CC BY
16
УДК 66.621.979
В.М. Шопин, К.И. Дмитриев, С.А. Змейков
Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, г. Омск
ИЗУЧЕНИЕ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛОТНОУПАКОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА
В последние годы растет интерес к наноразмерным углеродным материалам и композициям на их основе. Это обусловлено уникальностью физико-химических свойств указанных материалов и расширяющимся диапазоном их применения [1-4]. В этой связи особый интерес представляют плотноупакованные материалы на основе технического углерода. Заполнение межглобулярных пустот углеродной матрицы полупроводниковыми или сверхпроводящими металлами, ферромагнетиками позволит создать уникальные трехмерные наносистемы, в которых могут проявиться наномасштабные эффекты [1].
244
Целью данной работы является изучение условий получения материала с плотной упаковкой частиц технического углерода (ПУМ).
Для исследований использовали образцы технического углерода с различными физикохимическими свойствами (таблица 1).
Таблица 1
Физико-химические свойства исходных порошков технического углерода
№ п/п Показатели Т 900 П 161 N 326
1 Удельная площадь поверхности по адсорбции азота, м2/г 7,65 216,0 72,3
2 Структурность по абсорбции ДБФ, мл/100г 30 55 69
3 Насыпная плотность, г/см3 0,33 0,28 0,24
Предварительная подготовка образцов для получения ПУМ заключалась в диспергировании исходного технического углерода в высокоскоростной воздушной струе с образованием аэрозольного потока. Частицы аэрозоля с размерами выше 1,5 мкм удалялись из потока в фильтре со слоем углеродных гранул. Тонкодисперсный аэрозольный поток после фильтра осаждался с образованием водной суспензии дисперсного углерода с добавками анионного ПАВ СВ-1019 и катионного ПАВ цетил-пиридинийхлорид (ЦПХ) для осаждения крупных агрегатов дисперсного углерода. Из суспензии после смешения, коагуляции, осаждения, фильтрации и сушки порошка выделялся образец дисперсного углерода для ПУМ.
Исходные порошки дисперсного углерода П 161 и N 326 подвергались механической активации в шаровой мельнице при 100§.
Для получения ПУМ использовалась пресс-форма из жаропрочной инструментальной стали 4Х4ВМФС. Пресс-форма имела электрообогрев до температуры 12000С и возможность прессования образцов в инертной среде. Образцы ПУМ получались на лабораторном гидравлическом прессе 111 Р-4. Для определения предела прочности образов ПУМ на разрушение использовали прибор СRUSH - ВК.
В результате проведенных исследований установлено, что плотность ПУМ при равных условиях тем выше, чем ниже показатель абсорбции ДБФ образца дисперсного углерода. При этом зависимость плотности ПУМ от давления прессования для всех образцов имеют явно выраженный максимум при давлении около 500 МПа (рис. 1 а).
Исследованиями полученных образцов ПУМ установлено, что их прочность растет с
увеличением давления прессования и снижением показателя абсорбции дибутилфталата исходных порошков дисперсного углерода (рис. 1 б).
Из таблицы 2 видно, что механическая активация порошков исходного дисперсного углерода позволяет увеличивать плотность ПУМ при одном и том же давлении прессования на 5-10 %.
Исследованиями плотности образцов ПУМ, полученных при прокаливании в интервале температур от 600 0С до 12000С не было обнаружено явно выраженной зависимости плотности образца от температуры прокаливания (рис. 2)
245
1,4
1,35
1,3
1,25
1,2
1,15
1,1
1,05
СІ
3
3
2
2,25
2
Давление прессования, МПа
Давление прессования образца, МПа
а. б.
Рис. 1. Зависимость плотности ПУМ (а) и прочности образца (б) от давления прессования:
1 - ПУМ на основе дисперсного углерода N 326;
2 - ПУМ на основе П 161; 3 - ПУМ на основе Т 900.
Характеристика образов ПУМ с наивысшей плотностью материала (давление прессования 500 МПа)
Таблица 2
1,75
1,5
1,25
2
0,75
0,5
1
1
0,25
200
300
400
500
700
0
№ п/п Материал ПУМ Плотность материала, г/см3 Координационное число (Кч) Давление разрушения образца, МПа
1 N 326 1,28 8 0,085
2 N 326 (мех. актив.) 1,35 8 0,098
3 П 161 1,20 7 0,075
4 П 161 (мех. актив.) 1,33 8 0,100
5 Т 900 1,31 8 0,106
с
(О
:у
«о
(О
&
о
о
о
£
є
о
С=
1,35
Т900
1,3
П161 мех.акт.
N326 мех.акт.
1,25
П161
1,2
N326
1,15
1,4
600
700
800
900
1000
Температура прокалки образца ПУМ, С
1100 1200
0
Рис. 2. Зависимость плотности образца ПУМ на основе дисперсного углерода
от температуры прокаливания
246
Заключение
1. Предварительная подготовка дисперсного углерода диспергированием и механической активацией порошков при 100§ создает благоприятные условия для получения ПУМ
2. Получены ПУМ из порошков дисперсного углерода в обогреваемой пресс-форме при температуре прокалки образца до 12000С с подачей инертного газа в зону прессования.
Установлено, что плотность упаковки при давлениях прессования от 260 МПа до 660 МПа тем выше, чем ниже показатель абсорбции дибутилфталата образца дисперсного углерода.
Плотность упаковки не зависит от температуры прокаливания образца в диапазоне от 600 0С до 12000С.
Прочность ПУМ тем выше, чем ниже показатель абсорбции дибутилфталата образца дисперсного углерода и выше давление прессования.
Библиографический список
1. Пул, Ч. Нанотехнологии [Текст] / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. - М. : Техносфера, 2005. - 363 с.
2. Суздалев, И. П. Нанотехнология: физикохимия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов [Текст] / И. П. Суздалев. - М. : КомКнига, 2006. - 592 с.
3. Харрис, П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века [Текст] / П. Харисс. - М. : Техносфера, 2003. - 336 с.
4. Дьячков, П. Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применения [Текст] / П. Н. Дьячков. - М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - 293 с.
