ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Структура нефтяного углерода и его поверхностно-активные свойства в газовой и жидкой средах из "Нефтяной углерод" Рентгеноструктурными, электронографическими и другими новыми методами исследования структуры углерода установлено, что чистый углерод кристаллизуется с образованием кубической (алмазы) и гексагональной (графит) форм. В узлах кристаллической решетки алмаза каждый атом углерода направляет свои четыре о-связи к четырем соседним атомам. Расстояние между атомами в решетке алмаза такое же, как между атомами углерода в органических соединениях— 1,54 А. Энергия связи между атомами углерода весьма высока, что обусловливает высокую твердость алмаза, малую его летучесть и большую химическую стойкость. Теплота сгорания алмаза несколько выше, чем графита. В связи с этим при нагреве алмаза без доступа воздуха он переходит в термодинамически более устойчивое состояние — в графит. В кристалле графита (рис. 12) атомы углерода в базисных плоскостях расположены в углах шестиугольников, на расстоянии 1,42 А, т. е. на таком л е расстоянии, как и в молекулах бензола. Прочность связей углерода в базисной плоскости кристалла графита примерно в шесть раз выше, чем в атомах углерода, расположенных на двух плоскостях, находяш,ихся на расстоянии 3,345 А. Относительно большое расстояние между базисными плоскостями обусловливает специфические физико-химические и механические свойства графита. Значительное расстояние между базисными плоскостями приводит к тому, что между ними могут внедряться атомы других элементов меньших размеров. [c.50] Таким образом, кристаллит представляет собой структурную единицу нефтяного углерода, состоящую из п ароматических сеток (базисных плоскостей) с боковыми функциональными группами. Кристаллиты ориентированы относительно друг друга и также связаны между собой неупорядоченными углеводородными цепями. [c.51] Кристаллиты различных видов углерода (сажи, нефтяные коксы), несмотря на неодинаковые условия получения, имеют близкие размеры и представляют собой пакеты из базисных плоскостей, число которых п колеблется от 2 до 5. Исключение составляет ацетиленовая сажа, где п может достигать 6—8. Размеры кристаллитов сырого нефтяного кокса ( а = 24—33 А и с = 15— 20 А) колеблются в сравнительна узких пределах по сравнению с размерами кристаллитов сажи ( а=15—30 А и 1с=10—20 А). [c.52] Некоторые виды нефтяного углерода (игольчатый нефтяной кокс) графитируются значительно легче, чем сажа, полученная из того же вида нефтяного сырья, или нефтяной кокс, полученный на основе асфальта. Установлено, что на степень графитации влияют и качество сырья, и технологический режим получения углерода. [c.52] Степень упорядочения кристаллита в направлении 1а в первом приближении определяется отношением числа атомов углерода, сконденсировавшегося в базисной плоскости кристаллита ( ковер из ароматических ядер), к числу атомов углерода, находящихся в соединительных цепях и в боковых радикалах. Отклонение расстояния между базисными плоскостями в любых формах углерода от расстояния в кристалле графита характеризует меру упорядочения по Ьс. [c.52] Атомы в кристаллите сажи, имея относительно высокую степень упорядочения по а, в направлении с менее упорядочены. Расстояние в кристаллите сажи между базисными плоскостями колеблется в пределах 3,4—3,7 А, что искажает параллельность ее слоев внутри пакета. [c.52] Степень упорядочения базисных плоскостей, соотношения между кристаллитами, неорганизованным углеродом (боковые цепи) и единичными слоями зависит главным образом от условий получения сажи. Высокие температуры получения сажи и малая длительность пребывания сырья в зоне реакции позволяют получить углерод, не склонный к графитации. [c.52] Структура углерода на поверхности сажи отличается от его структуры в ядре. Наиболее упорядочен углерод в поверхностных слоях степень его упорядоченности уменьшается с продвижением к центру частицы и с уменьшением ее размеров. Возможно, что неоднородность частицы сажи объясняется наслаиванием на нее углерода в процессе ее образования при этом в последующем слое создаются более благоприятные условия для упорядочения такой частицы. По мере повышения ароматизованности сырья степень однородности слоев частиц увеличивается, что в общем позволяет в некоторых пределах влиять на свойства саж. Неоднородность молекулярной структуры частиц влияет на химические и физикохимические свойства сажи. [c.52] Нефтяные коксы, особенно игольчатой структуры, более склонны к графитации, чем рядовые коксы, что объясняется особенностями их молекулярной структуры. В отличие от сравнительна длинных цепей с одинарными связями в молекулах смол и асфальтенов боковые цепи кристаллитов кокса, по-видимому, более коротки и прочны. Наряду с боковыми цепями, связывающими структурные звенья кристаллита в единое целое, краевые атомы углерода слоев могут иметь радикалы типа СНз-, 5Н-, Н- и др. [c.53] От типа связей в боковых цепях кристаллитов (по В. И. Ка-саточкину) зависит степень их подвижности при высокотемпературной обработке, обусловливающая одно- или двухстадийность (с участием газовой фазы) процесса графитации. [c.53] Тип боковых цепей, радикалов, прочность их связей и отношение неупорядоченной части к упорядоченной в направлении 1а обусловливает склонность углерода к химическим реакциям, а размер и упорядоченность кристаллитов углерода перпендикулярно к этому направлению (по с) определяет его физические свойства (адсорбционную способность, энергетическую неоднородность поверхности, внутреннюю поверхность, пористость, тепло- и электропроводность и др.)- По мере протекания химических реакций, сопровождающихся увеличением упорядочения по 1а, непрерывно изменяются физико-химические свойства углерода, которые, в свою очередь, влияют на склонность п характер деструктивных процессов, протекающих на поверхностных слоях углерода. [c.53] В зависимости от молекулярной структуры сырья и технологических условий получения отдельные виды углерода различаются не только степенью упорядоченности, однородности поверхности, но и степенью, и характером пористости, формирующейся в результате сложных физико-химических процессов. Наличие пор в массе углерода сказывается на его физической и химической активности при осуществлении различного рода технологических процессов (прокаливания, обессеривания и др.). [c.53] Различная степень неоднородности углерода и разное соотношение в нем нор обусловливают при контакте его с активными газами неодинаковую склонность к физической или химической адсорбции газов на поверхности углерода (образование поверхностных комплексов), десорбирование которых приводит к повышению энергии поверхности углерода. [c.54] Изменение поверхностной активности углеродистых материалов в наибольшей степени достигается в результате их термической обработки (прокаливания играфитации). [c.55] В отличие от твердых видов углерода молекулы в пластических массах (нефтяных пеках) значительно менее упорядочены как в направлении а, так и в направлении Повышенные значения отношения структурирующихся компонентов к неструктури-рующимся предопределяют химические и физико-химические свойства (увеличение поверхностного натяжения, краевого угла смачивания и др.) и направления использования нефтяных пеков. [c.55] Использование технических видов углерода в качестве наполнителей (нефтяные коксы), связующих и пропиточных жидкостей (нефтяные пеки), усилителей резины (сажи) базируется на поверхностных явлениях, происходящих па разделе фаз. Эти явления зависят от состояния и энергии поверхности твердых веществ и от молекулярной структуры и устойчивости жидких сред, а также от условий их адсорбции. [c.55] Вернуться к основной статье