RU2377223C1 - Method to produce composite carbon materials - Google Patents

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to production of graphitized carbon materials and products thereof, particularly, to production of composite low-density carbon heat insulating materials based on thermally expanded graphite (TEG), which can be used in vacuum or gas-filled furnaces. Proposed method comprises placing fusion mixture in gas-permeable mold, said fusion mixture containing oxidized graphite with bulk density of 0.3 to 0.5 g/cm³ produced by electrochemical oxidation in diluted water solutions of nitric acid and, subsequent thermal treatment in thermal impact conditions and carbonization at 1200° to 1600°C. Said fusion mixture is produced on resinating by 10 to 12%-solution of phenol-formaldehyde resin in acetone with subsequent drying at 60 to 70°C.

EFFECT: reduced heat conductivity factor of heat insulating material at exploitation temperatures (1000-3000°C), higher strength.

Description

Область техники.The field of technology.

Изобретение относится к технологии углеграфитовых материалов и изделий на их основе, в частности к получению композиционных низкоплотных углеродных теплоизоляционных материалов на основе терморасширенного графита (ТРГ), которые могут быть использованы в высокотемпературной технике, например в вакуумных или газонаполненных печах.The invention relates to the technology of carbon-graphite materials and products based on them, in particular to the production of composite low-density carbon heat-insulating materials based on thermally expanded graphite (TEG), which can be used in high-temperature technology, for example, in vacuum or gas-filled furnaces.

Уровень техники.The prior art.

Известен способ получения композиционного материала на основе ТРГ, включающий смешение полимерного связующего, выбранного из группы, содержащей полиолефин, полистирол, фторопласт и ПВХ-пластизоль, и электропроводящего наполнителя - графита, модифицированного концентрированными серной и азотной кислотами при массовом соотношении графита и связующего 50-80:20-50, подпрессовку полученной смеси и ее терморасширение в режиме термоудара при температуре 250-310°С (см. RU 2243980).A known method of producing a composite material based on TEG, comprising mixing a polymer binder selected from the group consisting of polyolefin, polystyrene, fluoroplast and PVC plastisol, and an electrically conductive filler - graphite modified with concentrated sulfuric and nitric acids with a mass ratio of graphite and binder 50-80 : 20-50, prepressing the resulting mixture and its thermal expansion in thermal shock mode at a temperature of 250-310 ° C (see RU 2243980).

Наиболее близкое к предложенному техническое решение раскрывается в авторском свидетельстве SU 1617869. В соответствии с ним способ получения композиционных пористых изотропных углеродных материалов включает смешивание дисперсного порошка окисленного графита с 5-40 мас.% порошка пека, помещение смеси в газопроницаемую пресс-форму, выполненную по форме готового изделия, ее термообработку при 500-1000°С со скоростью нагрева 10-50 град/с и выдержку при конечной температуре 1-10 мин.The closest to the proposed technical solution is disclosed in the copyright certificate SU 1617869. In accordance with it, a method for producing composite porous isotropic carbon materials involves mixing dispersed oxidized graphite powder with 5-40 wt.% Pitch powder, placing the mixture in a gas-permeable mold made according to the form of the finished product, its heat treatment at 500-1000 ° C with a heating rate of 10-50 deg / s and exposure at a final temperature of 1-10 minutes.

К недостаткам известного технического решения относится недостаточная механическая прочность получаемых материалов, а также высокий коэффициент теплопроводности материалов при повышенных температурах (1000-3000°С).The disadvantages of the known technical solutions include insufficient mechanical strength of the materials obtained, as well as a high coefficient of thermal conductivity of materials at elevated temperatures (1000-3000 ° C).

Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.

Задачей изобретения является уменьшение коэффициента теплопроводности теплозащитного материала при температурах эксплуатации (1000-3000°С), а также увеличение механопрочностных характеристик этого материала для обеспечения высокоэффективной тепловой защиты высокотемпературных устройств.The objective of the invention is to reduce the coefficient of thermal conductivity of heat-shielding material at operating temperatures (1000-3000 ° C), as well as increasing the mechanical strength characteristics of this material to provide highly effective thermal protection of high-temperature devices.

Поставленная задача решается способом получения низкоплотных композиционных углеродных материалов, включающим помещение в газопроницаемую пресс-форму шихты, содержащей окисленный графит и связующее, и последующую термообработку в режиме термоудара, в соответствии с которым в качестве связующего используют фенолформальдегидную смолу, в качестве окисленного графита - окисленный графит с насыпной плотностью 0,3-0,5 г/см³, полученный электрохимическим окислением в разбавленных водных растворах азотной кислоты, а после термообработки осуществляют карбонизацию при 1200-1600°С.The problem is solved by the method of producing low-density composite carbon materials, including the placement of a mixture containing oxidized graphite and a binder in a gas-permeable mold, and subsequent heat treatment in the mode of thermal shock, in accordance with which phenol-formaldehyde resin is used as a binder, and oxidized graphite is used as oxidized graphite with a bulk density of 0.3-0.5 g / cm ³ obtained by electrochemical oxidation in dilute aqueous solutions of nitric acid, and after heat treatment wasp Carbonize at 1200-1600 ° С.

В частных воплощениях изобретения в форму помещают шихту, содержащую 60-95 мас.% окисленного графита и 5-40 мас.% фенолформальдегидной смолы.In particular embodiments of the invention, a charge is added to the mold containing 60-95 wt.% Oxidized graphite and 5-40 wt.% Phenol-formaldehyde resin.

Данную шихту, предпочтительно, получают путем пропитки окисленного графита 10-12%-ным раствором фенолформальдегидной смолы в ацетоне с последующей сушкой при 60-70°С.This mixture is preferably obtained by impregnating oxidized graphite with a 10-12% solution of phenol-formaldehyde resin in acetone, followed by drying at 60-70 ° C.

В форму помещают шихту, дополнительно содержащую 1-10 мас.% углеродных волокон длиной менее 10 мм.A mixture is placed in the mold, additionally containing 1-10 wt.% Carbon fibers less than 10 mm long.

В других воплощениях изобретения в форму помещают шихту, дополнительно содержащую 1-10 мас.% антиокислительных добавок, например гексагидрата тетрабората натрия.In other embodiments of the invention, a charge is added to the mold, further containing 1-10% by weight of antioxidant additives, for example sodium tetraborate hexahydrate.

Или в форму помещают шихту, дополнительно содержащую 1-10 мас.% армирующих добавок, например карбида циркония в виде порошка или волокон.Or a mixture is placed in the mold, additionally containing 1-10 wt.% Reinforcing additives, for example, zirconium carbide in the form of powder or fibers.

Сущность изобретения состоит в следующем.The invention consists in the following.

Компактирование ТРГ производится методом «химического прессования», который позволяет получать изотропные углеродные изделия заданной формы без их механической обработки и варьировать плотность получаемого изделия, меняя коэффициент заполнения формы.The TWG is compacted by the method of “chemical pressing”, which allows one to obtain isotropic carbon products of a given shape without mechanical processing and to vary the density of the resulting product, changing the fill factor of the form.

Однако механопрочностные характеристики получаемых компактов неудовлетворительны, при нагревании до 1200°С они расслаиваются и необратимо разрушаются. В связи с этим в компакты ТРГ необходимо введение связующего. Для более равномерного распределения связующего в получаемом данным способом материале целесообразно смешивать исходный окисленный графит со связующим с последующим вспениванием этой смеси. При смешении со связующим частицы окисленного графита обволакиваются его тонкими пленками. При последующей термической обработке связующее коксуется, образуя коксовые мостики между частицами наполнителя, тем самым скрепляя их.However, the mechanical strength characteristics of the resulting compacts are unsatisfactory; when heated to 1200 ° C, they separate and irreversibly collapse. In this regard, the introduction of a binder is necessary in the TRG compacts. For a more uniform distribution of the binder in the material obtained by this method, it is advisable to mix the initial oxidized graphite with a binder, followed by foaming of this mixture. When mixed with a binder, particles of oxidized graphite are enveloped in thin films. During subsequent heat treatment, the binder is coked, forming coke bridges between the filler particles, thereby bonding them.

Исследования показали, что чрезвычайно важным для реализации поставленной задачи является правильный выбор как наполнителя, так и связующего в зависимости от выбора наполнителя. Поэтому исследования для улучшения механопрочностных характеристик велись в двух направлениях - исследовалась пригодность окисленного графита в зависимости от предыстории его получения, а также подбиралось связующее для конкретного окисленного графита, позволяющее в наилучшей степени реализовать уменьшение коэффициента теплопроводности, а также увеличение механопрочностных характеристик этого материала.Studies have shown that the right choice of both a filler and a binder, depending on the choice of filler, is extremely important for the implementation of the task. Therefore, studies to improve the mechanical strength characteristics were carried out in two directions - the suitability of oxidized graphite was studied depending on the history of its production, and a binder was selected for a specific oxidized graphite, which would make it possible to best reduce the coefficient of thermal conductivity, as well as increase the mechanical strength characteristics of this material.

Выяснилось, что особенно важным в решении поставленной задачи является факт использования модифицированного окисленного графита, имеющего насыпную плотность 0,3-0,5 г/см³ и полученного электрохимическим окислением природного графита в 20-60%-ных водных растворах азотной кислоты. Анодное окисление графита в таких средах носит диспергирующий характер, т.е. сопровождается измельчением чешуек графита вдоль оси а. Помимо высокой дисперсности терморасширенный графит, полученный вспениванием электрохимически окисленного природного графита в 20-60%-ных водных растворах азотной кислоты, характеризуется наличием в нем сажи, которая образуется из оксида графита, также являющегося продуктом анодной поляризации. Комбинация высокой дисперсности данного типа терморасширенного графита и сажи приводит к резкому снижению теплопроводности материалов на его основе по сравнению с материалами на основе ТРГ, полученного вспениванием окисленного графита, синтезированного традиционными методами, например химическим окислением графита концентрированной азотной кислотой или серной кислотой в присутствии дихромата калия с последующим гидролизом.It turned out that the fact of using modified oxidized graphite having a bulk density of 0.3-0.5 g / cm ³ and obtained by electrochemical oxidation of natural graphite in 20-60% aqueous solutions of nitric acid is especially important in solving this problem. The anodic oxidation of graphite in such media is dispersive, i.e. accompanied by grinding of graphite flakes along the axis a. In addition to the high dispersion, thermally expanded graphite obtained by foaming electrochemically oxidized natural graphite in 20-60% aqueous solutions of nitric acid is characterized by the presence of soot in it, which is formed from graphite oxide, which is also a product of anodic polarization. The combination of the high dispersion of this type of thermally expanded graphite and soot leads to a sharp decrease in the thermal conductivity of materials based on it in comparison with materials based on TEG obtained by foaming oxidized graphite synthesized by traditional methods, for example, the chemical oxidation of graphite with concentrated nitric acid or sulfuric acid in the presence of potassium dichromate with subsequent hydrolysis.

Использование терморасширенного графита (ТРГ) для производства изотропных теплозащитных материалов, предназначенных для использования при повышенных температурах, основано на его низком коэффициенте теплопроводности. Так коэффициент теплопроводности компакта ТРГ плотностью 0,05-0,07 г/см³ составляет 0,8-1 Вт/м·К при комнатной температуре, 0,6-0,7 Вт/м·К - при 1000°С. Плотность компакта в диапазоне 0,05-0,07 г/см³ обеспечивает как низкую теплопроводность получаемого материала, так и удовлетворительные механопрочностные характеристики.The use of thermally expanded graphite (TEG) for the production of isotropic heat-shielding materials intended for use at elevated temperatures is based on its low coefficient of thermal conductivity. So the coefficient of thermal conductivity of the compact TRG with a density of 0.05-0.07 g / cm ³ is 0.8-1 W / m · K at room temperature, 0.6-0.7 W / m · K - at 1000 ° C. The density of the compact in the range of 0.05-0.07 g / cm ³ provides both low thermal conductivity of the material obtained and satisfactory mechanical strength characteristics.

Применение в качестве связующего фенолформальдегидной смолы позволяет снизить теплопроводность получаемых материалов за счет более низкой теплопроводности прослоек связующего и более низкой теплопроводности кокса, образующегося в процессе его обжига. Кокс, получаемый обжигом фенолформальдегидной смолы, содержит в своей структуре, главным образом, сферолитовые образования, которые затрудняют рост кристаллитов графита в процессе термической обработки, что ведет к снижению теплопроводности. Применение же хорошо графитирующегося пека в качестве связующего (SU 1617869) приводит к увеличению теплопроводности. Таким образом, использование фенолформальдегидной смолы позволит снизить теплопроводность изделий при повышенных температурах, что особенно важно в условиях эксплуатации.The use of phenol-formaldehyde resin as a binder allows to reduce the thermal conductivity of the resulting materials due to the lower thermal conductivity of the binder layers and lower thermal conductivity of coke formed during its firing. Coke obtained by firing phenol-formaldehyde resin contains mainly spherulite formations in its structure, which impede the growth of graphite crystallites during heat treatment, which leads to a decrease in thermal conductivity. The use of well-graphitized pitch as a binder (SU 1617869) leads to an increase in thermal conductivity. Thus, the use of phenol-formaldehyde resin will reduce the thermal conductivity of products at elevated temperatures, which is especially important in operating conditions.

Последующая карбонизация материала путем обжига полученного полупродукта при 1200-1600°С приводит к интенсивной деструкции высокомолекулярных соединений и затем - удалению гетероатомов. Следствием этих процессов является увеличение количества ароматических молекул и частичная их укладка в "пакеты". Выше 1200°С происходит интенсивный отжиг дефектов, что приводит к увеличению механопрочностных характеристик материала. Основной механизм процесса упрочнения - движение дислокаций.Subsequent carbonization of the material by firing the obtained intermediate at 1200-1600 ° C leads to intensive destruction of high molecular weight compounds and then to the removal of heteroatoms. The consequence of these processes is an increase in the number of aromatic molecules and their partial packing in "packets". Above 1200 ° C, intense annealing of defects occurs, which leads to an increase in the mechanical strength characteristics of the material. The main mechanism of the hardening process is the movement of dislocations.

Необходимо отметить, что соотношение компонентов в шихте может варьироваться в достаточно широких пределах, однако важно, чтобы содержание связующего было таково, чтобы оно могло выполнять свои функции - создавать непрерывные прослойки, обеспечивающие связность дискретных элементов или частиц наполнителя и сплошность материала.It should be noted that the ratio of components in the charge can vary within wide limits, however, it is important that the binder content is such that it can perform its functions - create continuous interlayers that ensure the connectivity of discrete elements or particles of the filler and the continuity of the material.

В наилучших воплощениях изобретения шихта может содержать 60-95 мас.% окисленного графита и 5-40 мас.% фенолформальдегидной смолы.In the best embodiments of the invention, the charge may contain 60-95 wt.% Oxidized graphite and 5-40 wt.% Phenol-formaldehyde resin.

Данная шихта может быть предварительно получена путем пропитки окисленного графита, полученного электрохимическим окислением в разбавленных водных растворах азотной кислоты раствором формальдегидной смолы.This charge can be preliminarily obtained by impregnating oxidized graphite obtained by electrochemical oxidation in dilute aqueous solutions of nitric acid with a solution of formaldehyde resin.

В шихту могут быть дополнительно введены различные целевые добавки, улучшающие некоторые потребительские свойства, например, смесь порошков окисленного графита и связующего может дополнительно содержать 1-10 мас.% углеродных волокон длиной менее 10 мм и/или 1-10 мас.% антиокислительных и армирующих добавок, например карбида циркония в виде порошка или волокон или фосфата аммония.Various target additives can be added to the charge to improve some consumer properties, for example, a mixture of oxidized graphite powders and a binder may additionally contain 1-10 wt.% Carbon fibers less than 10 mm long and / or 1-10 wt.% Antioxidant and reinforcing additives, for example zirconium carbide in the form of a powder or fibers or ammonium phosphate.

Пример осуществления изобретения 1.An example embodiment of the invention 1.

Порошок окисленного графита смешивали с 20 мас.% порошка (фракция менее 0,1 мм) фенолоформальдегидной смолы резольного типа марки. Смесь массой 5,4 г помещали в газопроницаемую форму, имеющую форму прямоугольного параллелепипеда (длина 100 мм, ширина 40 мм, высота 20 мм), а затем форму - в нагретую до 900°С печь и выдерживали при 900°С в течение 2 мин для расширения графита и получения заготовки материала. Затем форму с заготовкой нагревали в атмосфере азота при температуре 1600°С в течение 1 часа для карбонизации связующего и спекания изделия. Плотность образцов составила (0,053±0,003) г/см³.The oxidized graphite powder was mixed with 20 wt.% Of the powder (fraction less than 0.1 mm) of the phenol-formaldehyde resin of the resol type brand. A mixture weighing 5.4 g was placed in a gas-permeable form having the shape of a rectangular parallelepiped (length 100 mm, width 40 mm, height 20 mm), and then the form was placed in a furnace heated to 900 ° C and kept at 900 ° C for 2 min to expand graphite and obtain a workpiece material. Then the preform was heated in a nitrogen atmosphere at a temperature of 1600 ° C for 1 hour to carbonize the binder and sinter the product. The density of the samples was (0.053 ± 0.003) g / cm ³ .

Для полученного таким образом материала измеряли коэффициент температуропроводности согласно ASTM Е 1461-92 и рассчитывали коэффициент теплопроводности. Образцы имели форму прямоугольных параллелепипедов сечением 10×10 мм и высотой 2 мм. Коэффициент теплопроводности материала при комнатной температуре 0,7 Вт/м·К, при 1000°С - 0,4 Вт/м·К. Модуль упругости, измеренный в соответствии с ASTM D 695-96, равен 30 МПа.For the material thus obtained, the thermal diffusivity was measured according to ASTM E 1461-92, and the thermal conductivity was calculated. The samples were in the form of rectangular parallelepipeds with a cross section of 10 × 10 mm and a height of 2 mm. The thermal conductivity of the material at room temperature is 0.7 W / m · K, at 1000 ° C - 0.4 W / m · K. The modulus of elasticity measured in accordance with ASTM D 695-96 is 30 MPa.

Пример осуществления изобретения 2.An example embodiment of the invention 2.

В стеклянный стакан помещали порошок окисленного графита массой 4,4 г и добавляли 15 мл 10%-ного раствора фенолформальдегидной смолы резольного типа в ацетоне. Пропитку осуществляли путем выдержки окисленного графита в растворе фенолформальдегидной смолы в течение 5 ч. Сушку пропитанного графита проводили в сушильном шкафу при 70°С в течение 3 ч. Смесь, полученную в результате сушки, массой 5,5 г помещали в газопроницаемую форму, имеющую форму прямоугольного параллелепипеда (длина 100 мм, ширина 40 мм, высота 20 мм), а затем форму - в нагретую до 900°С печь и выдерживали при 900°С в течение 2 мин для расширения графита и получения заготовки материала. Затем форму с заготовкой нагревали в атмосфере азота при температуре 1600°С в течение 1 часа для карбонизации связующего и спекания изделия. Плотность образцов составила (0,055±0,003) г/см³. Коэффициент теплопроводности материала при комнатной температуре равен 0,7 Вт/м·К, при 1000°С - 0,4 Вт/м·К. Модуль упругости, измеренный в соответствии с ASTM D 695-96, составил 40 МПа.4.4 g of oxidized graphite powder was placed in a glass beaker and 15 ml of a 10% solution of phenol-formaldehyde resole type resin in acetone was added. The impregnation was carried out by soaking oxidized graphite in a solution of phenol-formaldehyde resin for 5 hours. The impregnated graphite was dried in an oven at 70 ° C for 3 hours. The mixture obtained by drying, weighing 5.5 g, was placed in a gas-permeable mold having the form a rectangular parallelepiped (length 100 mm, width 40 mm, height 20 mm), and then form it into a furnace heated to 900 ° C and kept at 900 ° C for 2 min to expand graphite and obtain a material blank. Then the preform was heated in a nitrogen atmosphere at a temperature of 1600 ° C for 1 hour to carbonize the binder and sinter the product. The density of the samples was (0.055 ± 0.003) g / cm ³ . The coefficient of thermal conductivity of the material at room temperature is 0.7 W / m · K, at 1000 ° C - 0.4 W / m · K. The modulus of elasticity, measured in accordance with ASTM D 695-96, was 40 MPa.

Применение данного метода позволяет достичь наиболее равномерного распределения связующего по поверхности окисленного графита и, как следствие, в низкоплотном композите.Application of this method allows achieving the most uniform distribution of the binder over the surface of oxidized graphite and, as a result, in a low-density composite.

В таблице 1 приведены описанные эти и другие примеры получения низкоплотных углеродных материалов.Table 1 summarizes these and other examples of the production of low-density carbon materials.

Как следует из приведенных данных, предложенный способ позволяет получать изотропные изделия с низким коэффициентом теплопроводности и хорошими механическими свойствами заданной формы без их механической обработки, а также варьировать плотность получаемого изделия, меняя коэффициент заполнения формы.As follows from the above data, the proposed method allows to obtain isotropic products with a low coefficient of thermal conductivity and good mechanical properties of a given shape without mechanical processing, as well as vary the density of the resulting product, changing the fill factor of the form.

Claims (6)

1. Способ получения низкоплотных композиционных углеродных материалов, включающий помещение в газопроницаемую пресс-форму шихты, содержащей окисленный графит и связующее, и последующую термообработку в режиме термоудара, отличающийся тем, что в качестве связующего используют фенолформальдегидную смолу, в качестве окисленного графита - графит с насыпной плотностью 0,3-0,5 г/см³, полученный электрохимическим окислением в разбавленных водных растворах азотной кислоты, а после термообработки осуществляют карбонизацию при 1200-1600°С.1. A method of producing low-density composite carbon materials, comprising placing a charge containing oxidized graphite and a binder in a gas-permeable compression mold and subsequent heat treatment in thermal shock mode, characterized in that phenol-formaldehyde resin is used as a binder, and bulk graphite is used as oxidized graphite. density of 0.3-0.5 g / cm ³ obtained by electrochemical oxidation in dilute aqueous solutions of nitric acid, and after heat treatment, carbonization is carried out at 1200-1600 ° C. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что помещают в форму шихту, содержащую 60-95 мас.% окисленного графита и 5-40 мас.% фенолформальдегидной смолы.2. The method according to claim 1, characterized in that it is placed in the form of a mixture containing 60-95 wt.% Oxidized graphite and 5-40 wt.% Phenol-formaldehyde resin. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что шихту получают путем пропитки окисленного графита 10-12%-ным раствором фенолформальдегидной смолы в ацетоне с последующей сушкой при температуре 60-70°С.3. The method according to claim 2, characterized in that the mixture is obtained by impregnating oxidized graphite with a 10-12% solution of phenol-formaldehyde resin in acetone, followed by drying at a temperature of 60-70 ° C. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в форму помещают шихту, дополнительно содержащую 1-10 мас.% углеродных волокон длиной менее 10 мм.4. The method according to claim 2, characterized in that the mixture is placed in the form, additionally containing 1-10 wt.% Carbon fibers with a length of less than 10 mm 5. Способ по п.2, отличающийся тем, что в форму помещают шихту, дополнительно содержащую 1-10 мас.% антиокислительных добавок, например гексагидрата тетрабората натрия.5. The method according to claim 2, characterized in that the mixture is placed in the form, additionally containing 1-10 wt.% Antioxidant additives, such as sodium tetraborate hexahydrate. 6. Способ по п.2, отличающийся тем, что в форму помещают шихту, дополнительно содержащую 1-10 мас.% армирующих добавок, например карбида циркония, в виде порошка или волокон. 6. The method according to claim 2, characterized in that a charge is placed in the mold, additionally containing 1-10 wt.% Reinforcing additives, for example zirconium carbide, in the form of powder or fibers.