Спосіб спучування інтеркальованого графіту

1. Спосіб спучування інтеркальованого графіту шляхом високотемпературної деструкції графіту, який включає змішування його зі спучуючим агентом, здатним до високотемпературної екзотермічної реакції, з наступним ініціюванням спучування шляхом ініціювання екзотермічної реакції, який відрізняється тим, що екзотермічну реакцію ініціюють у локальній області суміші інтеркальованого графіту й спучуючого агента з наступним переміщенням хвилі спучування по об'єму інтеркальованого графіту за рахунок переміщення хвилі U 2 (19) 1 3 талітної структури й значною мірою залежить від швидкості зростання температури. Відомий спосіб спучування інтеркальованого графіту шляхом високотемпературної деструкції графіту, заснований на розщепленні кристалічних ґратниць інтеркальованого графіту енергією зовнішніх впливів, у якому на кристалічні ґратниці інтеркальованого графіту впливають енергією електричного струму напругою більше 260 В в безперервному режимі за допомогою електродів, один із яких виконаний на основі поверхні сопла Лаваля, у яке подають інтеркальований графіт й у якому розміщений інший електрод. (Патент Росії № 2133720. СПОСОБ БЕЛИКА Б.М. ВСПУЧИВА7 НИЯ ИНТЕРНИРОВАННОГО ГРАФИТА. МПК С01В31/04, С04В35/536. Опубл. 27.07.1999). Недоліками способу є його складність, великі енерговитрати й необхідність використання спеціального устаткування для спучування, що здорожує кінцевий продукт. Крім того недоліком способу є невисокий ступінь спучування оскільки одночасно з початком спучування різко зменшується щільність графіту в електропровідній зоні, що приводить до зменшення його провідності й до зменшення енерговиділення в шарі графіту, що розширюється. Це приводить до того, що зменшується ефективність термоудара на самому початку спучування. Відомий спосіб спучування інтеркальованого графіту заснований на використанні паливного газу, що змішують із повітрям, подають у реактор через пальники й підпалюють. Факели пальників сполучають під кутом 15-100° друг до друга. У центральну частину міжфакельної зони подають окиснений графіт. Температура в міжфакельній зоні вище за 1000 °С. Терморозщеплений графіт, що утворився, видаляють із верхньої частини реактора (Патент Росії № 2118942, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОРАСЩЕПЛЕННОГО ГРАФИТА. МПК С01В 31/04, опубл. 20.09.1998). Недоліками способу є його складність, великі енерговитрати й необхідність використання спеціального устаткування для спучування інтеркальованого графіту. Відомий спосіб спучування графіту, що включає вміщення окисненого графіту у вертикальну піч, де завдають тепловий удар 800-1000 °С для його розширення. При цьому спочатку окиснений графіт вміщують у безпротягову камеру і доставляють до верхнього отвору печі, під дією власної сили тяжіння графіт висипається через область температури розширення, одержуючи тепловий удар, розширюється і під дією газів, що утворилися, виштовхується з нижнього отвору печі, де здійснюють відбір газів і збір розширеного графіту (Патент України № 47966, СПОСІБ ОДЕРЖАННЯ РОЗШИРЕНОГО ГРАФІТУ І ПРИСТРІЙ ДЛЯ ЙОГО ЗДІЙСНЕННЯ. МПК С01В 31/04, опубл. 15.07.2002, бюл. № 7). Недоліками способу є його складність, великі енерговитрати й необхідність використання спеціального, складного, коштовного устаткування для спучування інтеркальованого графіту. Відомий спосіб спучування графіту методом холодної деструкції, що включає хімічну обробку 60490 4 сировини, яка містить в собі графіт, з'єднанням, яке містить у собі кисень й галоген, та має формулу: МХОn, де М - одне з хімічних речовин ряду Н, NH4, Na, К; X - одне з хімічних речовин ряду Сl, Вr, J; n=1-4, з наступним вибуховим розкладанням з'єднань, ініційованим шляхом фотохімічного, або електрохімічного, або механічного, або термохімічного, або сонохімічного, або прямого хімічного впливу [Патент Росії № 2163883. СПОСОБ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА УГЛЕРОДНОЙ СМЕСИ ВЫСОКОЙ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ МЕТОДОМ ХОЛОДНОЙ ДЕСТРУКЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. 7 МПК С01В31/04, B01J20/20. Опубл. 10.03.2001]. Недоліком способу є його екологічна небезпека й дорожнеча, обумовлена застосуванням дорогих і вибухонебезпечних речовин. Відомий спосіб спучування графіту, що включає змішування графіту зі спучуючим агентом та нагрівання отриманої суміші, при цьому як спучуючий агент використовують перхлорат магнію в кількості 25-90 мас.% від суміші із графітом та спінення графіту здійснюють протягом 2-4 хв. при 520-900 °С. (Патент України № 21283, СПОСІБ ОДЕРЖАННЯ СПІНЕНОГО ГРАФІТУ. МПК С01В 31/04, опубл. 04.11.1997, бюл. № 10). Недоліком способу є низький ступінь спучування, а також його екологічна небезпека, обумовлена застосуванням перхлорату магнію. Продуктами розкладання перхлорату магнію є оксид магнію, хлор і кисень. Хлор чинить токсичну дію на організм людини (Див. ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С ХЛОРНОЙ КИСЛОТОЙ И ПЕРХЛОРАТАМИ В УЧРЕЖДЕНИЯХ, ОРГАНИЗАЦИЯХ И НА ПРЕДПРИЯТИЯХ АКАДЕМИИ НАУК СССР. НАОП 9.5.10-1.04-81, НПАОП 24.1-1.04-81). Найбільш близьким до запропонованого є спосіб спучування інтеркальованого графіту, що включає обробку його хімічною сполукою здатною до високотемпературної екзотермічної реакції, у якості якого використовують бертолетову сіль, з наступним ініціюванням екзотермічної реакції прямим хімічним впливом на уведену хімічну сполуку розчином тіосечовини або розчином перхлорату амонію (Патент України № 51664, СПОСІБ ОДЕРЖАННЯ СПУЧЕНОГО ГРАФІТУ. МПК С01В 31/04, С25В 1/00, B01J 20/20, опубл. 26.07.2010, бюл. № 14). Недоліком способу є невисокий ступінь спучування, а також його небезпечність та дорожнеча. Це пов'язане з тим, що вибухове розкладання бертолетової солі приводить до викидання часток інтеркальованого графіту з високотемпературної зони, що приводить до зменшення часу перебування інтеркальованого графіту у високотемпературній зоні й, як наслідок, до невисокого ступеня спучування. Крім того використання бертолетової солі підвищує небезпеку технології, а також здорожує спосіб. В основу корисної моделі поставлені завдання підвищення ефективності спучування інтеркальованого графіту, підвищення безпеки способу і його здешевлення. Запропонований, як і відомий спосіб спучування інтеркальованого графіту шляхом високотем 5 пературної деструкції графіту, включає змішування його зі спучуючим агентом, здатним до високотемпературної екзотермічної реакції, з наступним ініціюванням спучування шляхом ініціювання екзотермічної реакції і, відповідно до цієї пропозиції, екзотермічну реакцію ініціюють у локальній області суміші інтеркальованого графіту й спучуючого агента з наступним переміщенням хвилі спучування по об'єму інтеркальованого графіту за рахунок переміщення хвилі горіння по об'єму спучуючого агента з утворенням високотемпературної зони, що переміщається, а у якості спучуючого агента використовують піротехнічну суміш, або речовини, що дають високу температуру при екзотермічній реакції, або речовини, здатні до високотемпературного вибухового розкладання, або їхню суміш. При цьому створюють лінійну швидкість переміщення хвилі горіння по об'єму спучуючого агента більшу за швидкість збільшення об'єму частою інтеркальованого графіту, створюють високотемпературну зону, що переміщається, шириною більше 1 мм, переважно більше 10 мм. При цьому у високотемпературній зоні, що переміщається, створюють температуру більше 800 °С, при швидкості нагрівання інтеркальованого графіту у високотемпературній зоні, що переміщається, більше 1000 °С/с, переважно більше 10000 °С/с. Екзотермічну реакцію ініціюють у локальній області суміші інтеркальованого графіту й спучуючого агента. Це дозволяє запустити самопідтримну реакцію рівномірного горіння спучуючого агента, що підвищує безпеку способу. Здійснюють переміщення хвилі спучування по об'єму інтеркальованого графіту за рахунок переміщення хвилі горіння по об'єму спучуючого агента з утворенням високотемпературної зони, що переміщається. Це дозволяє рівномірно та послідовно здійснювати високотемпературну деструкцію графіту за рахунок різкого підвищення температури у хвилі горіння, що підвищує ефективність спучування інтеркальованого графіту. Різке підвищення температури часток інтеркальованого графіту забезпечується тим, що нагріванню піддається тільки той графіт, який у даний момент часу знаходиться у високотемпературній зоні. Як спучуючий агента використовують піротехнічну суміш, або речовини, що дають високу температуру при екзотермічній реакції, або речовини, здатні до високотемпературного вибухового розкладання, або їхню суміш. Це дозволяє спростити спосіб, оскільки не потребує спеціального устаткування для спучування інтеркальованого графіту й здешевлює кінцевий продукт. Створюють лінійну швидкість переміщення хвилі горіння по об'єму спучуючого агента більшу за швидкість збільшення об'єму часток інтеркальованого графіту. Це дозволяє підвищити ефективність спучування інтеркальованого графіту за рахунок повного й рівномірного прогрівання часток інтеркальованого графіту. При значенні лінійної швидкості переміщення хвилі горіння по об'єму спучуючого агента менш за швидкість збільшення об'єму часток інтеркальованого графіту знижується ефективність спучування, оскільки у цьому випадку частки графіту при спучуванні здатні інгібу 60490 6 вати екзотермічну реакцію й навіть загасити її. Створюють високотемпературну зону, що переміщається, шириною більше 1 мм, переважно більше 10 мм. Це дозволяє підвищити ефективність спучування інтеркальованого графіту за рахунок повного й рівномірного прогрівання часток інтеркальованого графіту. При значенні ширини високотемпературної зони менш 1 мм знижується ефективність спучування, оскільки частки графіту при спучуванні збільшуються в розмірах до 10-70 мм і виходять за межі високотемпературної зони, що приводить до неповного їхнього спучування. Найбільш кращої є високотемпературна зона, що переміщається, шириною між приблизно 10 мм і приблизно 15 мм. У високотемпературній зоні, що переміщається, створюють температуру більше 800 °С. Це дозволяє підвищити ефективність спучування інтеркальованого графіту за рахунок високої швидкості прогрівання часток інтеркальованого графіту. При значенні температури менше 800°С різко знижується ефективність спучування. Створюють швидкість нагрівання інтеркальованого графіту у високотемпературній зоні, що переміщається, більше 1000 °С/с, переважно більше 10000 °С/с. Це дозволяє підвищити ефективність спучування інтеркальованого графіту за рахунок ефективного термоудару. При швидкості нагрівання інтеркальованого графіту менш 1000 °С/с знижується ефективність спучування за рахунок менш ефективного термоудару. Швидкість нагрівання інтеркальованого графіту повинна бути переважно більше 10000 °С/с. У цьому випадку реалізується найбільш ефективний термоудар. Приклад. Спосіб здійснювали в посудині з термостійкого матеріалу, у який насипали суміш інтеркальованого графіту зі спучуючим агентом у співвідношенні 1:4. Як спучуючий агент використали піротехнічну суміш, що складається з калійної селітри, деревного вугілля й крохмалю в співвідношенні калійна селітра:вугілля:крохмаль рівному 4:1:2. Спучування ініціювали точково шляхом підпалювання піротехнічної суміші за допомогою розпеченої електричної спіралі. Відбувалося загоряння спучуючого агента у крапці ініціації з наступним переміщенням хвилі горіння по суміші й, відповідно, хвилі спучування по об'єму графіту. Хвиля горіння переміщалася по спучуючому агенті за рахунок теплопередачі від шару до шару з утворенням високотемпературної зони, що переміщається. При екзотермічної реакції виділяється тепло, що нагріває сусідні більше холодні шари речовини й збуджує в них екзотермічну реакцію. Поширенню хвилі горіння сприяє практична відсутність тепловтрат у навколишнє середовище, оскільки спучений графіт, що утворюється, є гарним теплоізолятором. У хвилі горіння протікає екзотермічна реакція, що забезпечує необхідний термоудар інтеркальованого графіту. Нагрівання часток інтеркальованого графіту відбувається у високотемпературній зоні, що мимовільно переміщається по суміші з лінійною швидкістю близько 5 мм/с. Висока температура, необхідна для спучування графіту (термоудар), створюється в результаті звільнення хімічної енергії спучуючого агента. 7 60490 Характеристики спученого графіту, отриманого в результаті екзотермічної реакції: 3 насипна щільність - 0,02 г/см ; ступінь розширення - 60 разів; 2 питома поверхня - 750 м /г. Таким чином, змішування інтеркальованого графіту зі спучуючим агентом, здатним до високотемпературної екзотермічної реакції, у якості котрого використовують піротехнічну суміш, або речовини, що дають високу температуру при екзотермічній реакції, або речовини, здатні до високотемпературного вибухового розкладання, або їхню суміш з наступним ініціюванням спучування Комп’ютерна верстка А. Крулевський 8 шляхом ініціювання екзотермічної реакції у локальній області суміші інтеркальованого графіту й спучуючого агента з наступним переміщенням хвилі спучування по об'єму інтеркальованого графіту за рахунок переміщення хвилі горіння по об'єму спучуючого агента з утворенням високотемпературної зони, що переміщається, дозволяє підвищити ефективність та безпеку способу спучування інтеркальованого графіту, і також здешевити цільовий продукт за рахунок одержування його без застосування коштовного та енергоємного обладнання, як у приміщенні так і у польових умовах. Підписне Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601