Спосіб одержання терморозширюваного графіту

Спосіб одержання терморозширюваного графіту, який містить послідовну обробку природного лускатого графіту концентрованим водним розчином кисневмісної неорганічної сполуки хрому (VI) концентрованою сірчаною кислотою, подальшу обробку окисленого графіту водою у стаціонарному, а потім у динамічному режимах та сушіння кінцевого продукту, який відрізняється тим, що як кисневмісну неорганічну сполуку хрому (VI) використовують біхромат натрію Винахід відноситься до технології одержання сполук штеркалювання графіту акцепторного типу, які є здатними до спучення (термічного розширення) при нагріванні Більш конкретно винахід відноситься до способу одержання сполук інтеркалювання графіту з сірчаною кислотою - залишкових бісульфатів графіту, які є здатними до термічного розширення при нагріванні Одержані згідно пропонованому способу продукти можуть бути використані у галузі протипожежного захисту, зокрема, у складі вогнезахисних фарб, покрить, мастик, замазок та інших вогнезахисних матеріалів, що спучуються Продукти можуть бути також використані для вогнезахисту горючих полімерних матеріалів, а також у якості компоненту матеріалів, які спучуються при нагріванні, та використовуються у металургійному виробництві Одержувані за пропонованим способом продукти можуть бути використані для одержання спученого графіту та гнучкого графіту з нього Вони можуть бути також використані для виробництва спучених графітових сорбентів, призначених для видалення нафти та нафтопродуктів з поверхні води мічністю та технологічністю, які обумовлені тим, що для обробки графіту штеркалюючий розчин (водний розчин хромового ангідриду та концентрована сірчана кислота) використовують у КІЛЬКОСТІ, яка забезпечує його повне утримання па поверхні часток графіту та виключає утворення у реакційній масі вільної рідкої фази Недоліком цього відомого способу є те, що одержувані при його реалізації продукти мають коефіцієнт спучення при 500°С (Кс5 °) не більш ніж 100см /г Найбільш близьким до рішення, що заявляється, по технічній сутності і результату, що досягається, є спосіб одержання графіту, що терморозширюється [2], обраний нами в якості прототипу Спосіб-прототип [2] включає послідовну обробку порошку природного лускатого графіту водним розчином хромового ангідриду з концентрацією хромового ангідриду 50%мас протягом Юхв , концентрованою сірчаною кислотою протягом Юхв, додавання у реакційну масу води, витримування одержаної суміші у стаціонарному стані (без перемішування) на протязі 24год , промивку окисленого графіту водою у динамічному режимі на вакуумному фільтрі до рН промивних вод 6 - 7 та сушку промитого водою окисленого графіту при 100 110°С до вологості не більш ніж 1,0%мас Спосібпрототип [2] зберігає високу економічність та технологічність відомого способу [1] та дозволяє одержувати продукти з коефіцієнтом спучення при 500°С (Кс ) у діапазоні від 110 до 200см3/г Є відомим спосіб одержання графіту, що терморозширюється, який включає послідовну обробку порошку природного лускатого графіту водним розчином хромового ангідриду з концентрацією 50%мас, концентрованою сірчаною кислотою, промивку окисленого графіту водою у динамічному режимі на вакуумному фільтрі та сушку кінцевого продукту при 100 - 110°С до постійної ваги [1] Відомий спосіб [1] характеризується високою еконо Істотним недоліком способу-прототипу [2] є те, о со ю 53047 що він передбачає використання у якості реагенту для окислення графіту концентрованого водного розчину хромового ангідриду - кисеньвмісної неорганічної сполуки xpoMy(VI) Хромовий ангідрид та його водні розчини є надзвичайно сильними та небезпечними у поводженні окислювачами При попаданні на шкіру людини хромовий ангідрид та його водні концентровані розчини викликають тяжкі ХІМІЧНІ опіки, а їх попадання в очі звичайно веде до втрати зору Контакт хромового ангідриду та його концентрованих розчинів з органічними сполуками - відновниками (папером, деревиною, тканинами різних типів, мастильними матеріалами) викликає їх окислення та запалювання Таким чином, концентрований водний розчин хромового ангідриду с дуже небезпечним у поводженні реагентом і при роботі з ним треба додержуватись спеціальних заходів безпеки Окрім того, концентровані водні розчини хромового ангідриду є дуже корозійно активними, що веде до швидкого виведення з ладу технологічного обладнання, яке використовують для одержання вказаних розчинів, їх зберігання та транспортування Окрім цього, хромовий ангідрид є коштовним реагентом, що обумовлює високу собівартість кінцевого продукту, який одержують при його використанні за відомим способом-прототипом [2] В основу винаходу покладено задачі підвищення рівня безпеки виробництва, поліпшення умов праці та зниження собівартості продукту при одночасному збереженні високої технологічності та якості продукту, притаманних способупрототипу [2] Під ВИСОКОЮ ЯКІСТЮ продукту ми по перед усе розуміємо високе значення параметру Кс °° - У діапазоні від 110см3/г до 200см3/г Усі задачі, поставлені у способі, що пропонується, вирішуються за рахунок того, що, на відміну від відомого способу-прототипу [2], який містить послідовну обробку порошку природного лускатого графіту 50%мас водним розчином хромового ангідриду та концентрованою сірчаною кислотою в умовах, які виключають утворення у реакційній масі вільної рідкої фази, додавання у реакційну масу, яка містить окислений графіт та відпрацьований штеркалюючий розчин, води та витримування одержаної суміші у стаціонарних умовах (без перемішування) протягом 24год , видалення твердої фази на фільтрі, промивку твердого продукту водою на фільтрі до рН промивних вод 6 - 7 та сушку при 100 - 110°С до вологості не більш ніж 1,0%мас , замість водного розчину хромовою ангідрид) для окислення графіту використовують водний розчин натрію двохромовокислого (біхромату натрію) з концентрацією, близькою до концентрації насиченого водного розчину Істотною ВІДМІНОЮ способу, що заявляється, від прототипу [2] є використання для окислення графіту замість концентрованого водного розчину хромового ангідриду більш безпечного, більш дешевого та менш корозійноактивного водного розчину біхромату натрію Реалізація пропонованого способу дозволяє одержувати кінцевий продукт, який характеризується значеннями коефіцієнту спучення (Кс 5 0 ) при нагріванні при 500°С у діапазоні 110 - 200см3/г, що забезпечує досягнення технічного ефекту винахо ду по вказаному параметру Досягнення технічного ефекту винаходу, що заявляється, також забезпечується й по параметрам збереження високої технологічності та економічності, яки притаманні способу-прототипу змінюється лише природа окислювача, який використовують, але витрати реагентів, КІЛЬКІСТЬ технологічних стадій, їх тривалість та ПОСЛІДОВНІСТЬ зберігається Досягнення технічного ефекту винаходу, що заявляється, також забезпечується й по параметру підвищення рівня безпеки та поліпшення умов праці при його реалізації за рахунок використання у якості окислювача замість небезпечного та корозійноактивного концентрованого водного розчину хромового ангідриду менш небезпечного та менш корозійноактивного водного розчину біхромату натрію На відміну від концентрованих водних розчинів хромового ангідриду, контактування концентрованих водних розчинів біхромату натрію зі шкірою людини не викликає и ХІМІЧНИХ ОПІКІВ, а їх контакт з ор ганічними сполуками - відновниками (папером, деревиною, тканинами різних типів, мастильними матеріалами) не викликає запалювання останніх Використання у якості окислювача у способі, що заявляється, біхромату натрію, який є більш дешевим у порівнянні з хромовим ангідридом (мінімум у 2,5 рази), забезпечує досягнення технічного ефекту пропонованого способу й за параметром зниження собівартості одержуваного графіту, що терморозширюється Для реалізації пропонованого способу використовували природний лускатий графіт марки ГТ-1 за Держстандартом СРСР 4596-75 виробництва Заваль'євського графітового комбінату (Україна), концентровану сірчану кислоту кваліфікації «хч» з концентрацією 95,8%мас (d = 1,835г/см3) за Держстандартом СРСР 4204-77, натрій двохромовокислий (біхромат натрію) кваліфікації «технічний» за Держстандартом СРСР 2651-78 Водні розчини біхромату натрію з концентрацією 67,7%мас (d = 1,65г/см3) готували шляхом розчинення наважок біхромату натрію у дистильованої воді Для обробки окисленого графіту використовували воду з мережі побутовою водопостачання з температурою (20 ± 5)°С При реалізації способу-прототипу [2] використовували водний розчин хромового ангідриду з концентрацією 50%мас (d = 1,5г/см3), який готували шляхом розчинення наважок хромового ангідриду технічного марки А за Держстандартом СРСР 2548-77 у дистильованої воді Синтез графіту, що терморозширюється, за пропонованим способом та за способомпрототипом [2] здійснювали у відкритому скляному циліндричному реакторі МІСТКІСТЮ 300СМ 3 ЯКИЙ об ладнано Т-подібною мішалкою з нержавіючої сталі, що обертається зі швидкістю 100 ± Юхв 1 Для перемішування реакційної маси використовували універсальний лабораторний змішувач MPW 309 Завантаження вихідного графіту у всіх випадках було постійним й становило 25г Опісля завантаження графіту у реактор починали перемішування та додавали до графіту визначену КІЛЬКІСТЬ ВОДНОГО розчину біхромату натрію або хромового ангідриду Через Юхв перемішування у реакційну масу додавали визначену КІЛЬКІСТЬ концентрованої сірчаної кислоти та продовжували перемішування 53047 реакційної маси ще на протязі Юхв Потім перемішування вимикали, вводили у реактор 200см3 води та усереднювали отриману суміш перемішуванням протягом 1хв Потім ВМІСТ реактору переносили у скляний стакан з використанням 300см3 води Одержану суміш окисленого графіту з водою залишали у стаціонарному стані (без перемішування) на 24год Потім тверду фазу відфільтровували на паперовому фільтрі у вакуумі водоструминного насосу з використанням лійки Бюхнера та колби Бунзена та опісля цього промивали окислений графіт на фільтрі з використанням 2дм 3 води Промитий водою окислений графіт сушили у лабораторній шафі до вологості не більш ніж 1,0%мас Коефіцієнт спучення (Кс500) продуктів, що одержано за пропонованим способом та за способомпрототипом [2], визначали при температурі 500°С наступним чином У розігріту до температури 500°С муфельну піч (СНОЛ 1,6 2,5 1/9-13) встановлювали кювету з нержавіючої сталі МІСТКІСТЮ 150см3 Наважку продукту масою m = (0,2 - 0,3)г вносили у розігріту кювету, встановлену у печі, й тримали там до повного спучення протягом 60с У результаті нагрівання у режимі теплового удару відбувалося спучення продукту Кювету з одержаним спученим графітом виймали з печі, обережно переносили її вміст у скляний вимірювальний циліндр й вимірювали об'єм (V, см3), що займає спучений графіт Значення коефіцієнту спучення Кс (см3/г) визначали з співвідношення Кс = V / m як середнє арифметичне з трьох паралельних вимірювань Допустима розбіжність між паралельними визначаннями параметру Кс становила 5% Реалізація пропонованого способу одержання графіту, що терморозширюється, далі ілюструється прикладами Приклад 1 (порівняльний, за способомпрототипом [2]) У реактор завантажують 25г природного лускатого графіту, вмикають перемішування та додають Зсм3 (12см3 на 100г вихідного графіту) водного розчину хромового ангідриду з концентрацією 50%мас Через Юхв у реактор додають 8см 3 концентрованої сірчаної кислоти (32см на 100г вихідного графіту) та продовжують перемішування реакційної маси протягом Юхв Потім у реактор додають 200см3 води та перемішують одержану суміш протягом 1хв Опісля ЦЬОГО ВМІСТ реактору переносять у скляний стакан з використанням додатково 300см3 води Вміст стакану залишають на 24год у стаціонарному стані (без перемішування) Потім твердий залишок відфільтровують на паперову фільтрі та промивають його 2дм3 води Промитий водою окислений графіт сушать у сушильній шафі при 100 - 110°С до вологості 0,5%мас Одержують графіт, що терморозширюсться, з коефіцієнтом спучення при 500°С Кс 500 = 120см3/г Приклади 2 - 1 1 (порівняльні, за способомпрототипом [2]) Графіт, що терморозширюється, одержують як у прикладі 1, але при цьому варіюють КІЛЬКІСТЬ водного розчину хромового ангідриду та концентрованої сірчаної кислої і яки додають у реактор на стадії окислення графіту Значення параметру Кс5 для одержаних при цьому зразків графіту, що терморозширюється, наведено утабл 1 Приклад 12 У реактор завантажують 25г природного лускатого графіту, вмикають перемішування та додають Зсм3 (12см3 на 100г вихідного графіту) водного розчину біхромату натрію з концентрацією 67,7%мас Через Юхв у реактор додають 8см 3 концентрованої сірчаної кислоти (32см3 на 100г вихідного графіту) та продовжують перемішування реакційної маси протягом Юхв Потім у реактор додають 200см3 води та перемішують одержану суміш протягом 1хв Опісля ЦЬОГО ВМІСТ реактору переносять у скляний стакан з використанням додатково 300см3 води Вміст стакану залишають на 24год у стаціонарному стані (без перемішування) Потім твердий залишок відфільтровують на паперову фільтрі та промивають його 2дм3 води Промитий водою окислений графіт сушать у сушильній шафі при 100 - 110°С до вологості 0,5%мас Одержують графіт, що терморозширюється, з коефіцієнтом спучення при 500°С Кс 500 = 120см3/г Приклади 13-22 Графіт, що терморозширюється, одержують як у прикладі 12, але при цьому варіюють КІЛЬКІСТЬ водного розчину біхромату натрію та концентрованої сірчаної кислоті, яки додають у реактор на стадії окислення графіту Значення параметру Кс5 для одержаних при цьому зразків графіту, що терморозширюються, наведено утабл 2 Таблиця 1 Значення коефіцієнту спучення при 500°С для зразків графіту, що терморозширюються, одержаних при реалізації способу-прототипу [2] Витрати реагентів на стадії окислення графіту, № прикладу см3/100г вихідного графіту Водний розчин H2SO4 СЮз 1 12 32 2 12 36 1 16 36 4 10 40 5 12 40 6 14 40 7 16 40 8 8 42 9 10 42 10 14 42 11 16 42 У 5 0 0 Кс , 3 см /г 120 170 160 120 130 140 160 110 195 195 200 53047 Таблиця 2 Значення коефіцієнту спучення при 500°С для зразків графіту, щотерморозширюються, одержаних при реалізації способу, що заявляється № прикладу 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Витрати реагентів на стадії окислення графіту, см3/100г вихідного графіту Водний розчин H2SO4 Na 2 Cr 2 0 7 12 32 12 36 16 36 10 40 12 40 14 40 16 40 8 42 10 42 14 42 16 42 У 5 0 0 їх; , см3/г 120 174 164 122 132 144 161 110 198 199 200 8 Порівняння даних, яки наведено у табл 1 та табл 2, показує, що використання у якості окислювача водного концентрованого розчину біхромату натрію замість водного концентрованого розчину хромового ангідриду дозволяє одержувати графіт, що терморозширюється, з коефіцієнтом спучення при 500°С у діапазоні від 110 до 200см3/г при одночасному зберіганні високої технологічності способу-прототипу [2] Джерела інформації 1 Пат 2051 ЗА Україна, МПК6 С01 В/31/04 Спосіб одержання сполуки, що терморозширюється, на основі графіту/ О П Ярошенко, В В Шапранов, М В Савоськін, В О Кучеренко, О А Серпєнко (ІнФОВ НАН України), Заявл 0103 95, №95030972 Опубл 27 02 98 2 Пат 21167А Україна, МПК6 С01 В/31/04 Спосіб одержання графіту, що терморозширюється/ О П Ярошенко, В В Шапранов, В О Кучеренко, О А Серпєнко, С Б Любчик, В Д Кассов (ІнФОВ НАН України), Заявл 15 02 93, №93050430, Опубл 27 02 98 (Прототип) ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24