Графит вспученный

Графит вспученный: что это такое

Вспученный (терморасширенный) графит — высокопористый углеродный материал, получаемый путём быстрого нагрева интеркалированного графита. В процессе термоудара молекулы интеркалирующего агента (серной или азотной кислоты) резко переходят в газовую фазу и расклинивают графитовые слои. Объём частиц при этом увеличивается в сотни раз. Образующийся материал сохраняет кристаллическую структуру графита (межслоевое расстояние 3,36–3,38 Å), но приобретает характерную червеобразную форму частиц и развитую систему макро-, мезо- и микропор.

В технической литературе используются синонимы: терморасширенный графит (ТРГ), пенографит, расширенный графит. Все эти термины обозначают один и тот же продукт, различающийся только по условиям получения и, соответственно, по физическим характеристикам.

Получение вспученного графита

Сырьём для получения вспученного графита служит природный крупночешуйчатый графит повышенной чистоты. На первом этапе частицы графита обрабатывают сильными кислотами (серной или азотной) в присутствии окислителя. При этом молекулы кислоты внедряются между графеновыми слоями — происходит интеркалирование. После промывки и сушки получают интеркалированный (окисленный) графит.

На втором этапе интеркалированный графит подвергают быстрому нагреву — термоудару. Газообразные продукты разложения интеркалированных соединений создают расклинивающее давление до 300–400 атм в межслоевом пространстве. Графитовые пачки расслаиваются, и объём частиц резко увеличивается. Температура термоудара обычно составляет 900–1000 °C при скорости нагрева 400–600 °C/с, хотя модифицированные методики позволяют получать пенографит уже при 250–500 °C.

Качество конечного продукта определяется чистотой исходного графита, условиями интеркалирования, режимами промывки и параметрами термообработки. В частности, от температуры и скорости нагрева зависит степень расширения, насыпная плотность и удельная поверхность получаемого вспученного графита. При производстве не используются асбест, связующие вещества или неорганические наполнители.

Физические и химические свойства

Вспученный графит — лёгкий, высокопористый материал серого цвета. Ключевые характеристики порошкообразного (непрессованного) вспученного графита приведены ниже.

Параметр	Значение
Насыпная плотность	1–20 г/л (зависит от метода получения)
Рентгеновская плотность	2,26 г/см³ (соответствует плотности графита)
Пористость	95–99 %, из них 98–99 % — открытые поры
Удельная поверхность	30–200 м²/г
Содержание углерода	≥ 99 % (для высокочистых марок)
Содержание серы	0,05–0,8 % (зависит от технологии)

Свойства прессованного вспученного графита (графитовая фольга, листовой ТРГ)

После прессования без связующих вспученный графит превращается в плотный листовой материал — графитовую фольгу. Свойства фольги существенно отличаются от свойств исходного порошка.

Параметр	Значение
Плотность	0,7–1,4 г/см³
Рабочая температура в окислительной среде	до +560…650 °C
Рабочая температура в инертной среде / вакууме	до +2500 °C
Нижний предел температуры	−200 °C
Рабочее давление	до 40 МПа
Прочность на разрыв (вдоль прокатки)	4,0–8,0 МПа
Сжимаемость	30–60 %
Упругая деформация	до 15 %
Теплопроводность вдоль листа	130–200 Вт/(м·К)
Теплопроводность поперёк листа	3–5 Вт/(м·К)
Коэффициент трения по стали	0,06–0,12

Анизотропия теплопроводности — характерная особенность листового ТРГ. Вдоль плоскости листа теплопроводность на один-два порядка выше, чем в поперечном направлении. Это свойство используется при конструировании теплоотводящих и теплоизолирующих элементов.

Химическая стойкость вспученного графита

Вспученный графит устойчив к большинству агрессивных сред: минеральным и органическим кислотам (кроме высококонцентрированных окислителей), растворам щелочей, органическим растворителям, углеводородам, спиртам и эфирам, а также перегретому пару и деминерализованной воде.

Материал не применяется в контакте со следующими средами: концентрированная азотная кислота (свыше 10 %), серная кислота концентрацией свыше 60 %, хромовая кислота и соединения хрома (VI), свободные галогены (фтор, хлор, бром), расплавы солей алюминия, растворы щелочных и щелочноземельных металлов при высоких температурах.

Материал негорюч, не поддерживает горение и не выделяет токсичных продуктов. Графит устойчив к радиационному воздействию и не теряет свойств при длительной эксплуатации в облучённых средах.

Области применения вспученного графита

Уплотнительная техника

Основная область применения вспученного графита — производство уплотнений из ТРГ: фланцевых прокладок (ПУТГ), сальниковых набивок, уплотнительных лент и колец. Листовой ТРГ прессуется и вырубается в прокладки нужной геометрии, армируется нержавеющей сталью для повышения прочности на разрыв и стойкости к выдавливанию. Графитовые уплотнения работают в диапазоне от криогенных до высоких температур и заменяют асбестосодержащие материалы (паронит), значительно превосходя их по долговечности и химической стойкости.

Огнезащита

Интеркалированный (окисленный) графит добавляется в огнезащитные краски и покрытия. При воздействии пламени графит вспучивается непосредственно в конструкции, образуя объёмный теплоизолирующий слой, который защищает основание от критического нагрева. Такие составы наносят на металлоконструкции, кабельные трассы, деревянные и полимерные элементы зданий.

Теплоизоляция

Насыпной вспученный графит применяется как теплоизоляционная засыпка в высокотемпературных печах и установках, работающих в инертных или вакуумных средах. Низкая теплопроводность порошка в сочетании с термостойкостью до 2500 °C (в бескислородной атмосфере) делает его пригодным для изоляции элементов вакуумных и индукционных печей.

Сорбция нефтепродуктов и органических жидкостей

Благодаря высокой пористости и гидрофобности вспученный графит способен сорбировать органические жидкости (нефтепродукты, масла, растворители), практически не впитывая воду. Это позволяет использовать его для ликвидации разливов нефти на водных поверхностях и в промышленных очистных системах.

Другие применения

Вспученный графит используется как сырьё для изготовления гибкой графитовой фольги, графитовых нитей и лент, компонент токопроводящих и антистатических покрытий, добавка в полимерные композиции для повышения теплопроводности и огнестойкости, а также наполнитель для смазочных и антифрикционных составов.

Формы поставки

Вспученный графит поставляется в порошкообразном виде (насыпная форма) различной насыпной плотности и степени чистоты. Интеркалированный (окисленный) графит — полуфабрикат для вспучивания — отгружается в мешках или биг-бэгах. Готовые прессованные изделия — графитовая фольга, листы, прокладки, набивки и кольца — поставляются по согласованным с заказчиком размерам и характеристикам.