Ученые Пермского политехнического университета разработали инновационный метод производства сверхлегкого терморасширенного графита. Этот материал, критически важный для создания уплотнений и огнестойких покрытий, традиционно производится дорогостоящими и энергоемкими способами.
Существующие подходы, такие как нагрев в печах или обработка плазменной струей, либо приводят к потерям сырья, либо характеризуются чрезмерным расходом энергии из-за рассеивания тепла. Для преодоления этих ограничений пермские исследователи предложили технологию, в которой частицы графита пропускаются сквозь плазменный «ствол». Данное решение обеспечивает выход продукта до 95% и уменьшает его удельный вес в 2,5–10 раз относительно аналогов, при значительной экономии электроэнергии. На разработку уже оформлен патент.
Фото. Внешний вид терморасширенного графита. Пресс-служба ПНИПУ
Графит широко известен как материал карандашных стержней, но на молекулярном уровне он представляет собой уникальную структуру из тонких углеродных слоев. Хотя человечество использует его тысячелетиями, настоящий прорыв произошел с созданием терморасширенного графита. Его получают путем химической обработки и последующего мгновенного нагрева, в результате чего частицы, подобно попкорну, увеличиваются в объеме в сотни раз. Чем интенсивнее происходит вспенивание, тем меньше плотность и выше пористость конечного материала. Это напрямую улучшает его теплоизоляционные и сорбционные свойства, а также способность к герметизации. Таким образом, легкость является ключевым показателем качества.
Благодаря этому набору характеристик материал применяется для изготовления гибких уплотнителей трубопроводов, устойчивых к экстремальным нагрузкам, огнезащитных покрытий в строительстве, высокоэффективных сорбентов для сбора нефтепродуктов, а также композитов в авиа- и судостроении. Аналогов, сочетающих такие параметры, на мировом рынке в настоящее время не существует.
Основным препятствием для широкого внедрения остаются высокая стоимость и энергоемкость существующих производственных процессов, которые к тому же не гарантируют стабильного качества продукции. К примеру, печной метод требует громоздкого оборудования и огромных затрат энергии, при этом нагрев происходит неравномерно: внешние слои графита могут сгореть, а внутренние — не обработаться. Технологии с использованием микроволн позволяют организовать непрерывный процесс, но из-за неравномерного поглощения излучения частицы расширяются по-разному, что ведет к высокому проценту брака.
Обработка плазменной струей, где разогретый до состояния плазмы газ направляется на материал подобно факелу с температурой около 2000°C, также имеет существенные недостатки. Время пребывания частиц в зоне нагрева слишком мало для полного расширения, а энергетическая эффективность крайне низка: лишь около 2% энергии идет непосредственно на нагрев, остальное рассеивается.
Эти проблемы ограничивают промышленное применение терморасширенного графита: производители сталкиваются либо с высокой себестоимостью, либо с нестабильностью характеристик материала. В результате потенциал уникального вещества раскрыт не полностью, а многие отрасли не получают продукт с оптимальными свойствами.
Для устранения данных барьеров специалисты Пермского Политеха создали новую установку и способ получения материала с выходом до 95%. Вместо обработки в плазменном «факеле» они предложили пропускать сырье сквозь плазменный «ствол». Разницу можно сравнить с поливом: если плазменная струя подобна распылителю, разбрасывающему воду, то «ствол» — это сконцентрированная струя из шланга, обеспечивающая целенаправленное воздействие.
Как пояснил заведующий кафедрой «Сварочное производство, метрология и технология материалов» ПНИПУ, доктор технических наук Юрий Щицын, традиционные методы ведут к большим теплопотерям. Новая же установка формирует плазменный «ствол» с температурой до 10 000°C. Частицы графита, проходя через его центральную зону с максимальной температурой, мгновенно вспениваются. Благодаря равномерному воздействию на каждую частицу исключается образование брака. Дополнительно процесс ведется в среде аргона — инертного газа, который предотвращает выгорание сырья, минимизируя потери.
Для проверки эффективности технологии был проведен эксперимент. Плазменная горелка создавала стабильный «ствол» при силе тока 200 А. Графит подавался со скоростью 11 км/ч — оптимальный режим, обеспечивающий полный нагрев частиц без их взаимного помешивания. В результате был получен материал с плотностью 1–1,8 г/л, тогда как при обычной плазменной обработке этот показатель составляет 4,6–10,3 г/л. Таким образом, новый метод позволяет производить графит в 2,5–10 раз легче, однородный по структуре и без потерь.
Как отметил научный руководитель лаборатории методов создания и проектирования систем «Материал-технология-конструкция» ПНИПУ, кандидат технических наук Сергей Неулыбин, ключевым преимуществом является энергоэффективность. Если КПД старых плазменных установок не превышал 2%, то новая технология снижает удельный расход энергии до 1,6 кВт·ч на килограмм продукта — примерно как за час работы бытового обогревателя. При этом выход готового материала достигает 95%, в отличие от печного метода, где до 30% сырья сгорает или не обрабатывается.
Разработка пермских ученых открывает перспективу для быстрого, экономичного и энергосберегающего производства терморасширенного графита высокого качества. Компактность и непрерывность процесса позволяют масштабировать его для промышленных нужд. В итоге авиационная, автомобильная, энергетическая и нефтехимическая отрасли смогут получить более надежные уплотнительные элементы, теплоизоляционные материалы и сорбенты с улучшенными характеристиками и при сниженных затратах на их изготовление.
Ранее Журнал Химагрегаты писал о проектировании нефтезаводских трубопроводов.