Ученые ПНИПУ определили эффективный способ очистки графита

Уже сегодня терморасширенный графит незаменим для создания термостойких уплотнений в авиадвигателях, эффективных сорбентов и специальных покрытий, а в перспективе его свойства позволят совершить рывок в развитии гибкой электроники, передовых систем хранения энергии и фильтрации нового поколения.

Представьте себе материал, способный выдерживать температуры реактивного двигателя, поглощать нефтеразливы как губка, в разы увеличивать емкость аккумуляторов и служить основой для смартфонов, которые можно свернуть в трубочку. Этот материал — терморасширенный графит, и рождается он из скромного минерала, знакомого нам по обычному карандашу.

Но для получения этого материала есть строгое условие — высочайшая чистота исходного сырья. К сожалению, графит, добытый из недр, всегда содержит примеси — частицы песка, глины и оксидов металлов, которые не только снижают качество конечного продукта, но и делают сам процесс преобразования невозможным. Основная проблема современной промышленности заключается в том, что существующие методы очистки зачастую слишком грубы: агрессивные реагенты и экстремальные температуры, уничтожая примеси, одновременно разрушают идеальную слоистую структуру графита. Такое поврежденное вещество теряет свою ключевую способность — при быстром нагреве многократно расширяться, образуя легкий и прочный пористый каркас. Из-за чего он становится непригодным для применения в авиации, ядерной энергетике и электронике, отраслях, требующих безупречных эксплуатационных характеристик.

Чтобы найти эффективный способ очистки природного графита, учёные Пермского Политеха сравнили несколько промышленных методов. Традиционно выбор технологии очистки графита зависит от двух основных факторов: состава исходного сырья и требований, предъявляемых к очищенному продукту.

Ученые Пермского Политеха применили стратегический подход: оценили, насколько метод совместим со всем производственным циклом. Ключевым стал вопрос: можно ли получить не просто чистый, а «технологически готовый» графит, который подойдёт для последующих стадий интеркалирования и терморасширения без повреждения слоистой структуры.

Такой подход особенно актуален, потому что до последнего времени для производства терморасширенного графита использовался готовый интеркалированный графит, поставляемый из Индии, Бразилии и Китая. Это исследование поможет создать технологию полного цикла — от подготовки российского сырья до получения терморасширенного графита в РФ. Это позволит создать независимую от импорта технологическую цепочку и обеспечить отечественную промышленность перспективным материалом собственного производства.

Ученые начали с изучения метода пульсационной щелочной очистки и обнаружили, что переменный режим работы печи действительно помогает интенсивнее удалять загрязнения, но дальнейший анализ выявил серьезный недостаток — несмотря на впечатляющую чистоту в 99,96%, технология требует постоянной тонкой настройки температуры, что делает ее слишком сложной для промышленного масштабирования.

При применении автоклавной обработки ученые выявили серьезный недостаток метода: хотя многоцикличная обработка и позволяет достичь сверхнизкой загрязненности 0,005–0,026%, экстремальные давление и температура в закрытой системе повреждают слоистую структуру графита, лишая материал ключевых свойств.

Даже у экономически выгодного метода, в котором для растворения и удаления примесей используются доступные соли натрия, есть серьезные технологические ограничения. Хотя он и позволяет достичь высокой степени очистки графита в 99,6–99,9%, его главным недостатком является строгая зависимость от температурного режима. Эффективность очистки значительно снижается при малейшем отклонении от оптимальных параметров, что делает процесс неустойчивым и создает риск повреждения структуры материала.

Серно-содовый метод, несмотря на теоретический потенциал для глубокой очистки, на практике оказался непрактичным. Многоступенчатость процесса, требующая последовательной обработки реагентами, в сочетании с использованием агрессивных сред, делает его чрезмерно сложным, трудоемким и дорогим для внедрения в промышленное производство на одной из стадий технологии терморасширенного графита.

— В отличие от методов, требующих жесткого температурного контроля, применение солей аммония открывает новые возможности. Исследователи доказали: осаждение бифторидом аммония дает более качественную очистку природного графита за счет равномерного протекания реакций в широком температурном диапазоне. Это фундаментальное преимущество позволяет достичь чистоты 99,97-99,98% без риска повреждения слоистой структуры графита, — отмечает Асия Кобелева, доцент кафедры «Химические технологии», кандидат технических наук ПНИПУ.

На основании компьютерного моделирования химических процессов специалисты определили оптимальные параметры подготовки сырья для получения терморасширенного графита. Полученные результаты закладывают научную основу для организации массового производства изделий из терморасширенного графита в России, открывая перспективы для импортозамещения в авиастроении, энергетике и электронике, а также для создания инновационных продуктов — от гибкой электроники до высокоэффективных систем очистки.

Исследование опубликовано в журнале «Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология» № 1, 2025.

Фото: amic.ru