Пермские ученые разработали технологию получения сверхлегкого терморасширенного графита
В Пермском Политехе (ПНИПУ) создали и запатентовали новый способ получения терморасширенного графита — материала, незаменимого для производства уплотнителей и огнезащитных покрытий. Ученые вуза разработали технологию, при которой частицы графита пропускают сквозь плазменный «ствол». Это обеспечивает выход готового продукта до 95 % и снижает вес материала в 2,5–10 раз по сравнению с аналогами, расходуя при этом минимум электроэнергии.
Терморасширенный графит получают путем обработки графита 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.
Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали установку и новый способ получения терморасширенного графита. Они предложили обрабатывать графит не в плазменном «факеле», а прогоняя частицы сквозь плазменный «ствол».
«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», — рассказал один из авторов разработки, заведующий кафедрой «Сварочное производство, метрология и технология материалов» ПНИПУ, доктор технических наук Юрий Щицын.
Чтобы подтвердить эффективность технологии, ученые провели эксперимент. 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 %, а 98 % энергии тратилось впустую. Наша технология сокращает расход энергии до 1,6 киловатт-часа на килограмм продукта. Это примерно столько же, 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», — отметил еще один разработчик, научный руководитель лаборатории методов создания и проектирования систем «Материал-технология-конструкция» ПНИПУ, кандидат технических наук Сергей Неулыбин.
По оценкам исследователей, 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 — с улучшенными характеристиками и меньшими производственными затратами.