Графитопласт

Графитопласт — композиционный материал на основе углеграфитовых наполнителей и полимерных связующих. Наполнителями служат природный или искусственный графит, а также карбонизованные продукты: кокс, термоантрацит, углеродные и стеклянные волокна, металлические порошки. В качестве связующих применяют феноло-формальдегидные, эпоксидные, фурановые смолы, кремнийорганические полимеры, фторопласты, полиамиды, полиимиды. Благодаря сочетанию свойств графита и полимерной матрицы графитопласты находят применение в химической промышленности, машиностроении, электротехнике и энергетике.

Состав и классификация графитопластов

Углеграфитовые наполнители составляют основную массу графитопласта. Содержание углерода в них колеблется от 75 до 99,5 %, зольность — от 0,5 до 25 %, массовая доля летучих веществ — от 0,2 до 6 %. Тип наполнителя, его происхождение (месторождение, способ получения) и гранулометрический состав определяют конечные свойства изделия.

Помимо основных компонентов в состав графитопласта могут входить отвердители и ускорители отверждения, пластификаторы, антиоксиданты, а также функциональные добавки — дисульфид молибдена (MoS₂), нитрид бора (BN) и другие.

По типу связующего

Свойства готового материала во многом определяются выбором полимерной матрицы. Условно графитопласты подразделяют на две группы.

На основе термореактивных связующих (феноло-формальдегидные, эпоксидные, фурановые смолы). Это высоконаполненные химически стойкие материалы с теплостойкостью на воздухе 170–600 °C (до 2000 °C в инертной среде). Обладают высокой прочностью при сжатии, но хрупки и имеют низкую предельную деформацию при разрушении. Из-за невысокой прочности при растяжении оптимальный режим работы — всестороннее сжатие.

На основе термопластичных связующих (полиамиды, фторопласты, полиимиды). При низких степенях наполнения позволяют получить материалы с повышенной стойкостью к ударным нагрузкам. Из таких графитопластов возможно изготовление тонкостенных деталей сложной формы методом литья под давлением.

По виду наполнителя

Графитопласты различаются по форме используемого углеграфитового наполнителя: порошки, волокна (углеродные, стеклянные), ткани, а также смеси указанных типов. Дополнительно в состав могут вводиться металлические порошки (медь, бронза) для повышения теплопроводности или электрической проводимости.

Товарные формы выпуска

Графитопласты выпускают в нескольких товарных формах:

Физико-механические свойства графитопласта

Характеристики графитопластов варьируются в широких пределах и зависят от состава наполнителя, типа связующего, технологии переработки и степени наполнения. Ниже приведены обобщённые данные по основным группам.

Общие характеристики

Свойства графитопластов на термореактивном связующем

Источник данных — Химическая энциклопедия. Диапазон значений обусловлен различиями в составе наполнителя и типе смолы.

Ключевые эксплуатационные свойства

Самосмазываемость. Все графитопласты на воздухе обладают самосмазывающими свойствами. Интенсивность изнашивания составляет 10⁻⁹–10⁻¹² м/м в зависимости от условий эксплуатации. Узлы трения из графитопластов выдерживают значительно более высокие ударные и статические нормальные нагрузки, чем антифрикционные графитовые материалы.

Химическая стойкость. Графитопласты устойчивы в растворах солей, неокисляющих минеральных и органических кислотах. Конкретная химическая стойкость определяется типом связующего: феноло-формальдегидные системы стойки к большинству кислот и органических растворителей, фурановые смолы расширяют этот диапазон.

Электропроводность. С увеличением доли углеграфитового наполнителя электрическая проводимость материала возрастает. Удельное электрическое сопротивление углеграфитовых наполнителей находится в диапазоне от 7·10⁻² до 240 Ом·м, что позволяет варьировать электропроводность готовых изделий в широких пределах.

Недостатки. Основной недостаток графитопластов на термореактивных связующих — хрупкость и низкая прочность при растяжении. Предельная температура эксплуатации графитопластов ниже, чем у антифрикционных графитовых материалов, в 1,5–3 раза, поскольку ограничена теплостойкостью связующего.

Антегмит — графитопласт для химической аппаратуры

Антегмит — наиболее распространённая разновидность графитопласта на основе феноло-формальдегидного связующего. Представляет собой пресс-порошок из графитовых материалов и смолы, из которого горячим прессованием изготавливают химически стойкие детали.

Свойства антегмита

Данные по БСЭ и специализированным техническим источникам.

Антегмит применяют в качестве заменителя свинца для изготовления химически стойкой теплообменной аппаратуры, трубопроводов и футеровочных плиток. Материал стоек в серной кислоте концентрацией до 75 %, соляной и сернистой кислотах любой концентрации, фосфорной кислоте, хлорбензоле и ряде других агрессивных сред. Основной недостаток — малая прочность на удар.

Графитопласт на основе фторопласта

Графитопласты с фторопластовым связующим (фторопласт-4, ПТФЭ) отличаются исключительно низким коэффициентом трения и высокими антифрикционными свойствами. Применяются в узлах сухого трения различных агрегатов — подшипниках скольжения, направляющих, уплотнениях. Фторопластовая матрица обеспечивает работоспособность при температурах от −60 до +250 °C и высокую химическую инертность.

Графитопласт на основе полиамидов

Полиамидные графитопласты сочетают механическую прочность с биологической совместимостью. Они выдерживают повышенные ударные нагрузки по сравнению с реактопластами и перерабатываются литьём под давлением. Помимо промышленного применения используются для изготовления имплантатов в хирургии и ортопедии благодаря близким к живой ткани прочностным и электрохимическим свойствам.

Применение графитопластов в промышленности

Области применения определяются типом связующего и составом наполнителя.

Химическая промышленность

Графитопласты на феноло-формальдегидных и эпоксидных связующих используются при изготовлении теплообменной коррозионностойкой аппаратуры: теплообменников, труб, фланцев, футеровочных плиток. Детали из антегмита предназначены для работы в агрессивных средах, где нецелесообразно или невозможно применение металлов и сплавов.

Машиностроение и узлы трения

Самосмазывающие свойства графитопласта позволяют использовать его в подшипниках скольжения, уплотнительных кольцах, графитовых втулках, направляющих, лопатках компрессоров и вакуумных насосов. Изделия работают в условиях сухого и полужидкостного трения, в запылённых средах и при ограниченной подаче смазки.

Электротехника

Электропроводность графитопласта позволяет применять его для скользящих электроконтактов, токосъёмных щёток и элементов антикоррозионной защиты. Графитопласты используются в электрохимических процессах, включая защиту металлических ёмкостей от коррозии.

Насосное оборудование

В центробежных насосах, перекачивающих агрессивные жидкости, графитопласты применяются для изготовления рабочих колёс, уплотнительных колец и деталей торцевых уплотнений. Сочетание химической стойкости и антифрикционных свойств обеспечивает длительную эксплуатацию в нефтехимических, кислотных и щелочных средах.

Переработка графитопласта в изделия

Технология производства графитопластовых изделий включает несколько этапов: подготовка сырья (измельчение наполнителей и смолы до требуемого гранулометрического состава), дозирование и смешение компонентов, пропитка наполнителей связующим методами вальцевания или экструзии.

Переработка в изделия осуществляется одним из следующих методов:

Готовые изделия могут подвергаться термообработке для доотверждения связующего, снятия остаточных напряжений, а также карбонизации или графитации. Для повышения эксплуатационных характеристик применяется пропитка бронзой, оловом, кремнием.

Пресс-формы для переработки графитопластов должны обладать повышенной твёрдостью и износостойкостью. Металлические рабочие поверхности рекомендуется хромировать, поскольку коэффициент трения углеграфитовых материалов по хромистым сталям минимален.

Формы поставки графитопластовых изделий

Графитопластовые материалы и изделия поставляются в следующих формах:

Графитопласт легко обрабатывается режущим и абразивным инструментом на металлорежущих станках, что позволяет изготавливать детали нестандартной конфигурации.

Нормативная документация

ГОСТ 17022-81 «Графит. Типы, марки и общие технические требования» — действующий межгосударственный стандарт, устанавливающий типы и марки графита, являющегося исходным сырьём для графитопластов.

ГОСТ Р 52729-2007 «Графит скрытокристаллический. Общие технические условия» — национальный стандарт на скрытокристаллический графит природного происхождения, используемый в том числе как наполнитель для графитопластов.

Непосредственно на графитопластовые материалы распространяются технические условия (ТУ), разрабатываемые предприятиями-производителями для конкретных марок.