Химия твердого топлива, 2019, № 5, стр. 53-57

ВВЕДЕНИЕ

На современных предприятиях по производству технического углерода выпускается широкий ассортимент различных марок технического углерода. Однако, наряду с получением товарной продукции, неминуемо получение некондиционного материала, который перерабатывается в товарный продукт, либо вывозится на полигон для утилизации отхода, что экономически невыгодно. Основной особенностью данного материала является высокое содержание углерода – от 90.0 до 99.0%, что дает возможность использовать некондиционный технический углерод в определенных условиях в качестве твердого топлива. Для этого необходимо создание плотноупакованного материала на основе технического углерода для последующего получения специальных брикетов.

Технический углерод – один из основных компонентов сырья для производства резин. Об усиливающем влиянии технического углерода на эластомеры и резины известно давно, однако до сих пор ведутся исследования в направлении улучшения свойств резин модификацией технического углерода. Для максимального увеличения модуля упругости резины необходим материал, состоящий из сферических частиц одинакового размера с максимальным числом контактов [1]. Одним из вариантов создания такого углеродного материала является получение плотной упаковки частиц из технического углерода [2, 4].

Цель данной работы – рассмотрение возможности получения плотноупакованного углеродного материала (ПУМ) на основе различных марок технического углерода.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве объектов исследования использовали образцы технического углерода П161, Т900, N326, полученные из углеводородного сырья в промышленном процессе, образец дисперсного углерода, полученный в лабораторных условиях из чистого толуола, а также образцы углеродного материала с содержанием фуллерена С60 7.0 и 100%.

Физико-химические свойства образцов технического углерода Т900, П161, N326, а также дисперсного углерода из толуола представлены в табл. 1.

Предварительная подготовка образцов заключалась в извлечении из исходных порошков фракции с узким диапазоном размеров агрегатов частиц (менее 1.0 мкм), путем диспергирования исходного порошка углерода с созданием аэрозольного потока. Частицы углерода размером более 1.0 мкм удаляли из аэрозольного потока в фильтре со стационарным слоем гранул. Аэрозольный поток после фильтра осаждался с образованием водной суспензии дисперсного углерода. Суспензия отфильтровывалась, полученный материал просушивался в течение 12 ч при температуре 110°С.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для определения удельной площади поверхности по адсорбции азота образцов использовали объемную вакуумную статическую автоматизированную установку “Sorptomatic-1900”, позволяющую проводить измерения при Р/Р₀ в диапазоне 0.001–0.990.

Основные характеристики пористой структуры поверхности (текстуры) образцов, получены на “Sorptomatic-1900”.

Разветвленную структурность агрегатов образцов определяли по ГОСТ 25699.5-83 (абсорбция дибутилфталата, ДБФ). К низкоструктурному техническому углероду относили образцы с показателем по абсорбции ДБФ менее 60 мл/100 г. Образцы с показателем абсорбции ДБФ от 60 до 100 мл/100 г относили к среденеструктурным.

Морфологию агрегатов углерода изучали методом просвечивающей электронной микроскопии. Измерение размеров глобул и агрегатов частиц проводили на просвечивающем электронном микроскопе JEM2100 “JEOL”; ускоряющее напряжение 200 кВ (разрешение по кристаллической решетке 0.14 нм, разрешение по точкам 0.23 нм). Образец растирали в агатовой ступке, потом проводили диспергирование в суспензии этилового спирта на частоте 44 кГц (ультразвуковой диспергатор УЗДН-2Т) с последующим распылением на тонкую полимерную пленку с углеродным покрытием (толщиной около 10 нм), размещенной на медной сеточке – подложке для образцов. При помощи специального держателя сеточку с образцом вводили внутрь микроскопа через шлюз предварительной откачки. Микрофотографии объектов исследования, полученных на электронном микроскопе, представлены на рис. 1.

Рис. 1.

Микрофотографии образцов.

Дисперсный углерод из толуола получали на лабораторной установке, состоящей из трубчатой электропечи с температурой нагрева до 1200°С, форсунки, необходимой для тонкого распыления сырья потоком воздуха и кварцевого реактора, в котором протекал процесс разложения сырья и формирование из газовой фазы зародышей глобул дисперсного углерода и их агрегатов. Для снижения структурности дисперсного углерода параллельно с введением в форсунку толуола направляли водный раствор щелочи NaOH (рис. 2).

Рис. 2.

Лабораторная установка для получения дисперсного углерода из толуола.

Углеродный материал с содержанием фуллерена С60 7.0% был получен методом электровакуумного испарения графита в дуговом разряде с последующей конденсацией, а углеродный материал с содержанием фуллерена С60 100% – высокотемпературной обработкой графита с последующим выделением с помощью органических растворителей и дальнейшим разделением.

Материал с плотной упаковкой (ПУМ) получали на лабораторном гидравлическом прессе ПЛГ-20 (с нагрузкой прессования до 1600 МПа) в пресс-форме из инструментальной стали.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Установлено, что максимальная плотность ПУМ на основе технического углерода Т900 и N326 достигается при времени выдержки образца под давлением от 2 до 3 ч (рис. 3).

Рис. 3.

Определение времени выдержки под давлением в процессе прессования образцов.

При давлении прессования выше 500 МПа на кривых сжатия технического углерода с низкой структурностью по абсорбции ДБФ (П161 и Т900) наблюдаются области с постоянной плотностью, что свидетельствует о структурном изменении материала в процессе прессования (полное разрушение агрегатов порошка до первичной структуры). На кривых сжатия среднеструктурного технического углерода (N326 и из толуола) наблюдается плавный рост плотности с увеличением давления прессования, и отсутствуют области со структурными изменениями (рис. 4). По-видимому, для среднеструктурного технического углерода для разрушения вторичных структур необходима большая статическая нагрузка. Образцы материала с плотной упаковкой при нагрузках выше 1600 МПа разрушаются под действием упругих свойств порошка дисперсного углерода.

Рис. 4.

Зависимость плотности ПУМ от давления прессования.

В табл. 2 представлены образцы с максимальной плотностью, которую удалось получить в условиях механического сжатия на лабораторном прессе ПЛГ-20. Можно отметить высокие показатели координационного числа и плотности материала на основе дисперсного углерода из толуола и углеродного материала с содержанием фуллерена С60 100% в сравнении с образцами материала на основе исходного дисперсного углерода и фуллерена С60 7.0%.

Образец технического углерода Т900 имеет правильные сферические глобулы, практически не образующие агрегаты, что положительно влияет на создание плотной упаковки материала с плотностью до 1.32 г/см³.

Углеродный материал с содержанием фуллерена С60 7.0% имеет крупные разветвленные агрегаты, состоящие из бесформенных частиц. Этим можно объяснить низкие значения плотности материала с плотной упаковкой на ее основе – 1.14 г/см³.

Дисперсный углерод на основе толуола также обладает высокой структурой (крупные разветвленные агрегаты), но в отличие от фуллерена С60 7.0% его первичные частицы напоминают сферы.

ВЫВОДЫ

1. Установлены оптимальные параметры процесса получения материала с плотной упаковкой: давление прессования 1000 МПа и время выдержки образца под давлением от 2 до 3 ч.

2. Показано, что для низкоструктурного технического углерода при давлении не более 1000 МПа происходит полное разрушение вторичных структур.

3. Достигнута максимальная плотность образца ПУМ на основе углеродного материала с содержанием фуллерена С60 100% и дисперсного углерода, полученного в лабораторных условиях из толуола 1.41 г/см³.