Области применения и получение терморасширенного графита Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ

УДК 541.138:541.452:621.357.2

А.И. Финаенов, А.И. Трифонов, А.М. Журавлев, А.В. Яковлев

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ПОЛУЧЕНИЕ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА

Описаны свойства терморасширенного графита, области его применения. Дана сравнительная характеристика химического способа получения и электрохимического синтеза терморасширяющихся соединений графита с кислотами. Приведены примеры анодной обработки графита, показывающие возможность получения соединений с заданными свойствами.

A.I. Finaenov, A.I. Trifonov, A.M. Zhuravlev, A.V. Yakovlev THERMALLY EXPANDED GRAPHITE OBTAINING AND APPLICATION

This paper concentrates on the properties of thermally expanded graphite and spheres of its application. A comparative characteristic of a chemical method and electrochemical synthesis of thermally expanding graphite compounds with acids is given. Examples of an anodic treatment of graphite showing potentiality of obtaining of compounds with desired properties have been listed in this work.

Однокомпонентные системы из углерода представлены многообразием структурных форм: алмаз; графит; угли, углеродные волокна, сажи; недавно открытые фуллерены и нанотрубки. Относительно новый материал - терморасширенный графит (ТРГ) также состоит из чистого углерода, но имеет пеноподобную структуру. Насыпная плотность (dTPf) образцов ТРГ колеблется в широких пределах (1^10 г/дм ) и определяется условиями его получения [1-3]. Пикнометрическая плотность ТРГ по воде составляет 0,4-0,9 г/см [4], удельная поверхность равна 15^100 м2/г углерода. Как и графит, ТРГ химически инертен, электропроводность и теплопроводность определяются поровой структурой материала и могут варьироваться в широких пределах.

Общий принцип, заложенный в основу различных методов получения ТРГ, заключается во внедрении в межслоевые пространства графита веществ или соединений, которые при быстром нагреве либо сами переходят в газообразное состояние, либо продукты их распада являются газами [5,6]. Прямому термоудару может подвергаться интеркалированный графит (ИГ) с солями, например, C6FeC13 [7], СхМоС15 [8]. При образовании токсичных продуктов или для получения ТРГ повышенной чистоты, ИГ предварительно до термообработки (ТО) гидролизуется. Так в ИГ с кислотами в результате гидролиза происходит полная замена интеркалата (внедренного слоя) на гидроксил-ионы и воду [9]:

С+24И80-4 ' 2ЩБ0 + ЗН2О ^ С+240Н" • 2Н20 + 3И2804 . (1)

Механизм преобразования ИГ в пенографит еще недостаточно понятен. Авторы [10] предполагают, что после быстрого удаления некоторого количества внедренных частиц из межслоевого пространства графитовой матрицы углеродные сетки обрушиваются, разрушая соседние плоскости. В обзоре [11] процесс терморасширения графита представляется как фазовый переход, вызванный выходом интеркалирующего агента из ИГ. Степень вспенивания зависит от условий синтеза и состава полученного ИГ, а также от структуры и размеров частиц исходного углеродного сырья. По мнению авторов [11], размер зерен исходного графита должен быть >75 мкм с размерами кристаллов не менее 75 нм. Подобные данные приводятся и в работе [12].

Согласно [13], первоначально при расширении происходит расщепление кристаллитов вдоль оси «С» на тонкие пачки-ленты из небольшого числа атомных плоскостей с одновременной их деформацией, в результате чего образуется объемная складчатая структура. Движущей силой данного процесса является стремление частиц к минимизации поверхности при данном объеме. Возникающие при этом червеобразные и цилиндрические формы частиц представляют собой закрытую поверхность, внутри которой, по-видимому, содержатся остаточные продукты разложения (рис. 1). Авторы [13] морфологию пенографита образно представляют в виде произвольно скрученных тонких листов бумаги. Они также констатируют, что при термообработке происходит уменьшение размеров кристаллитов по оси «С» и снижение степени кристаллического порядка. В работе [14] отмечается, что размеры кристаллитов по оси «С» практически не изменяются.

а б

Рис.1. Микроструктура ТРГ: а)увеличение х 20, б)увеличение х 60

Червеобразная форма частиц пенографита объясняется разворотом плоских углеродных сеток, расклиниваемых по торцевой поверхности кристаллита поверхностными группами. Влияние структуры исходного графита на процесс последующего терморасширения обсуждается в работах [12,15], в которых показано, что наличие дефектов и снижение степени упорядоченности вдоль оси «С» уменьшают степень вспенивания.

Обобщая представленные данные, можно утверждать, что при быстром нагреве ИГ или продуктов их гидролиза между слоями углеродных сеток в графите возникает давление, оказывающее диспергирующее действие. Деинтеркаляция из графитовой матрицы осуществляется как через торцы слоев, так и через имеющиеся дефекты, вызывая разрыв и подвижку слоев. При высоких скоростях нагрева это приводит к образованию пеноподобных структур.