Спосіб одержання терморозширюваного графіту

Спосіб одержання терморозширюваного графіту, який включає послідовну обробку природного лускатого графіту концентрованим водним розчином дихромату натрію, концентрованою сірчаною кислотою, подальшу обробку окисленого графіту водою у стаціонарному, а потім у динамічному режимах та сушіння кінцевого продукту, який відрізняється тим, що висушений продукт додатково оброблюють карбамідом у кількості від 3 до 5 масових частин на 100 масових частин висушеного продукту. (19) (21) 2004010487 (22) 22.01.2004 (24) 16.01.2006 (46) 16.01.2006, Бюл. № 1, 2006 р. (72) Шологон Віктор Іванович, Магазинський Олександр Миколайович, Ярошенко Олександр Павлович, Савоськін Михайло Віталійович, Савсуненко Олег Борисович, Жуковський Сергій Миколайович (73) ІНСТИТУТ ФІЗИКО-ОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ І ВУГЛЕХІМІЇ ІМ. Л.М.ЛИТВИНЕНКА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) SU 1429522 A1, 10.03.1995 SU 1817438 A1, 27.03.1995 SU 1781984 A1, 27.03.1995 3 74666 4 досягається, є спосіб одержання графіту, що вагових частин на 100 вагових частин висушеного терморозширюється [2], обраний нами в якості продукту. При такої витраті карбаміду досягається прототипу. Спосіб-прототип [2] включає послідовну підвищення значень коефіцієнту спучення продукобробку порошку природного лускатого графіту ту при 900°С у лінійному режимі нагрівання не концентрованим водним розчином діхромату менш ніж в 1,2 рази, що забезпечує досягнення натрію, концентрованою сірчаною кислотою, додатехнічного ефекту пропонованого винаходу. вання у реакційну масу води, витримування Підвищення витрат карбаміду більш ніж 5 вагових одержаної суміші у стаціонарному стані (без на 100 вагових частин висушеного продукту (верхперемішування) на протязі 24 год., промивку окисня межа, що заявляється) є недоцільним, оскільки леного графіту водою у динамічному режимі на не веде до підвищення значень коефіцієнту спувакуумному фільтрі до рН промивних вод 6-7 та чення кінцевого продукту при 900°С у лінійному сушку промитого водою окисленого графіту при режимі нагрівання у порівняні з одержаними зна100-110°С до вологості не більш ніж 1,0%мас. ченнями. Використання карбаміду у кількості менш Спосіб-прототип [2] та дозволяє одержувати проніж 3 вагових частин на 100 вагових частин висудукти з коефіцієнтом спучення при 900°С у шеного продукту (нижня межа, що заявляється) є лінійному режимі нагрівання (Кс900лін) у діапазоні неприпустимим, оскільки при цьому підвищення від 80 до 150 см3/г при одночасному зберіганні значень коефіцієнту спучення при 900°С у високої економічності на технологічності відомого лінійному режимі нагрівання становить менш, ніж в способу [1]. У порівнянні з відомим способом [1] 1,2 рази, що не забезпечує досягнення технічного спосіб-прототип [2] характеризується істотно більш ефекту пропонованого винаходу. високим рівнем безпеки при реалізації за рахунок Ефект, який одержано при реалізації пропоновикористання у якості окислювача замість конценваного винаходу, можна пояснити наступним читрованого водного розчину хромового ангідриду ном. У результаті обробки висушеного продукту менш небезпечного та менш корозійноактивного карбамідом утворюється компаунд, у якому кожна концентрованого водного розчину діхромату частка сполуки інтеркалювання графіту вкрита натрію. шаром з часток карбаміду. При нагріванні такого Однак способу прототипу [2] є притаманним компаунду спочатку відбувається плавлення часнедолік - неможливість одержання продуктів з ток карбаміду (при 135-140°С), розплав якого коефіцієнтом спучення при 900 °С у лінійному вкриває частки сполуки інтеркалювання графіту. режимі нагрівання Кс900лін > 150 см3/г. При подальшому підвищенні температури до 220В основу винаходу покладено задачу одер230оС у міжшаровому просторі сполуки жання графіту, що терморозширюється, зі значенінтеркалювання графіту починаються процеси нями коефіцієнту спучення при 900°С у лінійному термічного розкладу інтеркальованих часток з режимі нагрівання, які не менш яку 1,2 рази переутворенням газуватих продуктів, однак виходу цих вищують значення вказаного параметру для газуватих продуктів з матриці графіту продуктів, які одержують за відомим способомперешкоджає шар розплавленого карбаміду, який прототипом [2]. знаходиться на поверхні часток графіту. У Задача, поставлена у способі, що результаті цього тиск газу у міжшаровому простопропонується, вирішується за рахунок того, що, на ру зростає, що забезпечує більш ефективне спувідміну від відомого способу-прототипу [2], який чення часток графіту. При подальшому підвищенні містить послідовну обробку порошку природного температури компаунда карбамід разкладається і лускатого графіту концентрованим водним розчигази з міжшарового простору графіту становляться ном діхромату натрію, концентрованою сірчаною здатними до вільного виходу в навколишнє серекислотою, додавання у реакційну масу води, витдовище. римування одержаної суміші у стаціонарному стані Для реалізації способу прототипу [2] та пропо(без перемішування) на протязі 24 год., промивку нованого способу використовували природний окисленого графіту водою у динамічному режимі лускатий графіт марки ГТ-1 за Держстандартом на вакуумному фільтрі до рН промивних вод 6-7 та СРСР 4596-75 виробництва Завал'євського сушку промитого водою окисленого графіту при графітового комбінату (Україна), концентровану 100-110°С до вологості не більш ніж 1,0%мас., сірчану кислоту кваліфікації «хч» з концентрацією висушений продукт додатково оброблюють 95,8%мас. (d=1,835 г/см3) за Держстандартом карбамідом у кількості від 3 до 5 вагових частин на СРСР 4204-77, натрій двохромовокислий 100 вагових частин висушеного продукту. (діхромат натрію) кваліфікації «технічний» за ДерІстотною відміною способу, що заявляється, жстандартом СРСР 2651-78. Водні розчини від прототипу [2] є додаткова обробка висушеного діхромату натрію з концентрацією 67,7%мас. продукту карбамідом. (d=1,65 г/см3) готували шляхом розчинення наваРеалізація пропонованого способу дозволяє жок діхромату натрію у дистильованої воді. Для одержувати кінцевий продукт, який обробки окисленого графіту використовували воду характеризується значеннями коефіцієнту спученз мережі побутового водопостачання з температуня при 900°С у лінійному режимі нагрівання рою (20±5)°С. При реалізації пропонованого спо(Кс900лін) у діапазоні від 96 до 190 см3/г, що собу використовували карбамід кваліфікації "ч.д.а" забезпечує досягнення технічного ефекту пропоза Держстандартом СРСР 6691-77. нованого винаходу за вказаним параметром. Синтез графіту, що терморозширюється, за Експериментальним шляхом встановлено, що пропонованим способом та за способомвитрата карбаміду, який використовують для обпрототипом [2] здійснювали у відкритому скляному робки висушеного продукту, становить від 3 до 5 циліндричному реакторі місткістю 300 см3, який 5 74666 6 обладнано Т-подібною мішалкою з нержавіючої У реактор завантажують 25 г природного луссталі, що обертається зі швидкістю 100±10 об/хв. катого графіту, вмикають перемішування та додаДля перемішування реакційної маси використовують 3 см3 (12 см3 на 100 г вихідного графіту) водвали універсальний лабораторний змішувач MPW ного розчину діхромату натрію з концентрацією 309. Завантаження вихідного графіту у всіх випад67,7%мас. Через 10 хв. у реактор додають 8 см3 3 ках було постійним й становило 25 г. Опісля законцентрованої сірчаної кислоти (32 см на 100 г вантаження графіту у реактор починали вихідного графіту) та продовжують перемішування перемішування та додавали до графіту визначену реакційної маси протягом 10 хв. Потім у реактор кількість водного розчину діхромату натрію. Через додають 200 см3 води та перемішують одержану 10 хв. перемішування у реакційну масу додавали суміш протягом 1 хв. Опісля цього вміст реактору визначену кількість концентрованої сірчаної кислопереносять у скляний стакан з використанням доти та продовжували перемішування реакційної датково 300 см3 води. Вміст стакану залишають на маси ще на протязі 10 хв. Потім перемішування 24 год. у стаціонарному стані (без перемішування). вимикали, вводили у реактор 200 см3 води та усеПотім твердий залишок відфільтровують на папереднювали отриману суміш перемішуванням пророву фільтрі та промивають його 2 дм3 води. Протягом 1-2 хв. Потім вміст реактору переносили у митий водою окислений графіт сушать у скляний стакан з використанням 300 см3 води. сушильній шафі при 100-110°С до вологості Одержану суміш окисленого графіту з водою за0,5%мас. Одержують графіт, що лишали у стаціонарному стані (без терморозширюється, з коефіцієнтом спучення при перемішування) на 24 год. Потім тверду фазу 900оС у лінійному режимі нагрівання Кс900лін = 87 відфільтровували на паперовому фільтрі у вакуумі см3/г. водоструминного насосу з використанням лійки Приклад 2-11 (порівняльні за способомБюхнера та колби Бунзена та опісля цього промипрототипом [2]. вали окислений графіт на фільтрі з використанням Графіт, що терморозширюється, одержують як 2 дм3 води. Промитий водою окислений графіт у прикладі 1, але при цьому варіюють кількість сушили у лабораторній шафі до вологості не більш водного розчину діхромату натрію та ніж 1,0%мас. концентрованої сірчаної кислоті, яки додають у Додаткову обробку висушеного продукту реактор на стадії окислення графіту. Витрати карбамідом здійснювали у відкритому скляному реагентів на стадії окислення графіту та значення циліндричному реакторі місткістю 300 см3, який параметру Кс900лін для одержаних при цьому обладнано Т-подібною мішалкою з нержавіючої зразків графіту, що терморозширюються, наведесталі, що обертається зі швидкістю 100±10 об/хв. но у табл. 1. Для перемішування сумішей висушеного продукту Приклад 12 та карбаміду використовували універсальний лаДо 25 г одержаного у прикладі 1 продукту добораторний змішувач MPW 309 Завантаження дають 1,25 г карбаміду (5 вагових частин висушеного продукту у всіх випадках було карбаміду на 100 вагових частин висушеного пропостійним і становило 25 г. У реактор засипали дукту) й усереднюють одержану суміш шляхом наважки висушеного продукту і карбаміду й усеперемішування протягом 10 хв. Одержують графіт, реднювали одержану суміш перемішуванням прощо терморозширюється, значення коефіцієнту тягом 10 хв. спучення якого при 900°С у лінійному режимі Коефіцієнт спучення (Кс900лін) продуктів, що нагрівання наведено у табл. 2. одержано за пропонованим способом та за спосоПриклад 13 бом-прототипом [2], при 900°С у лінійного До 25 г одержаного у прикладі 2 продукту донагрівання визначали наступним чином. Наважку дають 1,25 г карбаміду (5 вагових частин зразка продукту масою массой m = (0,8-1,0) г внокарбаміду на 100 вагових частин висушеного просили у холодну кювету з нержавіючої сталі дукту) й усереднюють одержану суміш шляхом місткістю 150 см3. Потім кювету зо зразком на 2 хв. перемішування протягом 10 хв. Одержують графіт, вводили у попередньо розігріту до 900 °С муфельщо терморозширюється, значення коефіцієнту ну піч Fisher Scientific Isotemp® Model 650 Proспучення якого при 900°С у лінійному режимі grammable Muffle Furnace. У результаті нагрівання нагрівання наведено у табл. 2. відбувалося спучення зразка з утворенням спучеПриклад 14 ного графіту. Кювету з одержаним спученим До 25 г одержаного у прикладі 3 продукту дографітом виймали з печі, обережно переносили її дають 1,25 г карбаміду (5 вагових частин вміст у скляний вимірювальний циліндр й карбаміду на 100 вагових частин висушеного провимірювали об'єм (V, см3), зайнятий спученим дукту) й усереднюють одержану суміш шляхом графітом. Значення коефіцієнту спучення Кс900лін перемішування протягом 10 хв. визначали з співвідношення Кс900лін = V/m як Одержують графіт, що терморозширюється, середнє арифметичне з трьох паралельних значення коефіцієнту спучення якого при 900°С у вимірювань. Допустима розбіжність між паралельлінійному режимі нагрівання наведено у табл. 2. 900лін ними визначеннями параметру Кс становила Приклад 15 5%. До 25 г одержаного у прикладі 4 продукту доРеалізація пропонованого способу одержання дають 1,25 г карбаміду (5 вагових частин графіту, що терморозширюється, далі карбаміду на 100 вагових частин висушеного проілюструється прикладами. дукту) й усереднюють одержану суміш шляхом Приклад 1, порівняльний за способомперемішування протягом 10 хв. Одержують графіт, прототипом [2]. що терморозширюється, значення коефіцієнту 7 74666 8 спучення якого при 900оС у лінійному режимі дукту) й усереднюють одержану суміш шляхом нагрівання наведено у табл. 2. перемішування протягом 10 хв. Одержують графіт, Приклад 16 що терморозширюється, значення коефіцієнту До 25 г одержаного у прикладі 5 продукту доспучення якого при 900°С у лінійному режимі дають 1,25 г карбаміду (5 вагових частин нагрівання наведено у табл. 2. карбаміду на 100 вагових частин висушеного проПриклад 22 дукту) й усереднюють одержану суміш шляхом До 25 г одержаного у прикладі 11 продукту доперемішування протягом 10 хв. Одержують графіт, дають 1,25 г карбаміду (5 вагових частин що терморозширюється, значення коефіцієнту карбаміду на 100 вагових частин висушеного проспучення якого при 900°С у лінійному режимі дукту) й усереднюють одержану суміш шляхом нагрівання наведено у табл. 2. перемішування протягом 10 хв. Одержують графіт, Приклад 17 що терморозширюється, значення коефіцієнту До 25 г одержаного у прикладі 6 продукту доспучення якого при 900°С у лінійному режимі дають 1,25 г карбаміду (5 вагових частин нагрівання наведено у табл. 2. карбаміду на 100 вагових частин висушеного проПриклад 23 дукту) й усереднюють одержану суміш шляхом До 25 г одержаного у прикладі 8 продукту доперемішування протягом 10 хв. Одержують графіт, дають 1,00 г карбаміду (4 вагові частини карбаміду що терморозширюється, значення коефіцієнту на 100 вагових частин висушеного продукту) й спучення якого при 900°С у лінійному режимі усереднюють одержану суміш шляхом нагрівання наведено у табл. 2. перемішування протягом 10 хв. Одержують графіт, Приклад 18 що терморозширюється, значення коефіцієнту До 25 г одержаного у прикладі 7 продукту доспучення якого при 900оС у лінійному режимі дають 1,25 г карбаміду (5 вагових частин нагрівання наведено у табл. 2. карбаміду на 100 вагових частин висушеного проПриклад 24 дукту) й усереднюють одержану суміш шляхом До 25 г одержаного у прикладі 8 продукту доперемішування протягом 10 хв. Одержують графіт, дають 0,75 г карбаміду (З вагові частини карбаміду що терморозширюється, значення коефіцієнту на 100 вагових частин висушеного продукту) й спучення якого при 900°С у лінійному режимі усереднюють одержану суміш шляхом нагрівання наведено у табл. 2. перемішування протягом 10 хв. Одержують графіт, Приклад 19 що терморозширюється, значення коефіцієнту До 25 г одержаного у прикладі 8 продукту доспучення якого при 900°С у лінійному режимі дають 1,25 г карбаміду (5 вагових частин нагрівання наведено у табл. 2. карбаміду на 100 вагових частин висушеного проПриклад 25 дукту) й усереднюють одержану суміш шляхом До 25 г одержаного у прикладі 8 продукту доперемішування протягом 10 хв. Одержують графіт, дають 0,50 г карбаміду (З вагові частини карбаміду що терморозширюється, значення коефіцієнту на 100 вагових частин висушеного продукту) й спучення якого при 900оС у лінійному режимі усереднюють одержану суміш шляхом нагрівання наведено у табл. 2. перемішування протягом 10 хв. Одержують графіт, Приклад 20 що терморозширюється, значення коефіцієнту До 25 г одержаного у прикладі 9 продукту доспучення якого при 900°С у лінійному режимі дають 1,25 г карбаміду (5 вагових частин нагрівання наведено у табл. 2. карбаміду на 100 вагових частин висушеного проПриклад 26 дукту) й усереднюють одержану суміш шляхом До 25 г одержаного у прикладі 11 продукту доперемішування протягом 10 хв. Одержують графіт, дають 2,50 г карбаміду (10 вагових частин що терморозширюється, значення коефіцієнту карбаміду на 100 вагових частин висушеного проспучення якого при 900°С у лінійному режимі дукту) й усереднюють одержану суміш шляхом нагрівання наведено у табл. 2. перемішування протягом 10 хв. Одержують графіт, Приклад 21 що терморозширюється, значення коефіцієнту До 25 г одержаного у прикладі 10 продукту доспучення якого при 900°С у лінійному режимі дають 1,25 г карбаміду (5 вагових частин нагрівання наведено у табл. 2. карбаміду на 100 вагових частин висушеного проТаблиця 1 Витрати реагентів на стадії окислення графіту та значення коефіцієнту спучення при 900°С у лінійному режимі нагрівання для зразків графіту, що терморозширюється, які одержано при реалізації способупрототипу [2] № прикладу 1 2 3 4 5 6 Витрати реагентів на стадії окислення графіту, см3/100 г вихідного графіту Водний розчин Na2Cr2O7 H2SО4 12 32 12 36 16 36 10 40 12 40 14 40 Кс900лін, см3/г 87 126 119 88 96 104 9 7 74666 16 10 40 117 11 74666 12 Продовження Табл.1 № прикладу 8 9 10 11 Витрати реагентів на стадії окислення графіту, см3/100 г вихідного графіту Водний розчин Na2Cr2O7 H2SО4 8 42 10 42 14 42 16 42 Кс900лін, см3/г 80 147 145 150 Таблиця 2 Витрати реагентів на стадії окислення графіту та значення коефіцієнту спучення при 900 °С у лінійному режимі нагрівання для зразків графіту, що терморозширюється, які одержано при реалізації пропонованого способу № прикладу 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Витрати реагентів на стадії окислення графіту, см3/100 г вихідного графіту Водний розчин H2SО4 Na2Cr2О7 12 32 12 36 16 36 10 40 12 40 14 40 16 40 8 42 10 42 14 42 16 42 8 42 8 42 8 42 16 42 Порівняння даних для прикладів 1-11, яки наведено у табл. 1, з даними для прикладів 12-24 у табл. 2, показує, що реалізація пропонованого способу дозволяє одержувати графіт, що терморозширюється, з коефіцієнтом спучення при 900°С у лінійному режимі нагрівання у діапазоні від 96 до 190 см3/г, що у 1,20-1,27 рази перевищує значення вказаного параметру для продуктів, які одержують за способом-прототипом [2]. Дані для зразка одержаного у прикладі 25 показують неприпустимість використання карбаміду у кількості менш 3 вагових частин на 100 вагових частин висушеного продукту, оскільки підвищення значення коефіцієнту спучення графіту, що терморозширюється, при цьому становить менш 1,2 рази. Порівняння даних для зразків одержаних у прикладах 22 та 26 показує недоцільність використання карбаміду у кількості більш 5 вагових Комп’ютерна верстка М. Клюкін Витрати карбаміду (вагові частини на 100 вагових частин висушеного продукту) Кс900лін см3/г 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 4 3 2 10 105 158 145 107 116 130 142 100 177 182 190 100 96 85 190 частин на 100 вагових частин висушеного продукту, оскільки це не веде до підвищення значення коефіцієнту спучення графіту, що терморозширюється, при 900°С у лінійному режимі нагрівання. Джерела інформації: 1. Пат. 21167 А Україна, МПК6 С 01 В/31/04. Спосіб одержання графіту, що терморозширюється / О.П.Ярошенко, В.В.Шапранов, В.О.Кучеренко, ОА.Сергієнко, С.Б.Любчик, В.Д.Кассов (ІнФОВ ПАН України); Заявл. 15.02.93; № 93050430; Опубл. 27.02.98. 2. Пат. 53047 А Україна, МПК7 С 01 В/31/04. Спосіб одержання терморозширюванного графіту / О.П.Ярошенко, М.В.Савоськін, О.М.Магазинський, О.Б.Савсуненко, С.М.Жуковський (ІнФОВ ПАН України); Заявл. 19.02.2002; №2002021371; Опубл. 15.01.2003. (Прототип). Підписне Тираж 26 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