Способ получения нанокомпозита feni3/пиролизованный полиакрилонитрил



Способ получения нанокомпозита feni3/пиролизованный полиакрилонитрил
Способ получения нанокомпозита feni3/пиролизованный полиакрилонитрил
Способ получения нанокомпозита feni3/пиролизованный полиакрилонитрил
Способ получения нанокомпозита feni3/пиролизованный полиакрилонитрил

 


Владельцы патента RU 2455225:

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Изобретение относится к нанотехнологии изготовления нанокомпозита FeNi3/пиролизованный полиакрилонитрил (ППАН). Способ получения нанокомпозита включает приготовление раствора FeCl3·6Н2О, NiCl2·6Н2О и ПАН (Мη=1·105) в диметилформамиде (ДМФА), выдерживание до растворения FеCl3·6Н2O, NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА, выпаривание ДМФА, нагревание твердого вещества. При этом приготовление раствора FeCl3·6Н2О, NiCl2·6Н2О и ПАН в ДМФА осуществляют с концентрациями [Fe]=2-20 масс.%, [Ni]=2-20 масс.% и [ПАН]=1-10 масс.%. ДМФА выпаривают при Т≤60°С. ИК-нагрев твердого остатка при Р=10-3-10-2 мм рт.ст. производят в несколько этапов: 1) со скоростью нагрева V=2-20°С/мин до 300°С и выдержкой в течение 5-30 минут; 2) со V=2-20°С/мин до 450°С и выдержкой в течение 5-30 минут; 3) со V=2-20°С/мин до 500°С или 700°С и выдержкой при 500°С или 700°С в течение 1-30 минут. Техническим результатом является получение нанокомпозита FeNi3/ППAH, содержащих наночастицы FeNi3 с размером от 10 до 90 нм, при ИК-нагреве композита FeCl3·6Н2О/NiСl2·6Н2О/ПАН. 1 табл., 3 пр., 3 ил.

 

Изобретение относится к нанотехнологии изготовления нанокомпозита FеNi3/пиролизованный полиакрилонитрил (ППАН).

Магнитные свойства пермаллоя FeNi3 резко изменяются, когда кристаллиты уменьшаются до размеров, приблизительно меньших чем 100 нм. Одним из способов получения наночастиц пермаллоя является электрический взрыв металлического провода в деионизованной воде с помощью пропускания импульса электрического тока с плотностью около 1010 А/м2 в течение ~10-6 сек [L.N.Вас, Y.S.Kwon, J.S.Kirn. Synthesis and characteristic of FeNi3 intermetallic compound obtained by electrical explosion of wire // Materials Research Bulletin. 2009. V.45. PP.352-354]. Однако деионизованная вода не способна предотвратить агрегацию наночастиц и уменьшение квантово-размерного эффекта магнитных свойств.

В другом способе наночастицы FeNi3 получают с помощью реакции восстановления в гидразине N2H4·H2O солей FeCl2·4H2O и NiCl2·6H2O, предварительно растворенных в деионизованной воде [Xuegang Lu, Gongying Liang, Yumei Zhang. Synthesis and characterization of magnetic FeNi3 particles obtained by hydrazine reduction in aqueous solution // Material Science and Engineering B. 2007. V.139. PP.124-127]. К недостаткам этого способа следует отнести отсутствие стабилизирующей среды для наночастиц FeNi3 и длительное время реакции, составляющее 24 часа, что затрудняет возможность контролировать размер частиц и однородность их распределения.

Для применения в области высоких частот наночастицы FeNi3 инкапсулируют SiO2, таким образом, увеличивая сопротивление композита. Наночастицы FeNi3 приготавливают с помощью химического восстановления солей FeCl2·4H2O и NiCl2·6H2O в гидразин гидрате N2H4·H2O (C=80%). При этом в качестве поверхностно-активного вещества используют полиэтиленгликоль. Время реакции составляет 24 часа при комнатной температуре. В процессе реакции рН контролируется и поддерживается в интервале 12≤рН≤13 [X. Lu, G. Liang, Q. Sun, C. Yang. High-frequency magnetic properties of FeNi3-SiO2 nanocomposite synthesized by a facile chemical method. // Journal of Alloys and Compounds. 2011. V.509. PP.5079-5083]. К недостаткам этого способа синтеза наночастиц FeNi3 можно отнести сложность контролирования размера и фазовый состав наночастиц из-за флуктуаций условий реакции (температура, рН, концентрация реагентов) в процессе длительной реакции восстановления.

Техническим результатом является получение нанокомпозита FeNi3/ППAH, содержащих наночастицы FeNi3 с размером от 10 до 90 нм, при ИК-нагреве композита FeCl3·6H2O/NiCl2·6H2O/ПAH.

Способ получения нанокомпозита FеNi3/ППАН, включающий стадии приготовления раствора FeCl3·6H2O, NiCl2·6H2O и ПАН (Мη=1·105) в диметилформамиде (ДМФА) с концентрациями [Fe]=2÷20 масс.%, [Ni]=2÷20 масс.% и [ПАН]=1÷10 масс.%; выдерживания 72 часа при 25°С до полного растворения FeCl3·6H2O, NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА; выпаривания ДМФА; нагревания полученного твердого остатка. Отличительными чертами метода является приготовление раствора FеСl3·6Н2O, NiCl2·6H2O и ПАН при различных концентрациях FеСl3·6Н2O, NiCl2·6H2O и ПАН, составляющих 2÷20, 2÷20 и 1÷10 масс.%, соответственно; выдерживание в течение 72 часов при 25°С до полного растворения FеСl3·6Н2O, NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА; выпаривание ДМФА при Т≤60°С; ИК-нагрев полученного твердого остатка при давлении 10-3÷10-2 мм рт.ст. в несколько этапов: 1) со скоростью нагрева V=2÷20°С/мин до 300°С и выдержкой в течение 5-30 минут; 2) со V=2÷20°С/мин до 450°С и выдержкой в течение 5÷30 минут; 3) со V=2÷20°С/мин до 500°С или 700°С и выдержкой при 500°С или 700°С в течение 1-30 минут с образованием нанокомпозита FeNi3/ППAH, содержащего наночастицы FeNi3 с размером от 10 до 90 нм.

Для измерения размеров наночастиц FeNi3 использованы рентгеновский дифрактометр ДРОН-1,5 (СuКα-излучение) с модернизированной коллимацией и метод сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с использованием низковакуумного растрового двухлучевого электронного микроскопа Quanta 3D FEG. Средний размер кристаллитов (LC) интерметаллида FeNi3 рассчитан из рентгеновских спектров с помощью уравнения Дебая-Шерера:

LC=kλ/Bcosθ,

где k - константа, равная 0,89; В - полуширина дифракционного угла, соответственного дифракционного максимума; λ=1,54056 Å - длина волны рентгеновского СuКα - излучения, Θ - дифракционный угол, град.

Пример 1. Готовятся навески FеCl3·6Н2О с NiCl2-6H2O с ПАН с mПАН=2 г; приготавливается 40 мл ДМФА для изготовления раствора FeCl3·6H2O, NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА с концентрациями [Fe]=5 масс.%, [Ni]=5 масс.% и [ПАН]=5 масс.%. В коническую колбу (V=50 мл) с пробкой заливается ДМФА и засыпается навеска ПАН. Затем в колбу засыпаются навески FеСl3·6Н2O и NiCl2·6H2O. После перемешивания содержимого в колбе с помощью стеклянной палочки в течение 5 мин колба закрывается пробкой. После выдержки смеси в течение 72 часов при 25°С до полного растворения FеСl3·6Н2O и NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА получается коричневый раствор. Полученный раствор заливается в тонкостенную фарфоровую чашку и выпаривается ДМФА из раствора (Т≤60°С) в сушильном шкафу. Получается твердый остаток коричневого вета. Далее полученный остаток нагревается в вакууме (Р=10-2 мм.рт.ст) на установке ИК-нагрева в несколько этапов: 1) со скоростью нагрева V1=7°С/мин до первой промежуточной температуры T1=300°С и выдержкой в течение 30 минут; 2) со V2=10°С/мин до второй промежуточной температуры Т2=450°С и выдержкой в течение 15 минут; 3) со V3=10°С/мин до конечной температуры Тк=500°С и выдержкой в течение 15 минут. Восстановление Fe и Ni, и образование кристаллитов интерметаллида FeNi3 внутри полимерной матрицы происходит с помощью H2, выделяющегося при деструкции ПАН под действием ИК-нагрева (фиг.1). В результате получается нанокомпозит FеNi3/ППАН в виде порошка черного цвета. По данным методов рентгенофазового анализа (РФА) (фиг.2) и СЭМ (фиг.3) определен средний размер наночастиц FeNi3, составляющий 47 нм.

Пример 2. Готовятся навески FeCl3·6H2O с NiCl2·6H2O с ПАН с mПАН=2 г; приготавливается 40 мл ДМФА для изготовления раствора FеСl3·6Н2O, NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА с [Fе]=15 масс.%, [Ni]=15 масс.% и [ПАН]=5 масс.%. В коническую колбу (V=50 мл) с пробкой заливается ДМФА и засыпается навеска ПАН. Затем в колбу засыпаются навески FеСl3·6Н2O и NiCl2·6H2O. После перемешивания содержимого в колбе с помощью стеклянной палочки в течение 5 мин колба закрывается пробкой.

После выдержки смеси в течение 72 часов при 25°С до полного растворения FeCl3·6H2O и NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА получается коричневый раствор. Полученный раствор заливается в тонкостенную фарфоровую чашку и выпаривается ДМФА из раствора (Т≤60°С) в сушильном шкафу. Получается твердый остаток коричневого цвета. Далее полученный остаток нагревается в вакууме (Р=10-2 мм рт.ст) на установке ИК-нагрева в несколько этапов: 1) со V1=5°С/мин до T1=300°С и выдержкой в течение 30 минут; 2) со V2=10°С/мин до Т2=450°С и выдержкой в течение 15 минут; 3) со V3=10°С/мин до Тк=700°С и выдержкой в течение 15 минут. В результате получается нанокомпозит FeNi3/ППAH в виде порошка черного цвета. По данным методов РФА и СЭМ определен средний размер наночастиц FeNi3, составляющий 40 нм.

Пример 3. Готовятся навески FeCl3·6H2O с NiCl2·6H2O с ПАН с mПАН=2 г; приготавливается 40 мл ДМФА для изготовления раствора FеСl3·6Н2O, NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА с [Fе]=20 масс.%, [Ni]=20 масс.% и [ПАН]=5 масс.%. В коническую колбу (V=50 мл) с пробкой заливается ДМФА и засыпается навеска ПАН. Затем в колбу засыпаются навески FеСl3·6Н2O и NiCl2·6H2O. После перемешивания содержимого в колбе с помощью стеклянной палочки в течение 5 мин колба закрывается пробкой. После выдержки смеси в течение 72 часов при 25°С до полного растворения FеСl3·6Н2O и NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА получается коричневый раствор. Полученный раствор заливается в тонкостенную фарфоровую чашку и выпаривается ДМФА из раствора (Т≤60°С) в сушильном шкафу. Получается твердый остаток коричневого цвета. Далее остаток нагревается в вакууме (Р=10-2 мм рт.ст) на установке ИК-нагрева в несколько этапов: 1) со V1=7°С/мин до T1=300°C и выдержкой в течение 30 минут; 2) со V2=10°С/мин до Т2=450°С и выдержкой в течение 15 минут; 3) со V3=10°С/мин до Тк=600°С и выдержкой в течение 15 минут. В результате получается нанокомпозит FeNi3/ППAH в виде порошка черного цвета. По данным методов РФА и СЭМ определен средний размер наночастиц FeNi3, составляющий 53 нм.

От условий получения (температура; давление в реакционной камере; скорость нагрева; время термической обработки; концентрация солей Fe и Ni в полимере) зависит размер наночастиц FeNi3. Зависимость размера наночастиц FeNi3, измеренных с помощью метода РФА, в полимерной матрице от условий ИК-нагрева и концентрации компонентов показаны в таблице.

Таблица
Рентгенографические характеристики композитов FeNi3/ППAH, полученных при разных условиях ИК-нагрева
№ п/п [Fe], масс.% [Ni], масс.% Т, °С Р, ммрт.ст V1, °/мин V2, °/мин V3, °/мин t1, мин t2, мин t3, мин Состав частиц Средний размер частиц, нм
1 20 20 600 10-2 7 10 10 30 15 15 FeNi3 53
2 15 15 700 10-2 5 10 10 30 15 15 FeNi3 40
3 5 5 500 10-2 7 10 10 30 15 15 FeNi3 47
4 5 5 700 10-2 7 10 10 30 15 1 FeNi3 15
5 20 20 500 10-3 7 10 10 30 15 15 FeNi3 57
6 15 15 500 10-2 10 10 10 30 15 5 FeNi3 20
7 2 2 500 10-3 20 10 10 30 15 1 FeNi3 10
8 10 10 700 10-3 10 20 10 15 20 5 FeNi3 18
9 5 10 500 10-3 20 10 20 30 15 30 FeNi3 35
10 10 25 500 10-2 5 10 10 20 30 8 FeNi3 70
11 20 20 600 10-2 5 5 15 30 15 12 FeNi3 75
12 8 8 700 10-3 20 10 5 25 10 10 FeNi3 45

Способ получения нанокомпозита FеNi3/пиролизованный полиакрилонитрил (ППАН), включающий приготовление раствора FеCl3·6Н2О, NiCl2·6Н2О и ПАН (Мη=1·105) в диметилформамиде (ДМФА), выдерживание до растворения FeСl3·6Н2О, NiCl2·H2O и ПАН в ДМФА, выпаривание ДМФА, нагревание полученного твердого остатка, отличающийся тем, что осуществляют приготовление раствора FeCl3·6Н2О, NiCl2·6H2O, и ПАН в ДМФА с концентрациями [Fe]=2-20 мас.%, [Ni]=2-20 мас.% и [ПАН]=1-10 мас.%; выпаривание ДМФА при Т≤60°С; ИК-нагрев полученного твердого остатка при давлении 10-3-10-2 мм рт.ст. производят в несколько этапов: 1) со скоростью нагрева V=2-20°С/мин до 300°С и выдержкой в течение 5-30 мин; 2) со V=2-20°С/мин до 450°С и выдержкой в течение 5-30 мин; 3) со V=2-20°С/мин до 500 или 700°С и выдержкой при 500°С или 700°С в течение 1-30 мин с образованием нанокомпозита FеNi3/ППАН, содержащего наночастицы FeNi3 с размером от 10 до 90 нм.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к технологии получения радиопоглощающего магний-цинкового феррита, который может найти широкое применение в производстве безэховых камер, обеспечивающих исключение отражения радиоволн от стен камеры.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению спеченных постоянных магнитов системы РЗМ-Fe-B. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению порошковых магнитострикционных ферритов. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению порошковых магнитострикционных ферритов. .

Изобретение относится к получению магнитоактивных соединений - основы магнитных жидкостей, которые обладают уникальным сочетанием текучести и способностью взаимодействовать с магнитным полем.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к изготовлению ориентированной кремнистой стали с высокими электромагнитными свойствами. .

Изобретение относится к формированию интенсивного неоднородного магнитного поля в ограниченном пространстве и может быть использовано для эффективных головок записи на магнитные носители с высокой плотностью информации и устройств для переключения спинтронных нанокомпонентов в электронике, повышения пространственного разрешения, чувствительности и функциональных возможностей магнитных сенсорных устройств, в частности магнитных силовых микроскопов, создание новых типов биочипов для биохимической диагностики среды на основе манипуляторов магнитными нанометками, сепарации биологических нанообъектов и химических веществ по их магнитным свойствам в микро- и нанообъемах и др.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению спеченных магнитов системы РЗМ-Fe-B. .
Изобретение относится к способу получения волокнообразующего полимера или сополимера акрилонитрила и волокнообразующего полимера или сополимеру акрилонитрила, полученному таким способом.
Изобретение относится к области производства катализаторов для химической и нефтехимической промышленности, которые могут быть использованы в процессах дегидрирования и реформинга органических соединений с целью получения водорода, олефинов, циклоолефинов и ароматических соединений.
Изобретение относится к технологии получения сверхвысокомолекулярных волокнообразующих полимеров, которые могут служить сырьем для получения сверхпрочных и высокомодульных углеродных волокон.
Изобретение относится к получению водорастворимых полимеров акрилового ряда, которые могут применяться в ряде отраслей техники и технологии, а именно в качестве шлихты при отделке текстиля, в угольной, горнорудной промышленности, и в процессах очистки и осветления питьевой, промышленной и сточных вод в качестве флокулянта, в буровой технике в качестве защитного средства, в химической промышленности как сгущающее средство.

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано в нефтегазодобывакщей целлюлозно-бумажной промьшшенности, в ком мунальном хозяйстве и др. .

Изобретение относится к нанотехнологии, в частности к способу получения наночастиц металлов. .
Наверх