CC BY
19
УДК 661 666.4
Ю.Б. CypoettKUH, Yu.V. Surovikin, e-mail: [email protected]
А.Г. Шайтанов, A.G. Shaitanov, e-mail: shagomsfcQfambler.m
Ю.Л. Цветков, Yu.A. Tsvetkov, e-mail: [email protected]
И.В. Резанов, I. V. Rezanov, e-mail: [email protected]
Институт проблем переработки углеводородов СО РАН. г. Омск, Россия
Institute of Hydrocarbons Processing SB RAS. Omsk. Russia
ВЛИЯНИЕ ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОЙ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫЕ СВОЙСТВА ЧАСТИЦ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА
INFLUENCE THERMO-OXIDATIVE AND THERMAL TREATMENT ON THEELEC TRIC AL CONDUCTIVITY PROPERTIES OF THE PARTICLES
OF CARBON BLACK
Показано влияние термоокислительной обработки на структуру е электропроводные свойства нано-днсперсного глобулярного углерода (НДГУ) П234. Исследование строения частиц НДГУ П234 мегода_чн КРС и PC:А проведено в сравненин с НДГУ N234. Корреляция между степенью гермоокислнтельного воздействия, температурой обработки и электросопротивлением НДГУ интерпретируются через изменения структурных характеристик L,, и lot Взаимосвязь электропроводящих свойств с температурой термического нагрева имеет немонотонный характер.
Shown The effect of theruio-oxidative treatment on the structure and conductive properties of nanosized globular carbon (NGC) P234 Investigation of the structure of the particles NGC P234 Raman and XRD methods carried out ш comparison with NGC N234. A correlation between the degree of thermal-oxidative effects, treatment
110
temperature and electrical resistance NGC interpreted through changes in (he structural characteristics of L, and ГцЛе-Relationship conductive properties with temperature thermal heating is not monotonous character.
Ключевые слова: ианодисщкиый глобулярный углерод, электрическое сопротивление, методы КРС и РСЛ, термоокислительнш обработки, термообработка.
Keywords: miуюsized globular carbon, electrical resistance, Raman and XRD methods, thermo-oxidative treatment, heat treatment.
Работа является продолжением исследований по развитию физико-химических основ процесса получения нанодисперсного глобулярного (технического) углерода, изучению его свойств и созданию на этой основе ряда новых углеродных функциональных материалов. обладающих улучшенными характеристиками, применяемых в сорбционных и электрофизических процессах [1]. Широко известный и достаточно востребованный электропроводный технический углерод, получаемый при термическом разложении углеводородов печным способом, один из примеров таких материалов [2-4]. Важной областью его применения является изготовление различных типов химических источников тока (ХИТ), отличающихся принципом действия и выполняемыми задачами [5.6].
В настоящей работе приведены результаты одного из этапов исследований направленных на установление закономерностей «структура-ствойство» для нанодисперсного глобулярного углерода (НД1 У), возникающих в результате термоокислительного (ТОО) или термического воздействия (ТО). Рассмотрены изменения в микроструктуре и электрофизических свойствах, возникающих в результате ТОО на неэлектропроводный образец НДГУ марки П 234 (ГОСТ 7885-86). ТОО проводили водяным паром в лабораторных условиях в подвижном слое образца при температуре 900 °С и различных временах контакта. Структурные характеристики полученных образцов сравнивались с аналогичными характеристиками для НДГУ N234. прошедшего ТО в инертной среде в широком интервале температур до 3000 К [7]. Практически монотонное падение электрического сопротивления порошка НДГУ П 234 с увеличением степени термоокислительной обработки (г|) демонстрирует рис. 1. Изменение г[ от 0 до 77% приводит к более, чем двукратному падению электросопротивления.
Комплексные исследования микроструктурных изменений частиц образца П234, происходящих при термоокислительном воздействии, а также близкого по свойствам НДГУ N234 только при термическом нагреве, показывают, что параметры внутренней структуры частиц (doo:, Lc. FWHMd, Id Ig, FWHMg и пр.) этих порошков, определяемые разными методами, претерпевают аналогичные изменения, частично отраженные (L^, L,: Il/Ig) на рис. 2, 3. Однако, соответствующие данные по изменению электро-сопротивления порошка НДГУ N 234 (и других марок НДГУ) по мере термического воздействия в иссле-дованном диапазоне температур, а также его взаимосвязь с изменениями параметров L¡ и Lc в работе [7] не рассматривались.
В этой связи были проведены исследования влияния ТО на электросопротивление частиц НДГУ П 234. Термическое воздействие осуществляли в печи Таммана в диапазоне температур от 1100 до 2800 °С в среде Nj Результаты измерений приведены на рис. 4 и 5. Оказалось, что зависимость R от температуры не имеет монотонного характера: до темпера-
Рнс. 1. Влияние термоокнсшпельнон обра&ошн (i]. %) на величину электросопротивления (R, Ом) столбика порошка высотой Н = 7мм образцов БДГУ П234
стных слоев. Такой механизм снижения: общего электросопротивления приповерхностных областей частиц НДГУ наиболее вероятен, т.к. в этом случае подвижные л-электроны делокализуются в графеновых плоскостях с возрастающей пространственной протяженностью в направлении L-
Дальнейший рост R с увеличением температуры от 1600 до 2800 °С (при продолжающемся росте Lj скорее всего обусловлен изменением под воздействием высоких температур соотношения различных конфигураций краевых атомов графеновых плоскостей на поверхности частиц, а в приповерхностной зоне в пользу структур типа «zig» или «armchair» с поел едующим частичным возвратом от «металлического» характера проводимости к «полупроводниковому» [8, 9| В тоже время экспериментально установлено, что при термообработке в интервале температур от 1600 до 2800 °С, так же, как и в предыдущем интервале 1000-1600 °С, наблюдается снижения отношения интенсивностен полос D и G. что несколько противоречит наблюдаемым изменениям R исследуемых порошков (рис. 3).
Отсутствие ожидаемого монотонного падения электросопротивления (аналогичного падению при термоокислительном воздействии) во всем рассматриваемом температурном диапазоне термического воздействия представляет несомненный интерес, и выяснение причин наблюдаемого поведения свойств НДГУ становится одной из важных задач в последующих исследованиях взаимосвязи электрофизических свойств и внутренней микроструктуры частиц рассмотренных объектов, демонстрирующих сложный характер.
Библиографический список
1 Суровикин, В. Ф. Современные тенденции развития методов и технологии получения нанодисперсных углеродных материалов / В. Ф Суровикпн И Рос. хим. журн. - 2007. -Т. 41, № 4. — С. 92—67.
2. Исследование печного процесса получения электропроводящего технического углерода / В. Ф. Суровикнн. В. Н. Аникеев 3 Г. В. Сажин. Л. Г. Туренко И Получение и свойства электропроводящего технического углерода. - М. : ЦНИИТЭнефтехим, 1981. - Вып. 4. -С 16-26.
3. Влияние паровой активации на электропроводность нанодисперсного углерода I
B. Ф. Суровикин, А. Г. Шайтанов, H. Н. Леонтьева, В. А. Дроздов // ХТТ. - 2009. - № 5. -
C. 61-72.
4. Влияние термоокислительной обработки частил технического углерода на их структурные характеристики и электропроводность / В. Ф. Суровикин, А. Г. Шайтанов. Ю. В. Суровикин и др. // Динамика систем, механизмов и машин - Омск: ОмГТУ, 2012 г. -№. 3. — С. 234-238.
5 Kmoshita, К. Carbon: electrochemical and physicocheoncal properties / К. Kinoshita. -N.Y. : Wiley-Int., 193S.-560 p.
6 Electrical conductivity of conductive carbon black f D. Pantea, H Darmstadt. S Kaliaguine, С. Roy ¡í Applied Surface Science. - 2003. - Vol. 217. - P 181-193.
7 Gruber, T. Raman studies of heat-treated carbon blacks / T. Gruber, T. W Zerda, M. Gerspacher П Carbon. - 1994. - Vol. 32, № 7. - P. 1377-1382.
В Исследование электропроводного нанодисперсного углерода методом KP спектроскопии / А. Г. Шайтанов. Ю. В. Суровикин, А. Д. Морозов. И. В. Резанов И Каучук и резина. -2013.-№3_-С. 32-35.
9 Daner. A. Functional surface chemistry of carbon-based nano structures : dis. ... Ph.
D. materials science and engineering / Daner Abdula. - Urbana, 2011. - 135 p.
