CC BY
15
УДК 621.357.7
Хазанов Н.А., Писарев Д.А., Солонин М.Д., Аснис Н.А., Григорян Н.С.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ НИКЕЛЕВОГО ВЫСОКОПОРИСТОГО ЯЧЕИСТОГО МАТЕРИАЛА (ВПЯМ) С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕНОПОЛИУРЕТАНОВОЙ МАТРИЦЫ
Хазанов Николай Андреевич, студент 1 курса магистратуры кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии, e-mail: khazanovk@mail.ru;
Писарев Дмитрий Андреевич студент 4 курса бакалавриата кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии;
Солонин Михаил Дмитриевич, аспирант кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; Аснис Наум Аронович, к.т.н., ведущий инженер кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; Григорян Неля Сетраковна, к.х.н., профессор кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, ул. Миусская площадь, д. 9
Исследован процесс никелирования ППУ в зависимости от состава электролита и параметров электролиза. Модифицирован состав электролита и определены параметры процесса электроосаждения, позволяющие получать на поверхности пенополиуретана никелевые покрытия, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к носителям катализаторов для нанесения каталитически активных покрытий.
Ключевые слова: металлические катализаторы, металлизация высокопористых ячеистых материалов, никелирование, композитные никелевые покрытия, металлические высокопористые ячеистые материалы, никелевый ВПЯМ.
PRODUCTION OF NICKEL-BASED, HIGHLY POROUS CELLULAR MATERIAL (HPCM) USING A POLYURETHANE FOAM MATRIX
Khazanov N.A., Pisarev D.A., Solonin M.D., Asnis N.A., Grigoryan N.S. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In the course of the work, studies were carried out aimed at studying the process of nickel plating ofpolyurethane with different deposition parameters. As a result of the research work, the composition of the electrolyte and the parameters of the electrodeposition process were developed, which make it possible to obtain coatings that meet the requirementsfor catalyst carriers for the deposition of catalytically active coatings.
Keywords: metal catalysts, metallization of highly porous cellular materials, nickel plating, composite nickel coatings, metal highly porous cellular materials (HPCM).
Каталитические процессы широко
используются в различных отраслях промышленности для реализации всевозможных процессов [1].
Широкое распространение находят гранулированные и блочные носители катализаторов. Первый тип характеризуется высокой удельной поверхностью, низкой стоимостью и простотой в производстве. Однако, данная структура обладает рядом недостатков, которые ограничивают повсеместное применение в химической промышленности. В частности, они имеют низкую стойкость механическому истиранию под действием сильных потоков и, зачастую, высокое сопротивление проходящим потокам. Данный недостаток решается использованием блочных носителей, которые уступают гранулированным в удельной поверхности [2-3].
Среди блочных носителей катализаторов особый интерес представляют носители на основе высокопористых ячеистых материалов (ВПЯМ) ввиду низкого гидро- и аэродинамического сопротивления. ВПЯМ могут быть керамическими или металлическими. Керамические ВПЯМ обладают высокой удельной поверхностью, но не стойки к механическим воздействиям и термоударам.
Металлические ВПЯМ являются
перспективными носителями катализаторов, так как перекрывают недостатки гранулированных
катализаторов, такие как высокое аэродинамическое
сопротивление и истираемость с последующим уносом из зоны реакции, а также керамических ВПЯМ, обладающих недостаточной прочностью [4].
Никелевые ВПЯМ обладают высокой теплопроводностью и устойчивостью к кратковременным перепадам температур по сравнению с керамическими аналогами. Никель устойчив в агрессивных средах, что даёт возможность использовать его в разнообразных каталитических процессах. Все это делает никелевые ВПЯМ интересным материалом-носителем для современных катализаторов. Вместе с тем по площади удельной поверхности никелевые ВПЯМ существенно уступают порошковым структурам типа цеолит. В связи с этим часто поверх никелевой матрицы стараются нанести подобные цеолитам структуры. Однако, никелевые покрытия имеют низкую адгезию к оксидным слоям, что может приводить приводит к уносу каталитического материала [2-3].
Таким образом, создание металлической матрицы катализатора на основе никелевого ВПЯМ с улучшенной адгезией к последующему оксидному слою является актуальной научно-технической задачей.
В данной работе был усовершенствован процесс изготовления высокопористого ячеистого металлического материала методом копирования пенополиуретановой матрицы. Схема получения ВПЯМ представлена на Рис. 1
Рис. 1 Полный цикл получения ВПЯМ
Для реализации гальванического осаждения никеля на пенополиуретановые образцы необходимо обеспечить электрическую проводимость поверхности диэлектрика.
Из доступных методов придания электропроводности (нанесение токопроводящего лака и химическая металлизация) выбор был сделан в пользу химического никелирования с учетом большей равномерности получаемого
электропроводящего никелевого слоя у поверхности и в глубине образца.
Толщина слоя химического никеля на полимерной матрице составляла до 3 мкм, а содержание фосфора в покрытии 3-5%.
Процесс гальванического никелирования проводили до увеличения массы никелированного образца ППУ за счет электролитического никеля на 1315 г. Средняя скорость осаждения гальванического слоя составил 0,5 г/ч.
Для оценки работоспособности электролитов при низких плотностях тока, которые реализуются на дальних от анодов участках, т.е. в глубине образца ВПЯМ, были проведены исследования с применением ячейки Хулла для всех исследуемых электролитов.
По завершении электролиза из металлизированных образцов ВПЯМ изготавливались поперечные шлифы на ручном шлифовально-полировальном станке, в качестве заливки использовалась эпоксидная смола.
С помощью фотографий поперечных шлифов образцов были измерены толщины никелевых слоев, полученных электролизом из модифицированных электролитов никелирования.
По соотношению толщин никелевого покрытия в глубине и на поверхности оценивали распределение толщины никелевого слоя на поверхности и в объеме пористого образца.
До последующего нанесения каталитического слоя на никелевый ВПЯМ пенополиуретановую матрицу необходимо удалить из никелированного образца ВПЯМ. Пенополиуретан может быть удален путем отжига при высокой температуре, поскольку не
является термостойким, при воздействии высоких температур будет испаряться через поры металлического покрытия. Однако, при термической обработке металла необходима дополнительная защита поверхности металла от окисления с помощью восстановительной атмосферы.
В лабораторных опытах был применен метод двухстадийной термообработки. На первой стадии происходило нагревание образца в воздушной атмосфере при 200 °С в открытом тигле в течение 2-3 ч, пенополиуретан внутри него размягчался, закипал и переходил в газообразное состояние, после чего на второй стадии температура повышалась до 450 °С, в тигель добавлялся карбонат аммония, после чего, тигель закрывался крышкой для создания инертной атмосферы. На данной стадии происходила термостабилизация никеля, частично устранялись внутренние напряжения в никеле.
Т.о., в результате проделанной работы разработан процесс никелирования ППУ с целью создания высокопористого ячеистого металлического материала, состоящий из следующих стадий: подготовка к химическому никелированию => химическое никелирование => гальваническое никелирование => двухстадийная термообработка с целью удаления пенополиуретановой матрицы и ослабления внутреннего напряжения никеля.
Список литературы
1. «Технология катализаторов» (учебник). Под ред. Мухленова И.П. - 3-е. изд., перераб. Ленинград: Химия 1989г. 19с
2. Стайлз Э.Б. Носители и нанесённые катализаторы. Теория и практика: Пер. с англ. / Под ред. А.А. Слинкина. М.: Химия, 1991. 240 с.
3. Arnoldy P., et al. Temperature-programmed reduction of АЪОз-, SiO2- and rhenium oxide (Re2O7) catalysts. J: Catal. 93. (1985). P. 231-245.
4. Сравнительная оценка свойств блочных носителей сотового и ячеистого строения с точки зрения использования в процессах каталитической очистки газов / Леонов А. И. Сморыго О. Л., Ромашко А. Н. и др. // Кинетика и катализ. 1998. Т.39, №5. С. 691-700.
