Пермские ученые создали технологию получения сверхлегкого терморасширенного графита

Внешний вид терморасширенного графита. Фото: пресс-служба ПНИПУ

Многие знают графит как серый «стержень» в простом карандаше. Однако на молекулярном уровне это уникальный материал, состоящий из тончайших углеродных пластин. Он известен человечеству тысячи лет, но в последние десятилетия обрел «второе дыхание». Речь идет о терморасширенном графите — материале, который получают путем обработки его кислотами и резкого нагрева. В результате частицы графита раздуваются, как попкорн, увеличиваясь в объеме в сотни раз. Чем сильнее они вспениваются, тем меньше весит готовый материал и тем больше в нем пустот. А значит, он лучше держит тепло, надежнее уплотняет стыки и эффективнее впитывает жидкости. Поэтому чем легче графит — тем выше его качество.

Благодаря таким свойствам из него делают гибкие уплотнения для трубопроводов, которые выдерживают экстремальные давления и температуры, огнезащитные покрытия для строительных конструкций, высокоэффективные сорбенты для ликвидации разливов нефти, композитные материалы для авиа- и судостроения. Аналогов такого материала на сегодняшний день в мире нет.

Однако проблема в том, что современные технологии производства терморасширенного графита слишком дороги и энергозатратны, при этом они не позволяют добиться стабильно высокого качества конечного продукта.

Например, печной нагрев требует массивного жаростойкого оборудования и огромных энергозатрат, к тому же он прогревает материал неравномерно: внешние слои сгорают, а внутренние остаются необработанными. Микроволновые установки позволяют вести процесс непрерывно, однако из-за того, что одни частицы греются сильнее, а другие слабее, они расширяются по-разному. В итоге часть материала получается качественной, а часть — браком.

Альтернативой становится обработка в плазменной струе. Это когда газ разогревают до состояния плазмы и направляют на материал потоком, похожим на сверхгорячий факел (температура достигает 2000°С). Но и этот метод оказывается не до конца эффективным. Частицы графита слишком мало времени находятся в зоне нагрева и не успевают полностью расшириться. Вдобавок энергия тратится практически впустую: только 2% уходит на нагрев частиц, а 98% просто рассеиваются в пространстве.

Все это приводит к ограниченному применению материала в промышленности: одни производители сталкиваются с высокой стоимостью, другие — с ненадежностью при эксплуатации. В результате потенциал терморасширенного графита остается не полностью раскрытым, а ключевые отрасли недополучают материал с оптимальными характеристиками.

Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали установку и новый способ получения терморасширенного графита, с выходом готового продукта до 95%.

Они предложили обрабатывать графит не в плазменном «факеле», а прогоняя частицы сквозь плазменный «ствол». Разница примерно такая же, как между тем, чтобы поливать газон из распылителя (вода разлетается во все стороны) и направлять струю из шланга (вся жидкость сконцентрирована в одной точке).

— Обычно графит греют в печах или обрабатывают плазменной струей, но большая часть тепла улетает в воздух. Мы сделали иначе. Наша установка создает плазменный «ствол» с температурой 10 000°С — это в два раза горячее поверхности Солнца. Частицы проходят точно через центр, где температура максимальна. Попадая в эту зону, графит мгновенно вспенивается, превращаясь в легчайший материал. И главное — каждая частица греется одинаково, поэтому на выходе нет брака. К тому же дополнительную защиту обеспечивает аргон — инертный газ, который не вступает в реакции и предотвращает выгорание графита, так что потери сырья минимальны, — пояснил Юрий Щицын, заведующий кафедрой «Сварочное производство, метрология и технология материалов» ПНИПУ, доктор технических наук.

Чтобы подтвердить эффективность технологии, ученые провели эксперимент. Через плазменную горелку подали ток 200 ампер — этого достаточно, чтобы создать стабильный плазменный «ствол» с температурой 10 000°С. Затем начали подавать графит со скоростью 11 км/ч. Это оптимальный режим: если сыпать быстрее, частицы начнут мешать друг другу и не успеют как следует прогреться. Если медленнее — установка будет работать вполсилы, а это невыгодно.

На выходе получили материал, который весит всего 1–1,8 г. Для сравнения: при обработке в обычной плазменной струе этот показатель составляет 4,6–10,3 г. Это значит, что новый метод позволяет получать графит, который в 2,5–10 раз легче и при этом равномерно вспененный, без брака и потерь.

— Но главное — энергоэффективность. Старые плазменные установки работали с эффективностью всего 2% — 98% энергии тратилось впустую. Наша технология сокращает расход энергии до 1,6 киловатт-часа на килограмм продукта. Это примерно столько же электричества, сколько потребляет обычный обогреватель за час работы. При этом выход готового материала достигает 95%, тогда как при печном нагреве до 30% материала сгорает или остается необработанным, — рассказал Сергей Неулыбин, научный руководитель лаборатории методов создания и проектирования систем «Материал-технология-конструкция» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Следовательно, разработка ученых Пермского Политеха в будущем позволит получать терморасширенный графит высокого качества быстро, экономично и с минимальными потерями энергии. Компактность и непрерывность процесса делают технологию пригодной для промышленного масштабирования. Это значит, что самолеты, автомобили, атомные реакторы и нефтеперерабатывающие заводы получат более надежные уплотнители, теплоизоляцию и сорбенты для очистки окружающей среды — с улучшенными характеристиками и меньшими производственными затратами.

На изобретение получен патент.