Термически расщепленный графит ТРГ

Что такое терморасширенный графит (ТРГ)

Терморасширенный графит (ТРГ) — высокопористый углеродный материал, получаемый путём резкого нагрева окисленного природного чешуйчатого графита. В англоязычной литературе материал обозначают термином expanded graphite. По кристаллической структуре ТРГ идентичен исходному графиту и представляет собой совокупность графеновых слоёв, связанных ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями. При этом пористость ТРГ достигает 90–98 %, а удельная поверхность — до 100 м²/г (у исходного графита этот показатель не превышает 1 м²/г). Внешне материал представляет собой серый порошок из частиц характерной червеобразной формы.

ТРГ нашёл применение главным образом как сырьё для изготовления графитовой фольги и листовых прокладочных материалов, уплотнительных колец и сальниковых набивок. Материал используется в энергетической, нефтехимической, машиностроительной отраслях, а также в атомной промышленности — везде, где требуется надёжная герметизация фланцевых соединений в широком диапазоне температур и давлений.

Получение терморасширенного графита

Производство ТРГ проходит в несколько последовательных стадий.

Химическое окисление (интеркалирование)

Исходный природный чешуйчатый графит с содержанием углерода не менее 98–99 % обрабатывают сильными кислотами Брёнстеда — серной (H₂SO₄), азотной (HNO₃) или хлорной (HClO₄) — в присутствии окислителя (K₂Cr₂O₇, KMnO₄, H₂O₂ и др.). Анионы и молекулы кислоты внедряются в межслоевое пространство графита, формируя так называемые интеркалированные соединения графита. Далее проводят гидролиз, в ходе которого из межслоевых пространств удаляется основная масса кислоты. На этом этапе получают окисленный (термоокисленный) графит — промежуточный продукт, ещё не обладающий свойствами ТРГ.

Терморасширение

Окисленный графит подвергают резкому нагреву (термоудару) со скоростью порядка 400–600 °С/с до температуры 900–1200 °С. Остаточные молекулы воды, CO₂ и CO, выделяясь в газовую фазу, создают внутри каждой частицы мощное диспергирующее давление. Графеновые слои раздвигаются вдоль кристаллографической оси c, и объём частицы увеличивается в 200–400 раз. Получившийся продукт — терморасширенный графит — сохраняет кристаллическую структуру исходного графита, но приобретает ячеистую пористую морфологию.

Нагрев осуществляют в пламени газовой горелки, в электрических печах, а также методами резистивного и индукционного нагрева. Степень расширения зависит от глубины предшествующего окисления, размера чешуек исходного графита и температуры терморасширения.

Свойства терморасширенного графита

По кристаллической структуре ТРГ идентичен природному графиту, поэтому наследует его высокую анизотропию электро- и теплопроводных свойств. Ниже приведены основные физические характеристики ТРГ и графитовой фольги, прессуемой из него.

Физические характеристики ТРГ-порошка

Параметр	Значение
Пористость	90–98 %
Удельная поверхность	до 100 м²/г
Удельное электрическое сопротивление вдоль оси a	~10⁻⁶ Ом·м
Удельное электрическое сопротивление вдоль оси c	~10⁻³ Ом·м
Теплопроводность вдоль оси a	до 400 Вт/(м·К)
Теплопроводность вдоль оси c	до 5 Вт/(м·К)
Содержание углерода (в зависимости от марки)	≥ 98–99,9 %

Характеристики графитовой фольги из ТРГ

Параметр	Значение
Плотность	0,7–1,5 г/см³
Сжимаемость	до 40 %
Восстанавливаемость	до 20 %
Прочность на разрыв	до 7 МПа
Модуль Юнга	до 1,4 ГПа
Коэффициент трения	0,05

Рабочие температуры и давление

Температурный диапазон эксплуатации изделий из ТРГ определяется средой, в которой работает материал.

Рабочая среда	Температурный диапазон
Окислительная среда (воздух)	от −200 до +450 °С
Окислительная среда (специальные марки фольги «С», «1С»)	от −200 до +550 °С
Среда водяного пара	до +650 °С
Вакуум или инертная атмосфера	от −240 до +3000 °С

Максимальное рабочее давление листовых прокладочных материалов из ТРГ составляет до 40 МПа. Конкретные значения температуры и давления зависят от марки фольги, типа армирования и конструкции уплотнения.

Химическая стойкость

Графит устойчив к действию большинства кислот (соляная, серная с концентрацией до 60 %, фосфорная), растворов солей, органических растворителей и жидких углеводородов. Изделия из ТРГ применимы в средах водяного пара, воздуха, лёгких газов с высокой проникающей способностью (водород, гелий), органических и минеральных кислот умеренных концентраций, спиртов и эфиров.

Вместе с тем графит реагирует с сильными окислителями. Прокладки из ТРГ неприменимы в контакте с концентрированной азотной кислотой (свыше 10 %), серной кислотой с концентрацией более 60 %, хромовой кислотой и соединениями шестивалентного хрома, царской водкой, фтором, хлором, бромом, расплавами солей алюминия, растворами щелочных и щелочноземельных соединений.

Область применения ТРГ

Основным продуктом переработки терморасширенного графита является графитовая фольга — рулонный материал, получаемый прокаткой (вальцовкой) ТРГ без применения связующих. Червеобразные частицы ТРГ механически сцепляются друг с другом в процессе формования, образуя плотный гибкий лист. Толщина фольги варьируется от 0,1 до 2 мм, ширина рулона — от 400 до 1500 мм.

Уплотнительные изделия

Графитовая фольга сочетает высокую сжимаемость, частичную восстанавливаемость, термическую стабильность и химическую инертность. Эти свойства обусловили её широкое применение для изготовления фланцевых прокладок (армированных и неармированных), сальниковых набивок, уплотнительных колец. Прокладки из ТРГ заменяют асбестовые уплотнения и паронит в условиях, где последние не обеспечивают требуемую термо- или химическую стойкость.

Уплотнительные изделия из ТРГ используются в нефтегазовой, химической и нефтехимической промышленности (фланцевые соединения реакторов, теплообменников, трубопроводов), в тепловой и атомной энергетике (паровые турбины, котлы высокого давления), в машиностроении (насосы, компрессоры, запорная арматура).

Огнезащитные материалы

Окисленный графит (промежуточный продукт, предшественник ТРГ) добавляют в огнезащитные краски и полимерные покрытия. При пожаре окисленный графит терморасширяется непосредственно в покрытии, формируя теплоизолирующий слой, который препятствует распространению пламени и защищает конструкцию.

Электропроводящие наполнители и экраны

Благодаря высокой электропроводности и низкому анизотропному электрическому сопротивлению, листовой графит на основе ТРГ применяют для экранирования от электромагнитных излучений и снятия статического электричества. ТРГ также служит электропроводящим наполнителем полимерных композиций — термопластичных и термореактивных.

Антифрикционные составы

Низкий коэффициент трения графита (0,05) и его самосмазывающие свойства позволяют использовать ТРГ в составе пластичных антифрикционных смазок и покрытий для узлов трения, работающих при повышенных температурах.

Формы поставки

Терморасширенный графит поставляется в виде порошка (россыпью или в мешках) различных марок, различающихся степенью расширения, зольностью, содержанием серы и хлора. На основе ТРГ выпускают графитовую фольгу (армированную и неармированную), листовые прокладочные материалы, сальниковые набивки, уплотнительные кольца и ленты. Содержание углерода в фольге составляет не менее 98 %, в высокочистых марках для атомной и полупроводниковой промышленности — не менее 99,9 %.

Нормативные требования к уплотнительным прокладкам из ТРГ регламентируются ГОСТ 15180, ГОСТ 52376, ГОСТ 33259. Листовые и фольгированные графитовые материалы выпускаются по соответствующим техническим условиям.