ИСТИНА

В настоящее время большое внимание уделяется разработке методов получения и исследования углеродсодержащих композиционных материалов. Среди них широкое применение нашел пенографит (ПГ) – низкоплотный, пористый материал, образующийся при вспенивании интеркалированного графита за счет мгновенного испарения остаточной кислоты и воды в межкристаллитных областях, приводящего к возникновению диспергирующего давления в сотни атмосфер и «межмолекулярному взрыву». Пенографит представляет собой массу хаотично расположенных червеобразных частиц, фазовый состав которых представлен графитом с несколько увеличенным межслоевым расстоянием. Свойства, характерные для исходного графита, в пенографите дополнены развитой удельной поверхностью, пористостью, низкой теплопроводностью, сорбционной способностью по отношению к газам и органическим жидкостям, способностью прессоваться без связующих компонентов в материалы с разной плотностью и газопроницаемостью и т.д. Рентгеновская плотность пенографита составляет 2,26 г/см3, в то время как насыпная плотность ПГ, определяемая как отношение массы к объему, варьируется в интервале 1-10 г/л. Наблюдаемое различие в плотностях указывает на высокую пористость материала, которая для разных образцов составляет 95-99 %, причем 98-99 % пор являются открытыми, а остальные – закрытыми вследствие капсулирования выделяющихся газов в процессе вспенивания. Высокая пористость пенографита и наличие макро-, мезо- и микропор пор обуславливает его применение в различных областях. Наиболее развитым направлением является изготовление графитовой фольги: в этом случае работают макропоры, обеспечивающие прессование без связующих материалов за счет хорошего сцепления частиц пенографита между собой. Мезопоры отвечают за сорбционные свойства и обеспечивают максимальную сорбционную емкостью по отношению к тяжелым маслам. Наличие микропор делает пенографит многообещающим материалом для сорбции водорода: при 77 К под давлением 1 атм. водорода пенографит сорбирует 12-28 мл/г водорода, что соответствует 0,11-0,25 масс. %. Задачей настоящего исследования являлось изучение свойств модифицированного пенографита. В работе использовали пенографит двух типов. Для получения пенографита первого типа (ПГ1) нитрат графита гидролизовали и подвергали термической обработке. Пенографит второго типа (ПГ2) получен вспениванием электрохимического интеркалированного графита. Вспенивание образцов проводили при 250, 400, 600 и 900 оС (табл.1). Установлено, что ПГ2 не только обладает более развитой удельной поверхностью 200 м2/г по сравнению с 45 м2/г для ПГ1, но и характеризуется более высоким значением объема микро и мезо пор. Таблица 1. Насыпная плотность пенографита. Насыпная плотность, г/л Sуд., м2/г Тип ПГ/Твспенивания, оС 250 400 600 900 600 900 ПГ1 75 23 7,4 2,2 40 45 ПГ2 2,0 1,8 1,2 1,1 200 160 Методом сканирующей электронной микроскопии показано, что независимо от способа получения частицы пенографита немонолитны, представляют собой последовательность пачек графитовых слоев, разделенных воздушными пространствами, и имеют червячно-образную форму. Длина частиц пенографита в сотни раз превышает толщину чешуек исходного графита и достигает нескольких миллиметров. Следует отметить, диаметр и длина частиц ПГ2 в 2-3 раза меньше аналогичных величин для ПГ1. Изменение пористой структуры материала в процессе модифицирования углеродной матрицы по цепочке графит - пенографит изучалось волюметрическим методом. Наблюдаемый на изотермах адсорбции пенографита гистерезис свидетельствует о значительном количестве мезопор, в которых происходит необратимая капиллярная конденсация. На дифференциальных кривых распределения пор по размерам наблюдается несколько максимумов, отвечающих присутствию в пенографите пор разного размера Характерный размер пор для ПГ1 составляет 21 Ǻ, а для ПГ2 – 19 Ǻ. Показано, что оптимальным материалом для адсорбционных целей является пенографит, компактированный до плотности 0,03-0,05 г/см3, так как в этом случае образцы не только обладают развитой удельной поверхностью, но и достаточной механической прочностью. На примере нафталина, являющегося полиароматическим углеводородом (ПАУ), изучена сорбционная способность пенографитов обоих типов ПГ1 и ПГ2 при 80 оС (температура испарения нафталина). Максимальное значение сорбционной емкости ПГ1 (28,9 %) получено для образца плотностью 0,03 г/см3. Мониторинг сорбционной способности пенографита показал, что ПГ2 обладает большей сорбционной емкостью и уже за 1 час сорбирует 23 масс. % нафталина, а за 8 часов – 58 масс. %. Независимо от природы модифицированного пенографита, сорбция нафталина происходит обратимо и термическая обработка образцов после сорбции при 250 oC сопровождается полной десорбцией. Повторная обработка этих таблеток насыщенными парами нафталина позволяет адсорбировать такое же количество ПАУ. В заключение следует отметить, что новые свойства пенографита (низкая насыпная плотность, развитая удельная поверхность) расширяют области применения углеродных материалов данного типа в качестве сорбентов, мембран для разделения газовых смесей, катализаторов гетерофазных реакций, электрических конденсаторов и т.д.