3.3.2.2 Получение углеродных композиционных материалов.
Получение УКМ осуществляется путем разложения газа электрокрекинга (ЭКГ) жидких нефтяных фракций на поверхности исходных углеродных матриц. Газ электрокрекинга образуется в экспериментальном реакторе под действием низковольтной рвущейся дуги.
В течение 30 минут перед началом получения углеродных материалов опытная установка продувается потоком ЭКГ (расход ЭКГ = 6 л/ч) для вытеснения воздуха из системы.
Берут навеску образца исходной матрицы массой 0,1-0,2 г. Так как в процессе получения УКМ исследуют изменение свойств образующегося материала то необходимо получить информацию о свойствах матрицы. Для этого газохроматографическим методом проводят определение ее удельной адсорбционной поверхности и измерение объема образца.
Далее объект помещают в кварцевую трубку и подключают к линии подачи Не–N2 смеси. В течение 3 минут пропускают Не–N2 смесь для вытеснения воздуха. Затем трубку помещают в электропечь и выдерживают 5 минут в токе Не–N2 при температуре 1000 ºС. Далее проводят газохроматографическое определение адсорбционной поверхности, измерение массы образца на аналитических весах и определение объема. С помощью пипетки с внутренним диаметром 3,5 мм и делениями по 0,1мл измеряют объем образца.
Далее исходную матрицу помещают в кварцевую трубку и подключают к линии подачи электрокрекинг–газа. Выдерживают образец в токе сырья в течение 3 минут для вытеснения воздуха и предотвращения в дальнейшем его окисления. По истечении указанного промежутка времени подачу сырья прекращают и помещают трубку в печь. В течение некоторого времени происходит нагрев трубки с образцом до достижения заданной температуры, значение которой регулируется лабораторным автотрансформатором и устанавливается по показаниям термопары. Когда температура в печи установится, открывают кран подачи электрокрекинг-газа. Расход сырья - 6 л/ч. В течение определенного промежутка времени протекает образование углеродных структур на поверхности исходной матрицы. По истечении указанного промежутка времени подачу сырья прекращают. Трубку с образцом вынимают из печи, охлаждают и отсоединяют от газовой линии. Полученный продукт высыпают из трубки, определяют его массу, объем и газохроматографическим методом определяют удельную адсорбционную поверхность материала. Подобные технологические операции и аналитические определения проводят несколько раз, до выполнения программы исследования. Например, в одном случае необходимо было достичь определенного массового соотношения - новая углеродная фаза : исходная матрица, в другом, изучалось влияние температуры на процесс получения углеродных структур и их свойства и тогда число повторных операций определялось диапазоном изменения температуры и выбранным шагом.
3.3.2.3 Окисление углеродных композиционных материалов.
Окисление углеродных материалов проводится в том же блоке установки комплексного анализа саж, что и их получение.
В начале исследования определяют свойства исходного, не окисленного материала. Газохроматографическим методом находят его удельную адсорбционную поверхность, измеряют массу и объем образца. Далее исследуемое вещество помещают в кварцевую трубку и подключают к линии подачи диоксида углерода. В течение 3 минут через трубку пропускают СО2 для вытеснения воздуха. Расход СО2, устанавливался с помощью пенного измерителя (30 мл/мин) и контролировался по показаниям жидкостного манометра. Для отображения характера развития процесса окисления применялся газоопределитель с детектором по теплопроводности. Через одну из ячеек катарометра проходил диоксид углерода, который затем направлялся в трубку с образцом. Выходящий из трубки реакционный газ поступал во вторую ячейку. Масштаб показаний прибора и скорость движения ленты устанавливались исследователем. После вытеснения воздуха из трубки, когда регистратор газоопределителя начинал показывать отсутствие рассогласования в ячейках, трубка с образцом помещалась в печь. Вращением ручки лабораторного автотрансформатора устанавливалось напряжение, подаваемое на печь, и задавалась скорость ее нагрева. Температура в реакторе фиксировалась периодически (рис. 3.2.).
Как видно из рисунка, окисление исследуемых углеродных материалов проводилось в динамическом температурном режиме. Преимущества определения кинетических
параметров неизотермическими методами по сравнению с обычными изотермическими состоят в следующем [95]: а) требуется гораздо меньше данных; б) кинетические параметры могут рассчитываться непрерывно для всего интервала температур; в) когда при нагревании образца до требуемой температуры он вступает в реакцию результаты, полученные изотермическими методами, часто сомнительны; г) требуется только один образец. Определенным недостатком неизотермических методов, по сравнению с изотермическими, обычно является невозможность установления механизма реакции и определения достоверных значений энергии активации, порядка реакции и частотного фактора.
В ходе исследований материалы подвергались непрерывному окислению и ступенчатому. В непрерывном режиме изучалась динамика, характер развития процесса. Ступенчатый режим позволял проследить изменения свойств материалов. Для этого процесс периодически останавливали, извлекали трубку из печи и проводили измерения массы, объема образца, газохроматографическое определение удельной адсорбционной поверхности. Далее трубку с образцом снова помещали в печь и продолжали окисление с той температуры, на которой процесс был остановлен.