Способ модификации поверхности углерода

Способ модификации поверхности углерода

Реферат

Изобретение относится к способу получения компонентов твердого ракетного топлива (ТРТ) баллиститного и смесевого типа с повышенными характеристиками горения, которые используют для увеличения дальности стрельбы, уменьшения разгара материала стволов, маскировки траектории и места старта ракеты.

Известно, что регулирование скорости горения и ее зависимости от температуры и давления в твердых ракетных топливах (ТРТ) осуществляется путем использования катализаторов горения. Наиболее эффективным способом введения их в топливную массу является метод химического осаждения на поверхность углерода в виде мелкодисперсного порошка.

Из литературы известно о высаживании оксидов металлов на наполнители: нитроцеллюлозу, октоген в статье (С.И.Яковлев «Механизм действия катализаторов на горение порохов». Физика горения и взрыва, 1991. т.27, №1, с.33-36).

Известно, что применение оксидов металлов, например, оксида меди, позволяет ускорить разложение октогена, что способствует повышению скорости горения и снижению его зависимости от давления.

Известен ряд статей по высаживанию оксидов металла на кристаллы октогена из солей тяжелых металлов и органических кислот (Степанов Р.С.с сотрудниками, Физика горения и взрыва, 1999. т.35, №3, с.52-56; 2000. т.36, №5, с.74-77; 2004. Т.40, №5, с.86-90).

Все приведенные методы получения оксида меди на поверхности окто-гена связаны с применением органического растворителя, который после осаждения осадка необходимо либо отогнать, либо испарить при перемешивании с открытой поверхности.

В работе института химии и химической технологии СО РАН, г.Красноярск «Свойства модифицированных медью пористых углеродных материалов, полученных пиролизом металлзамещенной целлюлозы и древесины осины» («Химия растительного сырья», 2001, №4, с.59-64) исследованы свойства пористых углеродных материалов, полученных пиролизом модифицированных ионами Си образцов сульфитной целлюлозы и древесины осины. В этой работе для приготовления металлсодержащих пористых углеродных материалов применяется метод внедрения соединений меди в целлюлозный материал с последующей карбонизацией при повышенных температурах. Например, опилки осины с фракцией ≤2 мм пропитывалась водным растворами Cu(NO₃)₂, Cu(CH₃COO)₂, Cu(NH₃)_n(OH)₂ различной концентрации. Избыток раствора удаляли фильтрованием и высушивали до воздушно-сухого состояния. Пиролиз образцов осуществляли в кварцевом реакторе при температурах до 600°C.

Недостатком такого метода является недостаточно высокое содержание Cu⁺² в углеродном материале.

Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в разработке способа модификации поверхности углерода в виде дисперсии окиси меди в водном растворе ацетата меди с максимальным выходом в присутствии поверхностно-активного вещества. Проведение процесса в воде исключает его пожароопасность.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что готовят суспензию углерода в водном растворе ацетата меди при массовом соотношении C:H₂O:Cu(CHCOO)₂·H₂O=1:10…15:0,25…0,3, нагревают до 90…100°C и дозируют водный раствор едкого натра в суспензию углерода при мольном соотношении ацетата меди к едкому натру Cu(CH₃COO)₂·H₂O:NaOH=1:1,05…1,2 в течение 20…30 минут и добавляют водный раствор поверхностно-активного вещества - октилфенилового эфира полиэтиленоксида (ОФП) при массовом отношении ОФП:С=0,005…0,02:1 выдерживают при перемешивании 10…15 минут, охлаждают до 25…30°C, отфильтровывают, промывают водой, сушат при температуре 90…100°C до постоянного веса.

Медные соли при термораспаде образуют мелкодисперсные частицы окиси меди, снижающие температуру разложения в составах, и оказывают положительное влияние на характеристики горения.

Выделенный углерод, покрытый окисью меди, представляет собой порошок черного цвета, который хорошо рассыпается, не комкуется, не слеживается.

Осаждение кристаллов окиси меди происходит в момент их образования, что обеспечивает их высокую дисперсность.

Адгезия кристаллов окиси меди достигается за счет использования поверхностно-активного вещества - октилфенилового эфира полиэтиленоксида (ОФП).

Высаживание окиси меди протекает в две стадии по схеме:

Cu(CH₃COO)₂+NaOH↔Cu(OH)(CH₃COO)+CH₃COONa

На первой стадии образуется оксиацетат меди, который при нагревании переходит в окись меди.

Cu(OH)(CH₃COO)↔CuO|+CH₃COOH

Продолжительность процесса осаждения окиси меди на углерод составляет ~ 20…30 минут.

Температурные пределы процесса высаживания окиси меди на углерод составляют 90…100°C. Снижение температуры ниже 90 C приводит к замедлению процесса гидролитического распада оксиацетата меди. Верхний предел ограничен температурой кипения воды (таблица 1, опыт 4-5).

Результаты проведенных экспериментов представлены в таблице, в которой приведены параметры технологического процесса, осаждения дисперсии окиси меди на углероде.

Таблица
п/п	Соотношение С:H2O:Cu(CHCOO)2H2O, (мас.ч)	Температура, °C	Соотношение Cu(CH3COO)2H2O:NaOH (моли)	Время дозировки, (мин)	Концентрация ОФП, %	Время выдержки, мин	Выход окиси меди, %
1	2	3	4	5	6	7	8
1	1:8:0,21	80	1:0,9	10	0,003	7	96,8
2	1:10:0,25	90	1:1,05	15	0,005	10	99,6
3	1:12:0,27	95	1:1,1	20	0,01	12	99,7
4	1:15:0,3	100	1:1,2	30	0,02	15	99,9
5	1:20:0,3	100	1:1,3	40	0,02	20	98,1

Массовое соотношение оощего количества воды и углерода составляет 10…15:1, что связано с хорошим перемешиванием массы. Увеличение количества воды способствует снижению производительности аппарата.

Массовое соотношение ОФП к углероду составляет 0,005…0,02 это позволяет почти полностью высадить оксид меди на углерод.

Время дозирования водного раствора едкого натра составляет 20…30 минут. Уменьшение времени дозировки способствует образованию агломератов кристаллов окиси меди. Увеличение времени более 30 минут способствует увеличению производственного цикла.

Пример выполнения предлагаемого изобретения.

В обогреваемый реактор, снабженный механической мешалкой, термопарой и воронкой для дозирования, помещают раствор, состоящий из 1500 мас.ч. воды и 25…30 мас.ч. ацетата меди, включают перемешивание и загружают 100 мас.ч. углерода технического, нагревают до 90° и дозируют водный раствор едкого натра при мольном соотношении ацетат меди и едкого натра - 1:1,05…1,2 в течение 20…30 минут. После окончания дозировки приливают водный раствор поверхностно-активного вещества в количестве 0,02 мас.ч. к углероду и выдерживают 10…15 минут. Состав охлаждают до 25…30°C, отфильтровывают, сушат при 90-100°C до постоянного веса. Выход окиси меди на углерод составляет 99,6…99,9% (таблица 1, опыт 2-4).

Положительный эффект изобретения состоит в получении дисперсии окиси меди и высаживание ее на углерод. Полученный продукт - компонент, состоящий из углерода с осажденной дисперсией окиси меди с использованием ОФП, применяется для изготовления баллиститного состава, так и смесевого твердого ракетного топлива.

Приготовление состава осуществляется по технологии получения баллиститного топлива, а именно, состоит из приготовления топливной массы, отжим, вальцевание, сушка и формование топливных элементов.

Улучшение характеристик горения достигается за счет равномерного дисперсионного осаждения окиси меди на углерод на молекулярном уровне и равномерного распределения по всей поверхности. Предлагаемый способ модификации поверхности углерода для льдообразующего состава проверен в промышленных условиях ОАО «НИИПМ».

Способ модификации поверхности углерода окисью меди, включающий подготовку суспензии углерода в водном растворе ацетата меди при массовом соотношении C:H₂O:Cu(CHCOO)₂·H₂O=1:10…15:0,25…0,30, нагревание до 90…100°C, дозирование водного раствора едкого натра в суспензию углерода при мольном соотношении ацетата меди к едкому натру Cu(CH₃COO)₂·H₂O:NaOH=1:1,05…1,2 в течение 20…30 мин, добавление водного раствора поверхностно-активного вещества - октилфенилового эфира полиэтиленоксида к углероду при массовом отношении ОФП:С=0,005…0,02:1, выдерживание при перемешивании 10…15 мин, охлаждение до 25…30°C, отфильтровывание, промывание водой и сушка при температуре 90…100°C до постоянного веса.