Введение к работе
Актуальность темы
Одним из низкоплотных углеродных материалов, созданных почти полвека назад и не исчерпавшим до сих пор свой потенциал, является пенографит (ПГ). ПГ привлекателен тем, что сохраняя все свойства графита, прессуется без связующего с образованием графитовой фольги, из которой изготавливают различные уплот-нительные изделия. Такая способность пенографита связана с его специфической морфологией и пористой структурой.
Пенографит образуется в результате быстрого нагрева интеркалированного графита . В настоящее время накоплено достаточно информации по способам синтеза и структуре интеркалированных соединений графита, то есть стадия внедрения кислот в матрицу графита достаточно изучена, что нельзя сказать о стадии терморасширения - важнейшей составляющей в цепочке получения пенографита. Необходимым условием расширения является высокое давление в графитовой матрице, создаваемое газообразными продуктами термолиза интеркалированных соединений. В связи с этим, установление взаимосвязи между условиями терморасширения, свойствами пенографита и составом выделяющихся газов имеет фундаментальный и прикладной интерес.
Цель работы
Установление основных закономерностей термолиза графита, интеркалированного азотной кислотой.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать способ анализа выделяющихся газов при терморасширении графита, интеркалированного азотной кислотой.
-
Установить особенности термолиза графита, интеркалированного азотной кислотой, в различных газовых средах: окислительной, инертной и восстановительной;
-
Выявить взаимосвязь между условиями терморасширения, свойствами пенографита и составом выделяющихся газов;
-
Изучить влияние атмосферы вспенивания на механо-прочностные характеристики графитовой фольги;
В данной работе под термином «интеркалированный графит» подразумеваются как интеркалированные соединения графита с азотной кислотой - нитрат графита, так и продукт его взаимодействия с водой - окисленный графит.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту
Установлено, что степень расширения и морфология пенографита зависят как от номера ступени нитрата графита, так и от температуры и состава газовой среды вспенивания. Терморасширение в инертной и восстановительной атмосферах по сравнению с традиционной окислительной (воздух) позволяет существенно увеличить выход по углероду и сдвигать соотношения NO/NO2 и СО/СОг в сторону монооксидов. Добавление незначительного количества метана (3.6 об%) обеспечивает снижение количества выделяющихся оксидов азота на 30-50% и улучшает такие характеристики пенографита, как насыпная плотность и удельная поверхность. Специфическая морфология ПГ, полученного в восстановительной атмосфере, способствует улучшению механо-прочностных характеристик графитовой фольги до 13.1 МПа прочности и 20% упругости, что в 2-3 раза превышает существующий уровень.
Разработан способ анализа NOx, СОх и Н20 in situ при термолизе интеркали-рованного графита. Впервые проведено комплексное определение газовой фазы, выделяющихся при терморасширении нитрата графита II, III и IV ступеней на основе высокоориентированного пиролитического графита и природного чешуйчатого графита, а также различных образцов окисленного графита (химический, электрохимический и модифицированный борной кислотой).
Показано, что термолиз образцов нитрата графита протекает в две стадии. На первой стадии (80-190С) азотная кислота деинтеркалируется из сольватной оболочки внедренного слоя интеркалята. Вторая стадия (190-300С) сопровождается полной миграцией азотной кислоты, причем частично в межкристаллитные области с образованием нитратного аддукта. Установлено, что последний содержит такое же количество вспенивающего агента (HNO3), что и окисленный графит; это определяет одинаковую степень расширения нитрата графита и продукта его взаимодействия с водой - окисленного графита.
Практическая значимость работы
Полученные в диссертационной работе данные можно использовать для разработки основ технологии терморасширения интеркалированного графита в условиях восстановительной среды, в том числе газопламенным вспениванием. Восстановительная атмосфера является оптимальной средой для получения пенографита практически с количественным выходом, высокими значениями степени расширения и удельной поверхности.
Предложен способ получения графитовой фольги с улучшенными механо-прочностными характеристиками и стойкостью к окислению в широком диапазоне температур.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены на международных конференциях по углероду "Carbon" (Краков, Польша, 2012 г.; Рио-де-Жанейро, Бразилия, 2013 г.), 15-м, 16-м и 17-м международных симпозиумах по интеркалированным соединениям (ISIC15, Пекин, Китай, 2009 г.; ISIC16, Пардубице, Чехия, 2011 г.; ISIC17, Сендай, Япония, 2013 г.), 2-м и 3-м Международных форумах по нанотехнологиям Роснанофорум (Москва, 2009 и 2010 гг.), 6-й и 7-й международных конференциях «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология» (Троицк, 2009 г.; Суздаль, 2010. г.), XVI, XVII и XVIII конференциях "Ломоносов" (Москва, 2009, 2010, 2011 гг.).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 4 статьи в журналах из перечня ВАК, 13 тезисов докладов на международных конференциях и получен 1 патент. Полный список публикаций приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора
Автором лично выполнена синтетическая часть работы - от получения образцов нитрата графита разных ступеней на основе высокоориентированного пироли-тического графита и природного чешуйчатого графита до их вспенивания; разработан способ определения газов при терморасширении интеркалированного графита в различных газовых средах; с помощью современного комплекса физико-химических методов исследованы образцы; проведен анализ полученных данных и обобщение результатов.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, результатов и обсуждения, выводов, списка литературы (120 наименований). Работа изложена на 120 страницах печатного текста и содержит 57 рисунков и 15 таблиц.
