Способ получения углеродных наноструктурных материалов



Способ получения углеродных наноструктурных материалов

 


Владельцы патента RU 2496713:

Федеральное государственное бюджетное учреждение "ВЫСОКОГОРНЫЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ" (ФГБУ ВГИ) (RU)

Изобретение может быть использовано при изготовлении материалов для электронной техники, присадок для ракетных топлив, катализаторов, смазочных масел и полимерных покрытий. Климатическую камеру 1 предварительно охлаждают холодильной установкой 4 до отрицательных температур. Затем в камеру 1 напускают водяной пар, производимый генератором 5. На естественных ядрах кристаллизации, находящихся в воздухе, искусственно осаждается переохлажденный водяной пар и образуются кристаллы льда, которые осаждаются в сборнике 7 и эвакуируются из камеры 1. Затем в установке 3 методом дугового распыла исходного материала в атмосфере инертного газа получают смесь частиц углеродных наноструктурных материалов с электродуговой сажей. Полученную смесь смешивают со средой камеры 1 и за счет селективной конденсации переохлажденного водяного пара на частицах углеродных наноструктурных материалов получают кристаллы льда. Целевой продукт извлекают осаждением кристаллов льда в сборнике 7, эвакуацией из камеры 1, нагревом и выпариванием воды. Селективную конденсацию ведут при атмосферном давлении и температуре в камере 1 от минус 5°С до минус 35°С и при условии, Ел<е<Ев, где е - упругость водяного пара в камере, Ел и Ев - насыщающая упругость водяного пара над льдом и водой, соответственно. Изобретение обеспечивает простое и безопасное извлечение углеродных наноструктурных материалов. 1 ил.

 

Изобретение относится к области нанотехнологий, а именно к методам получения углеродных наноструктурных материалов из электродуговой сажи, и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Известны различные способы получения углеродных наноструктурных материалов из электродуговой сажи, в том числе и способ, основанный на их экстракции из сажи в виде раствора в органическом растворителе, например, бензоле или толуоле с последующим выпариванием раствора фуллеренов для кристаллизации целевого продукта и регенерации растворителя (Лаухина Е.Э., Бубнов В.П. Изв. АН, сер. Химическая, 1995, № 7, с.1223).

Основным недостатком данного способа является то, что растворители, применяемые в процессе извлечения частиц углеродных наноструктурных материалов из сажи, являются пожароопасными и крайне токсичными. Кроме того, сам процесс извлечения раствора частиц из мелкодисперсной сажи по известному способу требует регенерации растворителя, что является также сложным и дорогостоящим процессом.

Известен и другой способ выделения фуллеренов из электродуговой сажи методом сублимации в вакууме (патент США N 5227038). Данный способ предусматривает подачу нейтрального газа - гелия в зону электродугового испарения графита, что способствует удалению частиц сажи и паров фуллеренов в зоны их селективной конденсации. Недостатком данного способа является то, что в данном процессе происходит унос сажи потоком газа из зоны его конденсации, что загрязняет внутреннюю полость установки. Для борьбы с этим явлением можно использовать различные фильтры. Однако по утверждению специалистов это приводит к тому, что фильтры забиваются сажей, что приводит к резкому возрастанию газодинамического сопротивления тракта и практическому прекращению процесса.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ извлечения фуллеренов из электродуговой сажи, получаемой электродуговым распылением графита в атмосфере инертного газа, например гелия, с последующим выделением фуллеренов из электродуговой сажи путем добавления в сажу при перемешивании растворителя до образования пасты, с последующим удалением растворителя из полученной пасты и выделением из образовавшейся компактной сажи фуллеренов методом сублимации в вакууме (Патент РФ №2124473, М. кл. 6 С01В 31/02, B01D 7/00, 1999 г. ПРОТОТИП).

К недостаткам известного способа можно отнести то, что применяемые растворители (бензол, ксилол и т.д.) являются пожароопасными и крайне токсичными. Кроме того, после получения компактной сажи необходимо извлечь фуллерены из самой этой сажи. Для этого используется сложный как в техническом, так и в технологическом плане процесс вакуумной возгонки фуллеренов при высоких температурах (580-800°С), требующий специальные откачивающие устройства - вакуумные насосы, нагреватели и т.д. В результате процесс извлечения фуллеренов становится затратным и неэффективным.

Техническим результатом от использования заявленного технического решения является упрощение процесса извлечения наноструктурных материалов из электродуговой сажи, а также повышение его эффективности и безопасности.

Технический результат достигается тем, что в известном способе получения углеродных наноструктурных материалов путем электродугового распыла графита в атмосфере инертного газа, например гелия, получение электродуговой сажи с последующим извлечением из нее частиц углеродных наноструктурных материалов, согласно изобретению, процесс извлечения частиц углеродных наноструктурных материалов из электродуговой сажи ведут в климатической камере, которую предварительно охлаждают до отрицательных температур и очищают от естественных ядер кристаллизации, находящихся в воздушной среде путем искусственного осаждения на них переохлажденного водяного пара с последующим образованием кристаллов льда, осаждением и их эвакуацией из климатической камеры, затем методом дугового распыла исходного материала в атмосфере инертного газа получают смесь частиц углеродных наноструктурных материалов с электродуговой сажей, которую затем смешивают со средой камеры и, за счет селективной конденсации переохлажденного водяного пара на частицах углеродных наноструктурных материалов, получают кристаллы льда, которые затем осаждают, собирают, эвакуируют из климатической камеры, и путем их нагрева получают водный раствор, после этого из данного раствора получают порошок углеродных наноструктурных материалов, либо водный их раствор заданной концентрации, при этом процесс селективной конденсации переохлажденного водяного пара на частицах углеродных наноструктурных материалов ведут при атмосферном давлении и температуре газовой среды в климатической камере в интервале от минус 5°C до минус 35°C и при условии, когда упругость водяного пара в камере (е) находится в пределах Ел<е<Ев, где Ел и Ев - насыщающая упругость водяного пара над льдом и водой, соответственно.

На рисунке схематично представлено устройство для получения углеродных наноструктурных материалов из электродуговой сажи.

Устройство для получения углеродных наноструктурных материалов представляет собой климатическую камеру 1, к которой посредством соединительного трубопровода 2 подключена установка 3 для получения смеси углеродных наноструктурных материалов с электродуговой сажей методом электродугового распыла графита в атмосфере инертного газа. К климатической камере 1 подключены также холодильная установка 4, обеспечивающая внутри камеры заданный температурный режим, и генератор водяного пара 5. Внутри климатической камеры 1 размещены вентилятор 6 для перемешивания воздуха и сборник кристаллов льда 7. Установка для получения смеси частиц углеродных наноструктурных материалов 3 представляет собой камеру, внутри которой размещены два графитовых электрода - неподвижный катод 8 и подвижный анод 9. К графитовым электродам 8 и 9 подключен источник электрического тока 10. Камера установки 3 подключена к внешнему источнику инертного газа. На рисунке данный источник не показан, поступление инертного газа гелия в камеру установки 3 показано стрелкой.

Процесс извлечения частиц углеродных наноструктурных материалов (далее наночастицы) с помощью данного устройства осуществляется следующим образом.

Предварительно климатическую камеру 1 очищают от естественных ядер кристаллизации, находящихся в воздушной среде. Для этого включают холодильную установку 4 и воздушную среду в климатической камере 1 охлаждают до температуры ниже минус 10°C. Затем включают генератор водяного пара 5 и в камеру 1 запускают водяной пар. После этого включают вентилятор 6 и перемешивают смесь воздуха с водяным паром. При этом на естественных ядрах кристаллизации, находящихся в паровоздушной среде камеры 1, образуются кристаллы льда, которые растут и под действием силы тяжести падают в сборник 7, который затем вместе с кристаллами льда удаляется из камеры 1. Данный процесс может повторяться несколько раз до полной очистки камеры 1 от естественных ядер кристаллизации. Степень очистки контролируют по концентрации кристаллов в сборнике 7 приборно. Затем после очистки камеры 1 от естественных ядер кристаллизации по известной методике, изложенной, например, в патенте США №5227038, с помощью устройства 3 получают газовую смесь наночастиц и электродуговой сажи. Для этого в камере устройства 3, заполненной инертным газом (гелием), между графитовыми электродами 8 и 9 включением источника 10 формируется электрический разряд. Ток дуги при этом составляет порядка 100 А при напряжении на электродах 25-35 В. Давление газа в камере соответствует атмосферному, а температура образующейся между электродами плазмы достигает около 4000 К. При такой температуре поверхность графитового анода интенсивно испаряется. Образующаяся при этом газовая смесь с атомами углерода потоком инертного газа переносится из камеры устройства 3 в климатическую камеру 1. После завершения этого процесса переходят к процессу выделения наночастиц из электродуговой сажи. Для этого включают генератор 5 и в камеру 1 запускают водяной пар. При этом температура в камере поднимается на 2-2,5°C. Затем по истечении 5-10 минут температура приходит к заданному исходному значению. За этот отрезок времени упругость водяного пара е становится больше Ел и Ев, где Ел и Ев - насыщающая упругость водяного пара надо льдом и водой, соответственно. В этих условиях на наночастицах, обладающих льдообразующими свойствами, формируются кристаллы льда, которые вырастают до размеров порядка 12-15 микрометров. Одновременно, на оставшихся изначально в камере 1 естественных ядрах конденсации происходит конденсация водяного пара и образование мелких водяных капель, что может повлиять на качество конечного продукта при их осаждении в сборник 7 вместе с кристаллами льда. Поэтому для получения более чистых наноматериалов необходимо, чтобы упругость водяного пара е в камере находилась в пределах Ел<е<Ев. В этих условиях происходит перегонка капель воды с естественных ядер конденсации на кристаллы. Поэтому естественные ядра конденсации не оседают вместе с кристаллами льда в сборник 7, а находятся во взвешенном состоянии в газовой среде камеры 1 вместе с частицами сажи. Для обеспечения указанных условий осуществляют контроль параметров Ел и Ев в камере 1. Значение Ел и Ев берут из метеорологических таблиц, а значение е вычисляют по известной формуле ,где f - относительная влажность в камере. f измеряется гигрографом, либо аспирационным психрометром. Как только нарушается данное условие (Ел<е<Ев) и значение е становится меньше Ел, то в этом случае в камеру 1 добавляется водяной пар. В этих условиях процесс формирования кристаллов льда на наночастицах протекает интенсивно и длится всего 5-10 минут. По мере роста кристаллы под действием силы тяжести оседают в сборник 7. При этом частицы сажи и естественные ядра конденсации остаются в газовой среде во взвешенном состоянии. После осаждения кристаллов льда, содержащих в себе наночастицы, сборник 7 вынимают из климатической камеры 1, нагревают и таким образом получают водный раствор наночастиц. Это конечный продукт, из которого затем известными методами, например методом выпаривания, можно получить порошок наночастиц, либо водный их раствор заданной концентрации.

Как показала практика, наиболее эффективный температурный режим, при котором обеспечивается быстрый процесс формирования кристаллов льда на углеродных наночастицах, лежит в интервале от минус 5°C до минус 35°C. Практика показала также, что в пределах временного интервала 5-10 минут кристаллы льда осаждаются практически полностью, в то время как частички сажи и естественные ядра конденсации в климатической камере 1 остаются во взвешенном состоянии и не осаждаются.

Способ получения углеродных наноструктурных материалов путем электродугового распылением графита в атмосфере инертного газа, например гелия, получение электродуговой сажи с последующим извлечением из нее частиц углеродных наноструктурных материалов, отличающийся тем, что процесс извлечения частиц углеродных наноструктурных материалов из электродуговой сажи ведут в климатической камере, которую предварительно охлаждают до отрицательных температур и очищают от естественных ядер кристаллизации, находящихся в воздушной среде, путем искусственного осаждения на них переохлажденного водяного пара с последующим образованием кристаллов льда, осаждением и их эвакуацией из климатической камеры, затем методом дугового распыла исходного материала в атмосфере инертного газа получают смесь частиц углеродных наноструктурных материалов с электродуговой сажей, которую затем смешивают со средой камеры и за счет селективной конденсации переохлажденного водяного пара на частицах углеродных наноструктурных материалов получают кристаллы льда, которые затем осаждают, собирают, эвакуируют из климатической камеры и путем их нагрева получают водный раствор, после этого из данного раствора получают порошок углеродных наноструктурных материалов либо водный их раствор заданной концентрации, при этом процесс селективной конденсации переохлажденного водяного пара на частицах углеродных наноструктурных материалов ведут при атмосферном давлении и температуре газовой среды в климатической камере в интервале от минус 5°С до минус 35°С и при условии, когда упругость водяного пара в камере (е) находится в пределах Ел<е<Ев, где Ел и Ев - насыщающая упругость водяного пара над льдом и водой соответственно.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к химической промышленности. Фуллеренсодержащую сажу смешивают с жидкостью, взаимодействующей с находящимися в саже фуллеренами, например, с водным раствором щелочи концентрацией не менее 0,5 мас.%, из ряда, включающего КОН, NaOH, Ва(ОН)2 и/или с перекисью водорода Н2О2, при соотношении к саже 1:(20-300) мл/г.
Изобретение может быть использовано при получении модифицирующих добавок для строительных материалов. Дисперсия углеродных нанотрубок содержит, мас.%: углеродные нанотрубки 1-20; поверхностно-активное вещество - натриевую соль сульфинированного производного нафталина 1-20; аэросил 5-15; вода - остальное.
Изобретение может быть использовано в строительстве для армирования бетонных, кирпичных и каменных конструкций. Композиция содержит стеклянный или базальтовый ровинг в количестве 90÷100 вес.ч., пропитанный полимерным связующим на основе эпоксидно-диановой смолы в количестве 18÷20 в.ч.

Группа изобретений может быть использована в химической промышленности. В реактор, содержащий корпус 1, на внешней стороне которого расположены нагревательные элементы 2 и теплоизоляция, загружают твердый дисперсный катализатор.

Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к способу выделения одностенных углеродных нанотруб (ОУНТ) из продуктов синтеза. .

Изобретение относится к технологии углеродных материалов, конкретно - к технологии получения углеродных наноматериалов, в частности нанотрубок и нановолокон, методом химического осаждения из газовой фазы.

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для получения нанотрубок и фуллеренов. .

Изобретение относится к технике утилизации углеводородного газа и производства мелкодисперсного углерода. .
Изобретение относится к технологическим процессам получения фуллеренов путем их экстракции из фуллеренсодержащей сажи. .
Изобретение относится к применению индикаторной добавки для формирования изображений с помощью магнитных частиц (ИМЧ) для визуального мониторинга биосовместимого продукта.

Группа изобретений относится к медицине, а именно к композициям и способам для доставки наноносителей к клеткам иммунной системы, способным стимулировать иммунный ответ в Т-клетках и/или в В-клетках.
Изобретение может быть использовано для производства защитных покрытий трубопроводов в нефтяной, газовой, нефтегазоперерабатывающей, горнодобывающей и химической промышленности.

Изобретение относится к способу получения алкилбензолов общей формулы , где R1=H: R2=Et, i-Pr или R1R2=-CH2-CH2-CH2-. Способ заключается в гидрировании стирола газообразным водородом в присутствии катализатора с последующим выделением целевых продуктов и характеризуется тем, что гидрированию подвергают стирол или его производные из ряда α-метилстирол или инден, а в качестве катализатора используют наночастицы никеля, получаемые восстановлением хлорида никеля (II) боргидридом натрия in situ и процесс проводят при атмосферном давлении водорода в среде изопропанола при температуре 55-65°C в течение 4-6 часов.

Изобретение относится к способу получения линейных алканов общей формулы Alk-CH2-CH3, где Alk=C6H13, C8H17. Способ заключается в гидрировании олефина водородом при атмосферном давлении водорода на катализаторе и характеризуется тем, что в качестве олефина используют октен-1 или децен-1, а в качестве катализатора используют наночастицы никеля, получаемые in situ восстановлением хлорида никеля(II) боргидридом натрия в среде изопропанола и процесс проводят при температуре 60-70°C в течение 6-8 часов с последующим выделением целевых продуктов.
Изобретение относится к химической промышленности. Фуллеренсодержащую сажу смешивают с жидкостью, взаимодействующей с находящимися в саже фуллеренами, например, с водным раствором щелочи концентрацией не менее 0,5 мас.%, из ряда, включающего КОН, NaOH, Ва(ОН)2 и/или с перекисью водорода Н2О2, при соотношении к саже 1:(20-300) мл/г.

Группа изобретений может быть использована при изучении физики плазмы высоких плотностей энергии, в микроэлектронике, в газовой диагностике и ядерной энергетике.
Изобретение может быть использовано при получении модифицирующих добавок для строительных материалов. Дисперсия углеродных нанотрубок содержит, мас.%: углеродные нанотрубки 1-20; поверхностно-активное вещество - натриевую соль сульфинированного производного нафталина 1-20; аэросил 5-15; вода - остальное.
Изобретение относится к наноэмульсии в качестве носителя биологически активного вещества, представляющего собой дельта-сон индуцирующий пептид (ДСИП) или растительный экстракт.

Изобретение относится к области исследования физических свойств металлов и сплавов, а именно к анализу пластических свойств тонких пленок аморфно-нанокристаллических многокомпонентных металлических сплавов (АНКМС) после их перехода из одного состояния в другое в результате термической обработки.
Наверх