Получение терморасширенного графита, незаменимого для создания уплотнителей и огнезащитных покрытий, сегодня остается дорогим и сложным процессом. Существующие методы — печной нагрев или плазменная струя — либо сжигают сырье, либо требуют колоссальных энергозатрат, рассеивая тепло впустую. Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха создали технологию, которая позволяет пропускать частицы графита сквозь плазменный «ствол». Это обеспечивает выход готового продукта до 95% и снижает вес материала в 2,5–10 раз по сравнению с аналогами, расходуя при этом минимум электроэнергии.
На изобретение получен патент.
Многие знают графит как серый «стержень» в простом карандаше. Однако на молекулярном уровне это уникальный материал, состоящий из тончайших углеродных пластин. Он известен человечеству тысячи лет, но в последние десятилетия обрел «второе дыхание». Речь идет о терморасширенном графите — материале, который получают путем обработки его кислотами и резкого нагрева. В результате частицы графита раздуваются, как попкорн, увеличиваясь в объеме в сотни раз. Чем сильнее они вспениваются, тем меньше весит готовый материал и тем больше в нем пустот. А значит, он лучше держит тепло, надежнее уплотняет стыки и эффективнее впитывает жидкости. Поэтому чем легче графит — тем выше его качество.
Благодаря таким свойствам из него делают гибкие уплотнения для трубопроводов, которые выдерживают экстремальные давления и температуры, огнезащитные покрытия для строительных конструкций, высокоэффективные сорбенты для ликвидации разливов нефти, композитные материалы для авиа- и судостроения. Аналогов такого материала на сегодняшний день в мире нет.
Однако проблема в том, что современные технологии производства терморасширенного графита слишком дороги и энергозатратны, при этом они не позволяют добиться стабильно высокого качества конечного продукта.
Например, печной нагрев требует массивного жаростойкого оборудования и огромных энергозатрат, к тому же он прогревает материал неравномерно: внешние слои сгорают, а внутренние остаются необработанными. Микроволновые установки позволяют вести процесс непрерывно, однако из-за того, что одни частицы греются сильнее, а другие слабее, они расширяются по-разному. В итоге часть материала получается качественной, а часть — браком.
Альтернативой становится обработка в плазменной струе. Это когда газ разогревают до состояния плазмы и направляют на материал потоком, похожим на сверхгорячий факел (температура достигает 2000°С). Но и этот метод оказывается не до конца эффективным. Частицы графита слишком мало времени находятся в зоне нагрева и не успевают полностью расшириться. Вдобавок энергия тратится практически впустую: только 2% уходит на нагрев частиц, а 98% просто рассеиваются в пространстве.
Все это приводит к ограниченному применению материала в промышленности: одни производители сталкиваются с высокой стоимостью, другие — с ненадежностью при эксплуатации. В результате потенциал терморасширенного графита остается не полностью раскрытым, а ключевые отрасли недополучают материал с оптимальными характеристиками.
Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали установку и новый способ получения терморасширенного графита, с выходом готового продукта до 95%.
Они предложили обрабатывать графит не в плазменном «факеле», а прогоняя частицы сквозь плазменный «ствол». Разница примерно такая же, как между тем, чтобы поливать газон из распылителя (вода разлетается во все стороны) и направлять струю из шланга (вся жидкость сконцентрирована в одной точке).
— пояснил Юрий Щицын, заведующий кафедрой «Сварочное производство, метрология и технология материалов» ПНИПУ, доктор технических наук.Обычно графит греют в печах или обрабатывают плазменной струей, но большая часть тепла улетает в воздух. Мы сделали иначе. Наша установка создает плазменный «ствол» с температурой 10 000°С — это в два раза горячее поверхности Солнца. Частицы проходят точно через центр, где температура максимальна. Попадая в эту зону, графит мгновенно вспенивается, превращаясь в легчайший материал. И главное — каждая частица греется одинаково, поэтому на выходе нет брака. К тому же дополнительную защиту обеспечивает аргон — инертный газ, который не вступает в реакции и предотвращает выгорание графита, так что потери сырья минимальны,
Чтобы подтвердить эффективность технологии, ученые провели эксперимент. Через плазменную горелку подали ток 200 ампер — этого достаточно, чтобы создать стабильный плазменный «ствол» с температурой 10 000°С. Затем начали подавать графит со скоростью 11 км/ч. Это оптимальный режим: если сыпать быстрее, частицы начнут мешать друг другу и не успеют как следует прогреться. Если медленнее — установка будет работать вполсилы, а это невыгодно.
На выходе получили материал, который весит всего 1–1,8 г. Для сравнения: при обработке в обычной плазменной струе этот показатель составляет 4,6–10,3 г. Это значит, что новый метод позволяет получать графит, который в 2,5–10 раз легче и при этом равномерно вспененный, без брака и потерь.
— рассказал Сергей Неулыбин, научный руководитель лаборатории методов создания и проектирования систем «Материал-технология-конструкция» ПНИПУ, кандидат технических наук.Но главное — энергоэффективность. Старые плазменные установки работали с эффективностью всего 2% — 98% энергии тратилось впустую. Наша технология сокращает расход энергии до 1,6 киловатт-часа на килограмм продукта. Это примерно столько же электричества, сколько потребляет обычный обогреватель за час работы. При этом выход готового материала достигает 95%, тогда как при печном нагреве до 30% материала сгорает или остается необработанным,
Следовательно, разработка ученых Пермского Политеха в будущем позволит получать терморасширенный графит высокого качества быстро, экономично и с минимальными потерями энергии. Компактность и непрерывность процесса делают технологию пригодной для промышленного масштабирования. Это значит, что самолеты, автомобили, атомные реакторы и нефтеперерабатывающие заводы получат более надежные уплотнители, теплоизоляцию и сорбенты для очистки окружающей среды — с улучшенными характеристиками и меньшими производственными затратами.
Опубликованный материал предоставлен Пермским политехом.
Автор и источник изображения: Пресс-служба ПНИПУ.
Описание: Внешний вид терморасширенного графита.