Способ получения материала, содержащего фуллерен и кремний
Владельцы патента RU 2509721:
Плугин Дмитрий Александрович (RU)
Закрытое акционерное общество "Инновационный центр "С & С" (RU)
Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Материал, содержащий фуллерен и кремний, получают термической обработкой исходных материалов в реакционной камере с помощью струи высокотемпературной плазмы. В эту струю подают на разных уровнях последовательно фуллерен (3) и кремний (4). Оба вводимых компонента подвергают возгонке, осуществляют взаимную коагуляцию частиц этих материалов. Формируемую композицию подвергают воздействию циклонического потока инертной газовой среды (5), создаваемого вдоль стенок реакционной камеры - по периферии отводимого потока материала. Полученный материал, содержащий фуллерен и кремний, обладает высокой проводимостью, чувствительностью к электромагнитным и акустическим сигналам. 1 табл., 1 ил.
Изобретение относится к физико-технологическим процессам получения новых композиционных материалов, предназначенных для использования в электрической, перерабатывающей отраслях промышленности, металлургии и в качестве нанодобавки к минеральным материалам.
Фундаментальные и прикладные работы в этой области выявляют направления получения фуллеритов и композиций на их основе, из которых наиболее представительными являются методы получения фуллеритов и композиций, включающие переработку исходных углеродсодержащих материалов и введение их в жидкие среды: масла, жиры, поливинилпирролидон [RU 2327518, В01J 20/32, 2007; RU 2279402, С01В 31/02, 2004, RU 2198136, С01В 31/00, 02, 2002].
Существенным недостатком аналогов является ограниченность направлений получения композиционных материалов на основе фуллерена и фуллеренсодержащих материалов (ФСМ), т.к. процесс предусматривает получение композиций только с использованием жидких растворов, что существенно ограничивает возможности их использования в порошковой металлургии, в производстве фильтров, сорбентов, добавок к гранулированным и молотым материалам.
Наиболее близким техническим решением является способ получения материала, содержащего фуллерен и кремний, включающий механическое смешивание этих компонентов [WO 2008027898 А2, 06.03.2008].
Существенным и очевидным недостатком этого процесса является техническая невозможность получения нанодисперсного взаимодействия материалов с использованием их физико-химических свойств, которые приводят к получению качественно новых свойств таких композиций.
Технической задачей и положительным технологическим результатом предлагаемого способа является получение нового материала на основе фуллерена (ФСМ) и кремния, обладающих одновременно свойствами ФСМ и свойствами кремния, взаимно дополняющими друг друга: высокая проводимость, чувствительность к электромагнитным и акустическим сигналам, повышенная стойкость при тепловых нагрузках (при перегреве и при охлаждении). Этот новый материал открывает возможности его использования в виде композиционной добавки в нанотехнологиях и микромоделировании технологических процессов.
Указанная задача и технический результат достигаются за счет того, что способ получения материала, содержащего фуллерен и кремний, включает термическую обработку исходных материалов в реакционной камере, отвод полученной композиции с помощью инертной газовой среды, при этом обработку исходных материалов в реакционной камере ведут с помощью струи высокотемпературной плазмы, в эту струю попадают на разных уровнях последовательно: фуллерен и кремний, оба вводимых компонента подвергают возгонке, осуществляют взаимную коагуляцию частиц этих материалов, подвергая формируемую композицию воздействию циклонического потока инертной газовой среды, создаваемого вдоль стенок реакционной камеры - по периферии отводимого потока материала.
Данный способ использует рабочую реакционную камеру (предпочтительно конструкции А. Плугина), предназначенную для получения фуллерита с добавками минеральных компонентов, где в струю высокотемпературной плазмы, формируемой из инертного газа (He, Ar, Kr), вводят углеродный компонент C42-48, подвергают его возгонке - двойному фазовому переходу в парообразное состояние, из наночастиц формируют фуллерен C42-60, последовательно в эту же струю плазмы на некотором расстоянии от зоны ввода первого компонента подают второй компонент кремний в виде порошка тонкого помола, осуществляют его возгонку; создают циркуляцию потока формируемой композиции, смешивая и подвергая коагуляции оба компонента в их парообразном состоянии, отводят полученный материал на технологическое использование.
Способ реализуется на примере с использованием установки для получения фуллеренокремниевого материала (ФКМ). Певоначально в реакционную камеру 1 установки вводят струю плазмы от плазмотрона 2 (при t°=7×103-5×103 °С), в зону этой струи вводят порошкообразный фуллерен из бункера 3, подвергают его возгонке (двойному фазовому переходу), позволяющей получить фуллерен C42-60, вслед за этим в струю (ниже введения фуллерена) подают порошкообразный кремний из бункера 4, подвергая его такому же двойному фазовому превращению, осуществляют взаимную коагуляцию частиц фуллерена и кремния. Эти два материала при указанной их обработке образуют устойчивое соединение фуллерена и кремния. Для более надежного формирования фуллеренокремниевой композиции создают циркуляцию потока этой смеси в объеме реакционной камеры за счет подачи инертного газа (He, Ar, Kr) по касательной вдоль внутренних стенок камеры через перфорации 5 от баллона 6 сжатого газа.
Изготовленные фильтры на основе этого материала в заключающей его рамке из нанопористой мембраны и конструкционной микроячеистой сетки были использованы для экспериментальной очистки минерально-биологической жидкости вивария - промывного водоспиртового раствора. Получены следующие положительные данные, указанные в таблице:
| № проб | Тип фильтрующего материала | H2O/см2 в мин | Обработанная среда | Степень очистки в % | ||
| Остаток биораспада | Промывная вода | Водоспиртовой раствор | ||||
| 1 | На основе БАУ | 42 | 36 | 37 | 81 | 81.4 |
| 2 | Микропористая керамика | 58 | 52 | 55 | 106 | 64.7 |
| 3 | Вермикулитовый | 63 | 58 | 61 | 92 | 73.0 |
| 4 | Фуллеренокремниевый | 14 | 8,6 | 9,3 | 18 | 99.8 |
Достигнуто также повышение прочности (в 1,36 раза), термостойкости алюминиевомагниевого сплава (более l,42×k t°С), при введении в расплав 0.78 мас.% фуллеренокремния. Повышена термостойкость полиамида и силоксана (более чем на 180°С и 94°С соответственно). Металлы и полимерные материалы более эффективно работают при низких температурах (-160)-(-180) при содержании ФКМ около 1,20%.
Материалы выдерживают облучение 260-430 Рад и не теряют свойств при воздействии СВЧ-диапазона.
Полученный материал отводят на технологическое использование или в накопительный контейнер, в котором его хранят в среде указанного газа (Ar) при пониженном давлении в герметизированном контейнере со светонепроницаемыми стенками.
Способ получения материала, содержащего фуллерен и кремний, включающий термическую обработку исходных материалов в реакционной камере, отвод полученной композиции с помощью инертной газовой среды, характеризующийся тем, что обработку исходных материалов в реакционной камере ведут с помощью струи высокотемпературной плазмы, в эту струю подают на разных уровнях последовательно: фуллерен и кремний, оба вводимых компонента подвергают возгонке, осуществляют взаимную коагуляцию частиц этих материалов, подвергая формируемую композицию воздействию циклонического потока инертной газовой среды, создаваемого вдоль стенок реакционной камеры - по периферии отводимого потока материала.
