладено задачу одержання нітрату графіту, що терморозширяється, із коефіцієнтом терморозширення при 500°С не менше 50 см3/г Рішення поставленої задачі в винаході, що заявляється, досягається за рахунок того, що, на відміну від способу-прототипу [2], що включає обробку однієї вагової частини природного лускатого графіту 0,2-0,7 ваговими частинами димучої азотної кислоти, наступну обробку отриманої реакційної маси крижаною оцтовою кислотою в КІЛЬКОСТІ 0,2-0,4 вагових частин на одну вагову частину вихідного графіту, промивання модифікованого оцтовою кислотою нітрату графіту водою і сушіння кінцевого продукту, крижану оцтову кислоту використовують у КІЛЬКОСТІ від 0,6 до 5 вагових частин на одну вагову частину вихідного графіту Істотною ВІДМІНОЮ винаходу, що заявляється, від прототипу є використання крижаної оцтової кислоти в КІЛЬКОСТІ від 0,6 до 5 вагових частин на одну вагову частину вихідного графіту Реалізація винаходу, що заявляється, дозволяє одержувати стабільний при збереженні нітрат графіту, що терморозширяється, з коефіцієнтом терморозширення при 500°С у діапазоні 50280 см /г Таким чином, технічний ефект, що досягається при реалізації пропонованого винаходу, цілком вирішує задачу, покладену у його основу Досягнутий ефект, на нашу думку, можна пояснити таким чином При одержанні нітрату графіту, що терморозширяється, за способом-прототипом молекули оцтової кислоти впроваджуються у міжшаровий простір нітрату графіту додатково до молекул азотної кислоти При цьому біля центральних нітрат ІОНІВ створюється відносно стабільна сольватна оболонка, яка складається з молекул азотної та оцтової кислот Але при подальшій сушці такої сполуки, промитої водою, за рахунок високої окислювальної активності азотної кислоти відбуваються окислювально-відновні реакції молекул азотної кислоти з матрицею графіту У результаті більша частина молекул - інтеркалантів - при сушці перетворюється на газуваті продукти й виходить з міжшарового простору матриці графіту Та невелика КІЛЬКІСТЬ часток - інтеркалантів, яка залишилась у міжшаровому просторі матриці графіту кінцевого продукту, спроможна забезпечити значення коефіцієнту терморозширення при 500°С лише на рівні 5-7 см3/г При підвищенні КІЛЬКОСТІ оцтової кислоти відбувається заміщення молекул азотної кислоти у сольватних оболонках на молекули оцтової кислоти, яким окислювальні властивості не притаманні Внаслідок цього при сушці кінцевого продукту у міжшаровому просторі залишається значно більша КІЛЬКІСТЬ молекул - інтеркалантів, що забезпечує багатократне підвищення коефіцієнта спучення кінцевого продукту при 500°С Експериментально встановлено, що діапазон витрат крижаної оцтової кислоти, яка додається у реакційну масу, отриману в результаті обробки однієї вагової частини графіту 0,2-0,7 ваговими частинами димучої азотної кислоти, становить 0,6-5 вагових частин на одну вагову частину вихідного графіту При витратах крижаної оцтової кислоти менше 0,6 вагових частин на одну вагову частину вихідного графіту (нижня межа, що заявляється), коефіцієнт термічного розширення кінцевого продукту становить менше 50 см3/г, що не забезпечує досягнення технічного ефекту пропонованого винаходу Збільшення витрат крижаної оцтової кислоти вище 5 вагових частин на одну вагову частину вихідного графіту (верхня межа, що заявляється) є недоцільним, тому що не веде до збільшення значення коефіцієнта термічного розширення кінцевого продукту проти досягнутого Для реалізації винаходу, що заявляється, використовували димучу азотну кислоту з густотою 1,502 г/см3, що одержували за методом [3] шляхом відгону із суміші однієї частини концентрованої азотної кислоти (Держстандарт СРСР 446177) і двох частин концентрованої сірчаної кислоти («хч», 95,8 % мас , Держстандарт СРСР 4204-77) Використовували природний лускатий графіт марки ГТ-1 (Держстандарт СРСР 4596-77) виробництва Заваллівського графітового комбінату і крижану оцтову кислоту (Держстандарт СРСР 1891474) з вмістом води не більш 2,0 % мас Обробку графіту азотною і крижаною оцтовою кислотами здійснювали в скляному циліндричному реакторі МІСТКІСТЮ 300 см 3 , обладнаному Тобразною мішалкою з нержавіючої сталі, що обертається зі швидкістю 100±10 хв 1 Промивання водою продукту взаємодії графіту з азотною й оцтовою кислотами здійснювали на скляному пористому фільтрі Для промивання використовували воду з мережі побутового водопостачання в КІЛЬКОСТІ 20 вагових частин на одну вагову частину вихідного графіту Сушіння кінцевого продукту вели в лабораторній сушильній шафі при 100-105°С до залишкової вологості не більш 1,0 % мас Значення коефіцієнта терморозширення отриманих продуктів визначали за наступною методикою 43817 У попередньо розігріту до 500°С муфельну піч (тип СНОЛ) встановлювали кювету, виготовлену з нержавіючої сталі Після прогріву кювети до неї вносили наважку нітрату графіту масою m (г) і витримували протягом 2 хвилин Одержаний терморозширений графіт переносили з кювети в скляний градуйований вимірювальний циліндр і заміряли його об'єм V (см3) Значення параметра Кс визначали як середнє арифметичне з трьох паралельних вимірів із використанням співвідношення Кс = V/m, см7г Середня помилка вимірів ±5% Реалізація пропонованого способу одержання нітрату графіту, що терморозширяється, далі ілюструється прикладами Приклад 1 (порівняльний, за прототипом [2]) У реактор завантажують 25 г графіту, вмикають перемішування і додають 13,5 г димучої азотної кислоти (0,54 вагових частини на одну вагову частину вихідного графіту) Через 10 хв у реактор вводять 9 г крижаної оцтової кислоти (0,36 вагових частини на одну вагову частину вихідного графіту) і продовжують перемішування реакційної маси протягом 10 хв Отриману масу переносять на фільтр і промивають 0,5 дм води Промитий водою сирий продукт сушать при 105°С і одержують нітрат графіту з коефіцієнтом терморозширення при 500°С, рівним 6 см3/г Приклад 2 У реактор завантажують 25 г графіту, вмикають перемішування і додають 13,5 г димучої азотної кислоти (0,54 вагових частини на одну вагову частину вихідного графіту) Через 10 хв у реактор додають 15 г крижаної оцтової кислоти (0,6 вагових частини на одну вагову частину вихідного графіту) і продовжують перемішування реакційної маси протягом 10 хв Отриману масу переносять на фільтр і промивають 0,5 дм 3 води Промитий водою сирий продукт сушать при 105°С і одержують нітрат графіту з коефіцієнтом терморозширення при 500°С, рівним 70 см /г Приклади 3-15 Графіт оброблюють як у прикладі 2, але при цьому варіюють витрати азотної і крижаної оцтової кислот Одержують нітрати графіту, значення коефіцієнтів терморозширення яких при 500°С наведено втабл 1 Дані, що обґрунтовують пропонований діапазон витрат крижаної оцтової кислоти № приклада Витрати крижаної оцтової кислотиа Витрати азотної кислотиа Кс при 500°С, см3/г 1 0,36 б 0,54 6 2 0,6 в 0,54 70 3 0,6 в 0,45 77 4 0,6 в 0,27 54 5 0,5 0,54 20 6 0,8 0,45 92 7 1,0 0,20 50 8 1,0 0,37 100 9 1,0 0,70 150 10 2,0 0,70 180 11 3,0 0,45 200 12 3,0 0,70 230 13 4,0 0,54 250 14 5,0 0,54 280 15 6,0 0,54 220 а 6 в г г У вагових частинах на одну вагову частину вихідного графіту За способом-прототипом [2] Нижня межа, що заявляється Верхня межа, що заявляється 43817 Наведені в табл 1 дані показують, що для досягнення технічного ефекту винаходу необхідно використання крижаної оцтової кислоти в КІЛЬКОСТІ від 0,6 до 5 вагових частин на одну вагову частину вихідного графіту Спосіб, що заявляється, дозволяє одержувати стабільний при збереженні нітрат графіту з коефіцієнтом термічного розширення при 500°С у діапазоні від 50 до 3 280 см /г, що забезпечує ефективне використання продукту не тільки для одержання терморозширеного графіту, але й у якості компонента матеріалів різноманітного призначення, що спучуються при нагріванні Джерела інформації 1 Заявка 98074125 Україна, С01В 21/36, С06В 47/04, С01В 31/04 Спосіб утилізації тетроксиду діазоту - окислювача ракетного палива, з одержанням терморозширюваного нітрату графіту / О П Ярошенко, М В Савоськін, Л М Капкан (ІнФОВ НАН України), заявл 28 07 98 2 Заявка 98095103 Україна, С01В 31/04 Спосіб одержання терморозширюваного нітрату графіту / О П Ярошенко, М В Савоськін, Л М Капкан, О М Косульніков, В Г Василина, В М Панфілов, В В Железняк, О Б Савсуненко, О О Набоков (ІнФОВ НАН України), заявл 29 09 98 (прототип) 3 Карякин Ю В , Ангелов И И Чистые химические вещества - М Химия, 1974 -408 с Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3-72-89 (03122) 2-57-03