Пористые композиционные материалы (стр. 2 из 4)

Сибунит – мезопористый углеродный материал [14].

1. Свойства композиционных материалов типа сибунита

Синтетические композиционные материалы типа сибунита сочетают в себе достоинства графита (например, химическую стабильность, высокую электропроводность и др.) со свойствами активных углей (высокой удельной поверхностью и сорбционной емкостью) [11, 12].

Отличительными чертами композитов являются регулируемая удельная поверхность и воспроизводимая пористая структура, высокая химическая чистота, механическая прочность, активность и срок службы приготовленных на их основе катализаторов. Композиционные материалы имеют высокую термическую стабильность и химическую стойкость в окислительных средах, значительно превышающую стойкость активных углей на основе сырья растительного и каменноугольного происхождения.

Характерной особенностью композиционных материалов является тип пористой структуры, отличной от структуры активных углей. Если бипористая структура традиционных углей имеет микромакропористый характер, то углеродные композиты являются преимущественно мезопористыми материалами. Подбором исходного сырья и условий получения можно регулировать положение максимума распределения мезопор в диапазоне 4 - 400 нм. Отдельные марки композитов могут иметь высокое содержание макропор (до 0.4 - 0.6 см3/г) с размером R = 100. 2000 нм и низкую удельную поверхность (не более 2 - 10 м2/г). По параметрам пористой структуры такие материалы являются аналогами широкопористых оксидных носителей, например α -оксида алюминия. Другие марки композитов могут иметь мезомакропористую структуру с характерными размерами и распределением пор в указанных выше диапазонах. Композиты имеют низкое содержание микропор размером 0.4 - 1.5 нм, которое обычно не превышает 5 - 7 % суммарного объема пор. Однако отдельные марки сибунита могут иметь объем микропор до 0.1 - 0.15 см3/г. Важнейшим достоинством композиционных материалов является их высокая механическая прочность при раздавливании и истирании, которая значительно превышает уровень прочности известных пористых углеродных материалов, производимых традиционными методами. Уровень механической прочности коррелирует в первую очередь с суммарным объемом пор и удельной поверхностью. Так, прочность мезопористых композитов с объемом мезопор 0.4 - 0.8 см3/г составляет 70 - 150 кг/см2, у высокопористых материалов она может снижаться до уровня 60 - 70 кг/см2. У макропористых материалов с высокими значениями объема пор и низкой удельной поверхностью прочность может достигать 200 кг/см2, а в отдельных случаях - 500 кг/см2.

2. Ассортимент пористых углеродных материалов

Традиционные технологии синтеза углеродных носителей и сорбентов, использующие методы гранулирования и таблетирования,

позволяют получать носители лишь в виде элементов простейшей формы - таблеток, сферических гранул и зерен с диаметром не более 3 - 5 мм. В то же время известно, что в ряде химических процессов наиболее эффективны носители и катализаторы, имеющие сложную геометрическую форму (кольца, соломка, лепестки, микроблоки и блочные изделия сотовой структуры) [1]. В последнее время в каталитических процессах, связанных с решением экологических проблем, в гетерогенном катализе и в ряде других химических процессов достаточно широкое распространение получили керамические, оксидные и металлические блочные носители и катализаторы сотовой структуры. Это произошло благодаря их развитой внешней поверхности, широкому выбору вариантов конструктивного решения, низкому перепаду давлений, высокой термо- и механической устойчивости и другим достоинствам. Для получения керамических, оксидных и

углеродных изделий сложной формы, в том числе блоков сотовой структуры, целесообразно использовать технологию экструзии пластичной углеродной массы через фильеры [13]. Однако при экструзионном формовании изделий сложной формы и блоков сотовой структуры возникает ряд проблем, не позволяющих получать качественные изделия требуемой формы. Часть этих проблем связана с реологическими свойствами формовочных масс. До настоящего времени не существует единого мнения относительно выбора критерия оценки реологических свойств и их оптимальных значений. Более того, разные авторы предлагают использовать различные реологические параметры для характеристики пригодности формовочных масс к экструзии. В работе [14] для такой характеристики использовали структурно-механический тип дисперсных систем.

Из методов регулирования реологических свойств формовочных масс наиболее известны метод введения в массы водо- или органорастворимых полимеров, органических соединений и ПАВ [15,16,17, 18], а также метод структурно-кинетического модифицирования [19], заключающийся во введении в состав формовочной массы твердых частиц, соизмеримых или несколько меньших по размеру, чем твердые дисперсные агрегаты формовочной массы.

Экструзия углеродсодержащих масс в изделия сложной формы в сравнении с керамическими массами имеет ряд специфических

реологических особенностей. Трудности, возникающие при экструзии углеродных элементов различной формы, также могут быть преодолены соответствующей оптимизацией рецептур углеродных формовочных масс или созданием специальных технологических режимов экструзии [20]. В работах [20, 21] описывается системный подход к изучению реологического поведения пластичных углеродных масс и выбору параметров экструзии на основе реологических исследований углеродных дисперсий. В [21] исследовано реологическое поведение пластичной композиции ТУ - дисперсионная среда. В качестве дисперсионной среды использовались вода, водные дисперсии и растворы полимеров. Применение полимеров для

улучшения формуемости дисперсных систем является известным технологическим приемом, широко используемым при формовании

керамических и оксидных масс. Упрочняющий эффект полимеров обусловлен прежде всего природой макромолекул полимеров. Их длина в сочетании с гибкостью, внутри- и межмолекулярным взаимодействием приводит к образованию в дисперсионной среде разнообразных элементов пространственной макроструктуры зацеплений, узлов т. п. Для приготовления пластичных углеродных масс использовались водорастворимые полимеры полиэтиленоксид и полиакриловая кислота, а также полимеры, не образующие истинных растворов в воде, - поливинилацетат и декстрин. Выбор различных типов полимеров, вводимых в состав дисперсионной среды, позволил оценить влияние их структуры и свойств на формуемость элементов сложной формы из пластичных углеродных масс на основе ТУ.

Благодаря своим уникальным свойствам углеродные материалы типа сибунита нашли применение в каталитических и сорбционных

процессах. Регулируемые пористая структура, удельная адсорбционная поверхность и химический состав поверхностных группировок позволяют получать на основе сибунита целое семейство палладиевых катализаторов для процессов органического синтеза [22, 23]. Кроме того, сибунит использовался для приготовления сульфидных катализаторов гидроочистки [24] и гидродеметаллизации, цинк-ацетатных катализаторов синтеза винилацетата [25], рениевых катализатов дегидрирования циклогексана, изопропилового спирта [26, 27], гидрирования этилацетата [28] и ряда других. Высокие прочностные свойства и низкая способность к генерации пылевидных частиц позволили использовать материалы типа сибунита для создания сорбентов медицинского назначения - гемо- и энтеросорбентов [29].

Высокая проводимость и высокая стойкость в агрессивных средах способствовали применению блоков сотовой структуры на основе сибунита в качестве трехмерных электродов в электрохимических процессах [30]. Известно применение сибунита для синтеза фторуглеродного материала [31], сорбентов технического назначения [32, 33] и в ряде других химических и сорбционных процессов.

Рис. 2. Ассортимент формованных углеродных материалов (а) и блочных углеродных изделий сотовой структуры (б)

III. Экранирующие и радиопоглощающие материалы

Проблемы биологического воздействия электромагнитных излучений (ЭМИ), а также вопросы обеспечения электромагнитной совместимости при развитии и усовершенствовании изделий радиоэлектроники и устройств защиты информации приводят к широкому использованию экранирующих и радиопоглощающих материалов [34]. Чаще всего для этих целей используются композиционные материалы, в которых эксплуатационные (механические) характеристики задаются свойствами образующей матрицы (обычно полимерной), а наполнитель взаимодействует с электромагнитным излучением [35].

Существует возможность создания экранов и поглотителей электромагнитного излучения на основе влагосодержащих композиционных материалов [36–38]. Матрицей в этом случае являются органические капиллярно-пористые среды, удерживающие влагу за счет сил поверхностного натяжения (например, машинно-вязанное полотно из синтетических волокон).

Для этих целей используются пористые среды в виде дисперсных влагопоглотителей, наиболее распространенным из которых является силикагель [39]. Подавление электромагнитной энергии осуществляется при взаимодействии излучения с раствором, диэлектрические и проводящие свойства которого можно контролировать, изменяя его состав [40], а также структуру образующей матрицы, и созданием многослойных материалов с градиентом свойств по толщине.