RU2686906C1 - Способ оценки качества терморасширения графита - Google Patents
Способ оценки качества терморасширения графита Download PDFInfo
- Publication number
- RU2686906C1 RU2686906C1 RU2018103609A RU2018103609A RU2686906C1 RU 2686906 C1 RU2686906 C1 RU 2686906C1 RU 2018103609 A RU2018103609 A RU 2018103609A RU 2018103609 A RU2018103609 A RU 2018103609A RU 2686906 C1 RU2686906 C1 RU 2686906C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- graphite
- packs
- thermally expanded
- thermal expansion
- quality
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 141
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 141
- 239000010439 graphite Substances 0.000 title claims abstract description 141
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 41
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 25
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 20
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000002950 deficient Effects 0.000 claims abstract description 14
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000011630 iodine Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 claims abstract description 5
- PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N iodine Chemical compound II PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 238000011835 investigation Methods 0.000 claims abstract description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 3
- 230000001476 alcoholic effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000012986 modification Methods 0.000 abstract description 5
- 230000004048 modification Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 abstract description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 16
- 239000000047 product Substances 0.000 description 11
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 229910021382 natural graphite Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 5
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 5
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 3
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical class O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000001364 causal effect Effects 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 2
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 2
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021383 artificial graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000036461 convulsion Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000005184 irreversible process Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 238000001303 quality assessment method Methods 0.000 description 1
- 238000010405 reoxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N sulfuric acid Substances OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
- G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
- G01N21/956—Inspecting patterns on the surface of objects
- G01N21/95607—Inspecting patterns on the surface of objects using a comparative method
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/20—Graphite
- C01B32/21—After-treatment
- C01B32/22—Intercalation
- C01B32/225—Expansion; Exfoliation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
- G01N21/89—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles
- G01N21/892—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles characterised by the flaw, defect or object feature examined
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Pathology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Geology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано для прогнозирования качества изделий из терморасширенного графита. Измельчают натуральный чешуйчатый графит с получением пачек параллельно уложенных пластин графита. Затем проводят интеркалирование и окисление, после чего пачки графита равномерно смачивают спиртовым раствором йода, выдерживают в закрытой емкости и нагревают до 200-250°С. После нагрева отбирают часть массы для исследования формоизменения пачек с помощью оптического микроскопа. Подсчитывают количество нетерморасширенных окисленных пачек, частично терморасширенных пачек до появления в центральной части элемента в виде червяка, частично терморасширенных пачек с почерневшими пластинками без взаимосвязи между ними и полностью терморасширенных пачек в виде элементов червеобразной формы. Затем остальную часть смеси графита со спиртовым раствором йода помещают в нагретую до 300-350°С печь и выдерживают при этой температуре до испарения газообразной составляющей продукта реакции и окончания изменения объема терморасширяющейся части графита. С помощью оптического микроскопа фиксируют последующие формоизменения графита. Определяют степень качества терморасширения исследуемых элементов графита по формуле:, где К- качество терморасширения исследуемого натурального чешуйчатого графита, %; Б - количество червеобразных элементов, не имеющих дефектных участков, шт.; Д - количество червеобразных элементов, имеющих дефектные участки, шт.; П - количество нетерморасширенных пачек, шт. Результаты этого расчёта учитывают при определении возможности использования терморасширенного графита. Отличная степень качества соответствует 90-100 %; хорошая - 80-90 %, удовлетворительная - 60-80 %, плохая - ниже 60 %. Изобретение позволяет повысить качество контроля терморасширенного графита и информируемость обо всех его видоизменениях. 8 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области исследования материалов, содержащих углерод, в частности к исследованию стадий термического расширения натурального графита и может быть использовано для оценки качества исходного материала - графита, степени его чистоты, способности к терморасширению и для последующего прогнозирования качества изделий получаемых из терморасширенного графита (ТРГ-пуха).
Известен способ терморасширения графита, включающий обработку измельченного графита смесью концентрированных серной и азотной кислот - интеркалирование (ИГ), отделение образовавшихся соединений внедрения графита от избытка кислот с получением окисленного графита (ОГ), обработку соединения внедрения графита газообразным аммиаком до его насыщения и термообработку ОГ в плазме инертного газа со среднемассовой температурой 1000-2000°С [а.с. №1657473, МПК С01В 31/04, опубл. 20.06.1991].
Способ позволяет в зависимости от температуры получить полное или частичное терморасширение с образованием элементов в виде червяков (ТРГ - пуха), но он не предусматривает исследование процесса поэтапного формирования таких элементов и не может объяснить: почему изделие из ТРГ-пуха может получиться плохого качества, т.к. нет информации о причинно-следственной связи состава исходного графита и его способности к терморасширению. Способ связан с получением общей массы ТРГ-пуха без детальной оценки по стадиям терморасширения количества способных и неспособных к терморасширению частиц окисленного графита и без установления причин этого явления. Оценка превращения графита в процессе термообработки ограничивается установлением насыпной плотности получаемого ТРГ-пуха в зависимости от режимов терморасширения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявлемому является способ оценки качества терморасширенного графита [Л.И. Хейфец, В.Л. Зеленко. Математическое моделирование процесса термического расширения интеркалированного графита. Методическое руководство Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. М., 2008. С. 3-13], заключающийся в том, что в качестве исходного материала используют чешуйчатый пирографит (с. 6), который в виде порошка, представляющего собой смесь пачек из пластин графита - чешуек, погружают при комнатной температуре в смесь, состоящую из концентрированной серной кислоты с добавлением небольшого количества окислителя, чаще всего азотной кислоты, получают соединение - бисульфат графита (с. 7) или интеркалированный графит (ИГ). Отмывают излишки кислот, получают окисленный графит (ОГ). Затем окисленный графит медленно нагревают до умеренных температур (~300°С), получают увеличение объема ОГ в 10 и более раз. После охлаждения полученный материал сжимается до первоначального размера, то есть наблюдается эффект обратимого расширения, при этом конечным продуктом обратимого терморасширения является интеркалированный графит, а не терморасширенный (с. 5). Для получения терморасширенного графита окисленный графит быстро нагревают до более высокой температуры (1000°С и выше), при этом зерна исходного графита увеличиваются в сотни раз без возврата в исходное состояние после охлаждения образовавшихся червеобразных частиц графита (с. 6) и при условии, что высота исходной чешуйки меньше ее поперечного размера.
Таким образом, способ по прототипу ограничен оценкой состояния терморасширения графита этапами: обратимое «терморасширение» и необратимое терморасширение, которые характеризуют возможность графита терморасширяться исходя из того, что при нагревании до 300°С - это расширение графита, а при более высоких температурах и с большей скоростью - терморасширение. Полученная информация недостаточна для получения качественной оценки исходного сырья, от которого зависит качество изготавливаемых в дальнейшем изделий, т.к. отсутствуют данные о полноте графитизации во всем объеме сырья с использованием низкой температуры, о его способности к терморасширению с получением элементов графита червеобразной формы с заданной степенью расширения (ТРГ-пуха).
При этом в известном способе после нагрева окисленного графита до 300°С, которое зафиксировало расширение, но не терморасширение пачек пирографита, следует повторное окисление, а затем повторный нагрев до высоких температур (1000°С) с большой скоростью с получением общей массы терморасширенного графита. Такой подход усложняет способ и снижает качество оценки процесса терморасширения натурального чешуйчатого графита из руды, т.е. в естественном - исходном состоянии его, так как не позволяет более детально выявить первопричину получения некачественных элементов червеобразной формы графита и объяснить, почему не произошло формоизменение пачек графита даже при более высокой температуре и большой скорости нагрева.
Известный способ термообработки окисленного графита показал, что низкие температуры до 300°С воздействуют на него и приводят только к увеличению в объеме пачек графита. Поэтому через некоторое время выдержки на воздухе после охлаждения пачки графита принимают исходное состояние. Но после медленного нагрева до 300°С для дальнейшего терморасширения пачек графита недостаточно подвергнуть их быстрому
воздействию высокой температуры. Необходимо вновь интеркалировать графит, окислить (промыть от избытка интеркалята водой) и быстро нагреть, реализуя термоудар, который и фиксирует терморасширение, делает этот процесс необратимым. Таким образом, использование низких температур не дает возможности этим способом оценить качество исходного натурального графита, поступающего из разных месторождений, различающихся по химическому составу и степени графитизации. Так на с. 9 показано, что в области пониженных температур (200-400°С) и в области высоких температур (800-1000°С) изменение объема меньше, чем в промежуточной области (400-800°С), но объяснения причинно-следственной связи происходящего не дается. А на стр. 12 (см. диаграмму) указано: «что процесс терморасширения состоит из нескольких последовательно протекающих «рывков» расширения в области температуры начала терморасширения», но визуализировать с применением электронного микроскопа (при больших увеличениях) процесс формоизменения терморасширяемого графита не смогли, а оценку терморасширения проводили исходя из общих внешних данных состояния чешуек исходного и окисленного графита.
Настоящее изобретение направлено на повышение качества оценки способности графита к терморасширению и расширение функциональной возможности способа за счет обеспечения определения способности натурального чешуйчатого графита к терморасширению при использовании низких температур.
Указанный технический результат достигается тем, что способ оценки качества терморасширения графита, включающий измельчение чешуйчатого графита с получением элементов в виде пачек - параллельно уложенных пластин графита, интеркалирование, окисление, нагревание окисленного графита, согласно изобретению, что в качестве исследуемого графита используют натуральный чешуйчатый графит, после окисления пачки графита равномерно смачивают спиртовым раствором йода, выдерживают в закрытой емкости, затем нагревают смесь до 200-250°С отбирают часть массы для исследования, исследуют с помощью оптического микроскопа формоизменение пачек, оценивают количественно и качественно готовность к терморасширению исследуемого графита, производя подсчет количества нетерморасширенных окисленных пачек, частично терморасширенных пачек до появления в центральной части элемента в виде червяка, частично терморасширенных пачек с почерневшими пластинками без взаимосвязи между ними и полностью терморасширенных пачек в виде элементов червеобразной формы, затем остальную часть смеси графита со спиртовым раствором йода помещают в нагретую до 300-350°С печь и выдерживают ее при этой температуре до испарения газообразной составляющей продукта реакции и окончания изменения объема терморасширяющейся части графита, фиксируют с помощью оптического микроскопа
последующие формоизменения графита, оценивая качество терморасширения исследуемых элементов графита по формуле:
где КТ - качество терморасширения массы поступающего на исследования натурального чешуйчатого графита, %; Б - количество червеобразных элементов, не имеющих дефектных участков, шт.; Д - количество червеобразных элементов, имеющих дефектные участки, шт.; П - количество нетерморасширенных пачек, шт.
Сопоставительный анализ заявленного способа с прототипом показал существенные отличия. Так в прототипе оценивают процесс терморасширения исходя из общих внешних данных состояния чешуек исходного и окисленного графита. Заявленный же способ учитывает, что исследуемый натуральный графит, имеющий чаще всего морфологические различия и отличающийся структурным состоянием, степенью графитизации материала в пачках измельченного графита, имеет различие и в скорости, и в степени терморасширения.
Такой подход к оценке терморасширения пачек натурального графита с фиксацией червеобразной формы элементов (ТРГ - пуха), в том числе и при низких температурах был обнаружен неожиданно благодаря проведенным нами исследованиям.
Выявлено, что разные по составу и способности к терморасширению пачки окисленного графита позволяют уже при температуре 200-250°С провести качественные морфологические исследования и количественно оценить степень необратимого терморасширения частиц графита, установив подсчетом соотношение количества исследуемых пачек графита, способных к качественному терморасширению при больших (1000-2000°С) температурах, к количеству чешуек или пачек из чешуек не изменивших или почти не изменивших свое состояние, т.е. частиц, загрязненных другой органикой с другой организацией структуры. Например, когда часть пачек осталась без изменения, часть терморасширилась до элементов червеобразной формы, или в части пачек пластины (чешуйки) почернели, расширились и отделились друг от друга, не образуя единый элемент со связями между пластинами, как это происходит при терморасширении качественного графита.
Исследование смеси с использованием оптического (при малых увеличениях), а не электронного микроскопа (как в прототипе), позволил получить более достоверную информацию о эффектах терморасширения, происходящих при высоких скоростях и температурах нагрева, и о качестве исходного сырья уже при низких температурах, что
расширило функциональные возможности способа, позволило оценить качество всей массы поступающего графита после терморасширения через установление соотношения качественной и некачественной доли графита, зафиксировав на одном и том же поле исследования всю массу частиц, позволяя осуществить выходной контроль качества исходного сырья, поставляемого заказчику для получения из него ТРГ-пуха, а также спрогнозировать качество изделий в соответствии с набором полученных данных.
В заявляемом способе используют натуральный чешуйчатый графит - как предмет исследования, в отличие от искусственно получаемого графита - пирографита, который обладает совершенной формой. Натуральный чешуйчатый графит загрязнен примесями. Его свойства, структурное состояние зависят от степени графитизации залежей руды, возможности терморасширения после интеркалирования и окисления. Поэтому у исследуемого материала значительно сложнее оценить способность к терморасширению, чем у искусственного графита (чистого и с совершенной кристаллической структурой) - пирографита. В прототипе низкотемпературный нагрев окисленного графита приводит к обратимому процессу формоизменения пачек после охлаждения. При этом только высокотемпературный скоростной нагрев (выше 400°С) рекомендован для получения червеобразной формы элемента из пачек графита, а оценка качества терморасширения ограничена заявлением о необратимости формоизменения после охлаждения. В заявляемом же способе использована обнаруженная нами, начиная с нагрева при 200°С, способность спиртового раствора йода воздействовать на исследуемый натуральный графит после интеркаляции и окисления, вероятно, в качестве дополнительного окислителя и ускорителя выявления природы графита и его способности необратимо терморасширяться. Причем, эффект необратимого процесса формоизменения пачек выявлен уже при медленном нагреве и температурах - 200-250°С, с одновременным появлением, например, необратимо расширенных, частично терморасширенных, терморасширенных полностью, но с низкой степенью расширения элементов, в виде червеобразных элементов, что позволяет повысить информируемость и, следовательно, оценить поступающий исходный графит на способность к терморасширению, на степень однородности материала и, следовательно, тем самым обратить внимание, на различие в скоростях формоизменения терморасширенного графита для скоростного высокотемпературного режима терморасширения при получении многократно увеличиваемого в объеме элемента с заданной насыпной плотностью.
Постепенное повышение температуры до 300-350°С и выдержка при этой температуре смеси графита с йодом позволили интенсифицировать процесс терморасширения во всем объеме. При этом пачки графита начинают резко видоизменяться с началом испарения газообразной составляющей продуктов химической реакции между компонентами смеси. Графит переходит в состояние необратимого терморасширения из пачек к элементам червеобразной формы. Но пачки, которые представляют собой несовершенную форму графита или содержат много примесей в пачках, терморасширяются в виде дефектных элементов червеобразной формы или остаются необратимо в виде пачек. Это позволяет оценить как качественно, так и количественно степень необходимости дальнейшего терморасширения с заданной насыпной плотностью и заданными свойствами для получения изделия из них. Таким образом, используя оптический микроскоп, исследуют морфологические особенности и степень формоизменения пачек графита по категориям (200-250°С) или по степени совершенства и кратности увеличения объема (до 350°С) и соотношению совершенных форм червеобразных элементов графита к общей исследуемой массе.
Выяснив способность к необратимому терморасширению исходного графита при низких температурах (200-250°С), исследуемую массу нагревают до 300-350°С и выдерживают при этой температуре. Нагрев до температуры ниже 300°С не позволяет выявить разницу между качественно сформированным, дающим высокие показатели свойств в изделиях графитом и некачественными сформированными червеобразными элементами, используя которые получают материал с низкими физико-механическими свойствами. Нагрев свыше 350°С использовать нецелесообразно из экономических и временных соображений (энергосбережение и производительность процесса, соответственно). При нагреве исследуемой массы в пределах 300-350°С йод интенсивно реагирует с массой окисленного графита и начинает испаряться после реакции газообразная составляющая компонентов.
На этапе исследования и при оценке качества исходного натурального графита для получения в дальнейшем терморасширенного графита червеобразной формы с различной степенью расширения, нагрев окисленного графита в спиртовом растворе йода до температуры менее 200°С не дает полной, качественной информации о морфологии, видоизменении части пачек, а нагрев сразу выше 250°С приводит к реализации процесса, связанного со вторым этапом исследования (300-350°С), не позволяя установить первопричинную связь режима терморасширения при быстром высокотемпературном нагреве со степенью неоднородности исходного сырья, влияющие на физико-механические свойства изделий из графита.
Выдерживая смесь в спиртовом растворе йода до нагрева при 300-350°С добиваются полноты проведения химической реакции между окисленным графитом и йодом, который вначале реакции способствует дополнительному окислению и служит катализатором реакции, а затем при дальнейшем нагревании при 300-350°С - как восстановитель графита и ускоритель процесса терморасширения, связывая одновременно серу и золу (примеси), переводя их в летучее состояние. За счет этого обнаруживаются дефектные участки в пачках с образованием дефектной червеобразной формы терморасширенного графита. При этом часть окисленного графита остается не чувствительной к действию йода, что позволяет выявить всю степень совершенства исследуемого графита, его способность к терморасширению.
Выдерживая при температуре 300-350°С массу до окончания газообразования, получают условия, при которых реализуется выявление качественной части терморасширенного во всем объеме графита, и некачественной терморасширенной части, а также пачек, оставшихся без изменений. При этом терморасширение успевает многократно усилиться по сравнению с терморасширением при 200-250°С, что также повышает качество информируемости способа и дает более точную оценку качеству исходного сырья. Повышается и прогнозируемость свойств графита для высокоскоростного высокотемпературного терморасширения.
Сущность способа поясняется фотографиями, полученными с помощью оптического микроскопа для оценки качества исходного сырья.
На фиг. 1 показана пачка окисленных графитовых пластин, не терморасширенных после нагрева до 200-250°С.
На фиг. 2 - пачка окисленных графитовых пластин, частично терморасширенных до появления в центральной части элементов червеобразной формы - ТРГ-пуха (200-250°С).
На фиг. 3 - почерневшая окисленная пачка графита без взаимосвязи между пластинками (200-250°С).
На фиг. 4 - пачка окисленных графитовых пластин, полностью терморасширенных элементов червеобразной формы - ТРГ-пуха (200-250°С).
На фиг. 5 - терморасширение пачек графитовых пластин с образовавшимися дефектными элементами червеобразной формы (температура 300-350°С).
На фиг. 6 - терморасширение пачек графитовых пластин с образованием бездефектных, с высокой степенью расширения элементов червеобразной формы по всему объему (300-350°С).
На фиг. 7 - терморасширение пачек графитовых пластин с образованием элементов червеобразной формы с высокой степенью расширения по всему объему (~1000°С).
На фиг. 8 - терморасширение пачек графитовых пластин с образованием элементов червеобразной формы с высокой степенью расширения по всему объему (1000-1300°С).
Способ осуществляется следующим образом.
Исходный материал - натуральный чешуйчатый графит измельчают до получения порошка, который представляет собой смесь пачек из пластин графита - чешуек. Смесь обрабатывают концентрированной кислотой с окислителем. Получают интеркалированный графит (ИГ). Отмывают его от излишков кислоты. Получают окисленный графит (ОГ). К окисленному графиту добавляют спиртовый раствор йода. Смесь помещают в печь и нагревают до температуры 200-250°С. Затем ее охлаждают на воздухе. Исследуют полученный графит. Для этого отбирают часть смеси из общей массы и тонким слоем насыпают на поверхность прозрачной пластины (например, стеклянной) и с помощью оптического микроскопа (например, металлографического микроскопа Альтами МЕТ-5, при увеличении 50-100 раз) выводят изображение множества элементов на монитор компьютера. Подсчитывают количество нетерморасширенных окисленных пачек (фиг. 1); окисленных графитовых пачек частично терморасширенных до появления в центральной части элемента в виде червяка (фиг. 2) с различной степенью изменения формы пачки, которая зависит от количества пластин - чешуек в пачке и их толщины (высоты); частично терморасширенных пачек с почерневшими пластинками без взаимосвязи между ними (фиг. 3) и тех пачек окисленных графитовых пластин, которые полностью терморасширены в виде элементов червеобразной формы - ТРГ-пуха (фиг. 4). На основании подсчета ориентировочно делают вывод о качестве исходного сырья к дальнейшему использованию. Очевидно, что нетерморасширенные пачки или пачки с плохими связями пластин между собой - это по разным причинам дефектный материал.
То, что выявлено и зафиксировано на фиг. 1, 2 показывает, что графит не имеет совершенной структуры и содержит в составе дополнительно органическую составляющую (недографитизированную до конца), которая является примесью в графите (в пластинах пачке), что отрицательно скажется на дальнейшей операции - стадии терморасширения при высокоскоростном режиме и высокой температуре. В отличие от этого бездефектное качественное терморасширение графита (фиг. 4) дает, в зависимости от температуры и скорости нагрева, различную степень расширения (увеличения в объеме) червеобразных элементов, что повышает качество конечного продукта за счет приобретения ими упругих свойств. Зафиксированное необратимое расширение (фиг. 1) в случае повышения скорости нагрева пачек и температуры (1000-2000°С) даст дефектный продукт и потерю массы в виде сажи (обнаруживаемую только при высоких температурах).
Необратимое терморасширение зафиксированное на фиг. 3 формоизменение пачки, может дать продукт терморасширения в виде червяка со свойствами как совершенного, так и несовершенного графита или вместо части "несовершенного" - сажу (в зависимости от степени графитизации пачки).
Далее оставшуюся часть смеси графита с йодом помещают в нагретую до 300-350°С печь и выдерживают ее при этой температуре до испарения продукта реакции -газообразной составляющей и окончания изменения объема терморасширяющейся части графита. Затем с помощью оптического микроскопа фиксируют произошедшие формоизменения графита и подсчитывают количество:
- червеобразных элементов, не имеющих дефектных участков (Б)-фиг. 6;
- червеобразных элементов, имеющих дефектные участки (Д)-фиг. 5;
- количество нетерморасширенных пачек (П), фиг. 1.
Необратимое терморасширение пачек (фиг. 5) при дальнейшем повышении скорости и температуры нагрева до 1000-2000°С приводит к терморасширению пачки, но путем увеличения в объеме пластин, раскрывая между ними связи, что приводит к получению некачественных элементов, т.к. не реализуется классическое терморасширение объемных (в сотни раз увеличивающиеся пачки) элементов червеобразной формы с непрерывными связями между пластинами.
При необратимом терморасширении пачек (фиг. 6) дальнейшее повышение температуры (1000-2000°С) (фиг. 7, фиг. 8) и скорости нагрева приводит к получению качественных (с высокой степенью терморасширения) элементов червеобразной формы по всему объему (ТРГ-пух) и, следовательно, позволяет получить качественный конечный продукт из них.
Степень качества Кт, исследуемого сырья оценивают по формуле
и руководствуясь рекомендациями, приведенными в таблице, делают выводы о возможности его использования для получения определенных изделий.
Заявленный способ имеет следующие преимущества перед прототипом:
- способ уточняет и расширяет информацию о процессе терморасширения за счет поэтапного воздействия на исходный предварительно интеркалированный, а затем окисленный графит, температурой 200-250°С, 300-350°С и фиксации видоизменения в пачках и видоизменения в структуре пластин чешуйчатого графита и терморасширенного червеобразного элемента;
- способ впервые низкотемпературное воздействие на графит перевел из процесса обратимого терморасширения (прототип) в процессе необратимого - за счет применения спиртового раствора йода;
- способ позволяет повысить информируемость обо всех видоизменениях окисленных пачек графита за счет использования оптического микроскопа (х50-100), позволяющего фиксировать все состояния изменения вида множества пачек графита на одном поле исследования, что, в свою очередь, повышает качество контроля за состоянием поступающего графита, повышая тем самым качество оценки процесса терморасширения.
Claims (6)
- Способ оценки качества терморасширения графита, включающий измельчение чешуйчатого графита с получением элементов в виде пачек параллельно уложенных пластин графита, интеркалирование, окисление, нагревание окисленного графита, отличающийся тем, что в качестве исследуемого графита используют натуральный чешуйчатый графит, после окисления пачки графита равномерно смачивают спиртовым раствором йода, выдерживают в закрытой емкости, затем нагревают смесь до 200-250°С, отбирают часть массы для исследования, исследуют с помощью оптического микроскопа формоизменение пачек, оценивают количественно и качественно готовность к терморасширению исследуемого графита, производя подсчет количества нетерморасширенных окисленных пачек, частично терморасширенных пачек до появления в центральной части элемента в виде червяка, частично терморасширенных пачек с почерневшими пластинками без взаимосвязи между ними и полностью терморасширенных пачек в виде элементов червеобразной формы, затем остальную часть смеси графита со спиртовым раствором йода помещают в нагретую до 300-350°С печь и выдерживают ее при этой температуре до испарения газообразной составляющей продукта реакции и окончания изменения объема терморасширяющейся части графита, фиксируют с помощью оптического микроскопа последующие формоизменения графита, оценивают качество терморасширения исследуемых элементов графита по формуле:
-
- где КТ - качество терморасширения исследуемого натурального чешуйчатого графита, %;
- Б - количество червеобразных элементов, не имеющих дефектных участков, шт.;
- Д - количество червеобразных элементов, имеющих дефектные участки, шт.;
- П - количество нетерморасширенных пачек, шт.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018103609A RU2686906C1 (ru) | 2018-01-30 | 2018-01-30 | Способ оценки качества терморасширения графита |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018103609A RU2686906C1 (ru) | 2018-01-30 | 2018-01-30 | Способ оценки качества терморасширения графита |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2686906C1 true RU2686906C1 (ru) | 2019-05-06 |
Family
ID=66430676
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018103609A RU2686906C1 (ru) | 2018-01-30 | 2018-01-30 | Способ оценки качества терморасширения графита |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2686906C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112485286A (zh) * | 2020-10-29 | 2021-03-12 | 西安近代化学研究所 | 约束下检测压装炸药体积不可逆膨大的装置及方法 |
| CN113753888A (zh) * | 2021-10-21 | 2021-12-07 | 青岛洛唯新材料有限公司 | 一种可膨胀石墨及其制备方法和生产系统 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01160609A (ja) * | 1987-12-18 | 1989-06-23 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 膨張黒鉛シートの製造方法 |
| SU1657473A1 (ru) * | 1988-07-11 | 1991-06-23 | Институт элементоорганических соединений им.А.Н.Несмеянова | Способ получени термически расширенного графита |
| RU2471166C1 (ru) * | 2011-07-01 | 2012-12-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный технический университет" | Способ выявления структуры графита |
-
2018
- 2018-01-30 RU RU2018103609A patent/RU2686906C1/ru active IP Right Revival
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01160609A (ja) * | 1987-12-18 | 1989-06-23 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 膨張黒鉛シートの製造方法 |
| SU1657473A1 (ru) * | 1988-07-11 | 1991-06-23 | Институт элементоорганических соединений им.А.Н.Несмеянова | Способ получени термически расширенного графита |
| RU2471166C1 (ru) * | 2011-07-01 | 2012-12-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный технический университет" | Способ выявления структуры графита |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| YA-PING CHEN et al., Optimization of initial redox potential in the preparation of expandable graphite by chemical oxidation, Carbon, 2014, v. 70, p. 320. * |
| ХЕЙФЕЦ Л.И., ЗЕЛЕНКО В.Л., Математическое моделирование процесса термического расширения интеркалированного графита, Методическое пособие МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, 2008, с. 3-13. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112485286A (zh) * | 2020-10-29 | 2021-03-12 | 西安近代化学研究所 | 约束下检测压装炸药体积不可逆膨大的装置及方法 |
| CN112485286B (zh) * | 2020-10-29 | 2023-09-12 | 西安近代化学研究所 | 约束下检测压装炸药体积不可逆膨大的装置及方法 |
| CN113753888A (zh) * | 2021-10-21 | 2021-12-07 | 青岛洛唯新材料有限公司 | 一种可膨胀石墨及其制备方法和生产系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2686906C1 (ru) | Способ оценки качества терморасширения графита | |
| Huang et al. | An efficient ab-initio quasiharmonic approach for the thermodynamics of solids | |
| Kabeya et al. | Boson peak dynamics of glassy glucose studied by integrated terahertz-band spectroscopy | |
| Bruneseaux et al. | In situ characterizations of phase transformations kinetics in the Ti17 titanium alloy by electrical resistivity and high temperature synchrotron X-ray diffraction | |
| Johnson | Tritium behavior in lithium ceramics | |
| Leder et al. | Characteristic energy losses of electrons in carbon | |
| Lu et al. | Electronic, mechanical, and thermodynamic properties of americium dioxide | |
| Aguilera et al. | Color-spin locking phase in two-flavor quark matter for compact star phenomenology | |
| Wang et al. | Nonlinear dynamic behaviors of the fractional (3+ 1)-dimensional modified Zakharov–Kuznetsov equation | |
| Wang et al. | Influence of spark plasma sintering conditions on microstructure, carbon contamination, and transmittance of CaF2 ceramics | |
| Tian et al. | Thermal conductivity of vitreous silica from molecular dynamics simulations: The effects of force field, heat flux and system size | |
| Khomenko et al. | Effect of stochastic processes on structure formation in nanocrystalline materials under severe plastic deformation | |
| Umidbek Turg‘unboy o‘g | TECHNOLOGICAL EVALUATION OF GRAPHITE AND ITS PROPERTIES | |
| Popov et al. | Raman spectra of fine-grained materials from first principles | |
| Kwon et al. | 4D visualization of embryonic, structural crystallization by single-pulse microscopy | |
| Gong et al. | Tuning thermal expansion by a continuing atomic rearrangement mechanism in a multifunctional titanium alloy | |
| Pastore et al. | A model-system of Fickian yet non-Gaussian diffusion: Light patterns in place of complex matter | |
| Wang et al. | Design and Directional Growth of (Mg1− xZnx)(Al1− yCry) 2O4 Single‐Crystal Fibers for High‐Sensitivity and High‐Temperature Sensing Based on Lattice Doping Engineering and Acoustic Anisotropy | |
| Bagatskii et al. | The low-temperature heat capacity of fullerite C60 | |
| He et al. | Photoinduced strain release and phase transition dynamics of solid-supported ultrathin vanadium dioxide | |
| Liu et al. | Effects of microdefects and grain size on the phase transition properties of Nano-VO2 (M) | |
| Bidault et al. | Dynamic formation of nanodiamond precursors from the decomposition of carbon suboxide (C3O2) under extreme conditions—A ReaxFF study | |
| Wang et al. | A phase-field study on the oxidation behavior of Ni considering heat conduction | |
| Marshall et al. | Elastic Constants of KF from 300° to 4.2° K | |
| Sun et al. | Investigation of the thermal stability of PtO2 and dislocations in Pt wire |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200131 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20201210 |