Полимерная композиция для пористых углеродных изделий
Владельцы патента RU 2246509:
Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова (RU)
Изобретение относится к области производства полимерного материала, который может быть использован для изготовления пористых углеродных изделий конструкционного назначения, при этом в качестве наполнителя композиция содержит отвержденную фенолоформальдегидную смолу и комплекс ванадия общей формулы VO(С36Н49O5N2), образующийся при извлечении ванадия из сбросных технологических растворов переработки передельных шлаков черной металлургии и представляющий собой порошок продукта взаимодействия метаванадата и бисаминофенолоформальдегидного олигомера, и дополнительно содержит смазку при следующем соотношении компонентов, мас.%: пульвербакелит 36-43,8, отвержденная феноло-формальдегидная смола 36-43,8, комплекс ванадия 10-25, смазка 2,4-3,0. Технический результат - повышение удельной прочности изделий из пористого углерода. 1 табл.
Изобретение относится к области производства полимерного материала, который может быть использован для изготовления пористых углеродных изделий конструкционного назначения.
Известны полимерные композиции (ПК) для пористых углеродных изделий на основе карбонизуемых природных или синтетических полимеров, содержащие различные углеродные наполнители, а также порообразователи. Заготовки, сформованные из таких ПК, при нагревании в защитной от окисления среде превращаются в пористые углеродные изделия. (С.М. Кац. Высокотемпературные теплоизоляционные материалы. М., Металлургия. 1981. С.206-215).
Известна полимерная композиция для пористых углеродных изделий на основе расплавленного каменноугольного пека и терморасширенного графита, взятых в количествах, соответственно, 80-92 и 8-20 мас.%, из которой получают пористые углеродные (обожженные) изделия с кажущейся плотностью 1,2 г/см3 и пределом прочности при сжатии 23-25 МПа, что соответствует удельной прочности при сжатии 19-21 МПа/(г/см3). (Патент РФ №2134656, БИ №23, 20.08.99. Состав и способ изготовления шихты для изготовления углеродного материала. С 01 В 31/02).
Недостатком известного решения является относительно низкая удельная прочность получаемых пористых углеродных изделий и сложная технология изготовления, требующая применения механической обработки заготовок.
Наиболее близкой по технической сущности является полимерная композиция для пористых углеродных изделий на основе пульвербакелита и наполнителя, в качестве которого применяют искусственный графит в виде порошков узких фракций в количестве 80-85 мас.%. (Г.М. Бутырин. Высокопористые углеродные материалы. М., Химия, 1976. С.103-114).
Предварительно просеянные через сито исходные компоненты смешивают в барабане в течение 6 ч, из смеси прессуют заготовки изостатическим способом при температуре 140-160°С, которые затем подвергают термообработке для карбонизации пульвербакелита. Пористые углеродные изделия делают из термообработанных заготовок механическим путем, свойства которых приведены в таблице.
Недостатком известной композиции является относительно низкая удельная прочность получаемых пористых углеродных изделий, что ограничивает возможность их применения в условиях повышенных нагрузок.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение удельной прочности изделий из пористого углерода.
Данный технический результат достигается тем, что полимерная композиция для пористых углеродных изделий на основе пульвербакелита, включающая наполнитель, в качестве наполнителя содержит отвержденную фенолоформальдегидную смолу и комплекс ванадия общей формулы VО(С36Н49О5N2), образующийся при извлечении ванадия из сбросных технологических растворов переработки передельных шлаков черной металлургии и представляющий собой порошок продукта взаимодействия метаванадата и бисаминофенолоформальдегидного олигомера, и дополнительно содержит смазку при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Пульвербакелит 36-43,8
Отвержденная фенолоформальдегидная смола 36-43,8
Комплекс ванадия 10-25
Смазка 2,4-3,0
Пульвербакелит является стандартным связующим, представляющим собой тонкоизмельченную механическую смесь новолачной смолы СФ-011 с уротропином, выпускаемым промышленностью по ТУ 6-5-1370-90 “Связующее фенольное порошкообразное”.
Отвержденная фенолоформальдегидная смола представляет собой стандартный твердый неплавкий порошок густо сетчатого пространственно сшитого полимера, который получают в промышленности путем нагревания или резольной смолы, или смеси новолачной смолы с отвердителем (уротропином, параформом) с последующим измельчением.
Комплекс ванадия общей формулы VO(С36H49O5N2) является продуктом взаимодействия метаванадата и бисаминофенолоформальдегидного олигомера. Комплекс ванадия образуется при извлечении ванадия из сбросных технологических растворов переработки передельных шлаков черной металлургии и представляет собой порошок, в котором ванадий находится в стабилизированном лигандной оболочкой наноразмерном состоянии. (Букин В.И., Смирнова А.Г., Резник А.М. Экстракция ванадия (V) азотсодержащими олигомерами. // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. 2000, №3, с.16-22.
Полимерную композицию и изделия из ПК готовят известными приемами, принятыми в производстве фенопластов и изделий из них.
Пористые углеродные изделия получают путем карбонизации изделий из ПК известным способом.
Применение предлагаемых наполнителей обеспечивает получение равномерно сшитой структуры фенолоформальдегидной смолы во всем объеме прессованных изделий, благодаря чему при карбонизации формируется мелкопористая однородная структура углерода с размером пор 2-5 мкм. Наноразмерные частицы комплекса ванадия при этом превращаются в наноразмерные частицы карбида ванадия, объемно упрочняющие пористый углерод, что позволяет повысить удельную прочность при сжатии пористого углерода в 1,2-2,3 раза по сравнению с прототипом.
Пример 1. 45,4 г пульвербакелита, 45,4 г отвержденной фенолоформальдегидной смолы, полученной из резольной смолы, 6,7г комплекса ванадия и 2,5 г стеарата цинка загружают в шаровую мельницу, смешивают 30 мин, смесь вальцуют при 130-140°С, измельчают, просеивают через сито №1. Из полученного пресс-порошка прессуют изделия методом компрессионного прессования при 160°С в течение 10 мин при давлении 10 МПа.
Отпрессованные изделия из ПК нагревают с целью карбонизации. Свойства полученного пористого углерода приведены в таблице.
Примеры 2-7 выполняют, как описано выше, с тем отличием, что составы ПК берут в количествах, указанных в таблице.
Полимерные наполнители в сочетании с пульвербакелитом при термообработке обеспечивают формирование в изделиях структуры неграфитирующегося углерода, что в случае применения при высоких температурах исключает изменение структуры углерода и нежелательное изменение механических и теплофизических свойств изделий.
Конгруэнтная усадка при термообработке изделий из предлагаемой полимерной композиции, несмотря на ее более высокую величину, по сравнению с прототипом, позволяет формовать изделия сложной конфигурации и исключить механическую обработку благодаря возможности применения метода компрессионного прессования взамен изостатического.
Таким образом, предлагаемая полимерная композиция позволяет получать пористые углеродные изделия с повышенной в 1,2-2,3 раза удельной прочностью при сжатии, обладающие устойчивой структурой при длительной работе в условиях повышенных температур, по более экономичной технологии по сравнению с прототипом.
Полимерная композиция для пористых углеродных изделий на основе пульвербакелита, включающая наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя композиция содержит отвержденную фенолоформальдегидную смолу и комплекс ванадия общей формулы VO(С36Н49O5N2), образующийся при извлечении ванадия из сбросных технологических растворов переработки передельных шлаков черной металлургии и представляющий собой порошок продукта взаимодействия метаванадата и бисаминофенолоформальдегидного олигомера, и дополнительно содержит смазку при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Пульвербакелит 36-43,8
Отвержденная феноло-
формальдегидная смола 36-43,8
Комплекс ванадия 10-25
Смазка 2,4-3,0
