Способ получения вспененного наноструктурного углерода



Способ получения вспененного наноструктурного углерода
Способ получения вспененного наноструктурного углерода
Способ получения вспененного наноструктурного углерода
Способ получения вспененного наноструктурного углерода
Способ получения вспененного наноструктурного углерода
Способ получения вспененного наноструктурного углерода
Способ получения вспененного наноструктурного углерода

 


Владельцы патента RU 2516542:

Щучкин Михаил Нестерович (RU)
Савкин Дмитрий Иванович (RU)

Изобретение относится к химической и электротехнической промышленности и может быть использовано для модификации резин и каучуков, при производстве высокоемких конденсаторов и композитных материалов. Тонкоизмельченную смесь, содержащую, мас.ч.: углевод - 100, окислитель - 200, помещают в термостойкий сосуд, закрытый сетчатой термостойкой крышкой, нагревают в печи до 150-250°С. Пиролиз смеси ведут в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при нагреве до 900оС со скоростью 20-30оС/мин с выдержкой при этой температуре 15-30 минут и отведении избытка выделяемого газа. В качестве углевода используют сахар, глюкозу, фруктозу или крахмал, а в качестве окислителя - азотнокислый аммоний. Получают вспененный наноструктурный углерод с объемной плотностью 0,006 г/см3 и удельной поверхностью не менее 150 м2/г. Выход вспененного углерода - около 31% от массы углевода. Исключается выделение агрессивных продуктов. 7 ил., 4 пр.

 

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к производству вспененных углеродных материалов с развитой поверхностью, получаемых методом термоокислительной деструкции углеводов, и может быть использовано для модификации резин и каучуков, в электротехнической промышленности при производстве высокоемких конденсаторов, а также для производства разнообразных композитных материалов.

Известны способы получения пористых углеродных материалов из различных видов моносахаридов, олигосахаридов, крахмала методами пиролиза и химического окисления. В этих процессах углеводы подвергаются пиролизу путем прямого длительного нагревания исходного сырья при температуре свыше 500°C без доступа воздуха или в присутствии определенного количества окислителей. Эти технологии энергозатратны и, как правило, продукты пиролиза требуют дополнительной физико-химической активации водяным паром и химическими реагентами для дополнительного вскрытия замкнутых пор [Попович А.А., Онищенко Д.В., Курявый В.Г. Получение и модифицирование анодных материалов из возобновляемого растительного сырья. Электронный научный журнал «Исследовано в России», 954, http://zhumal.apl.relarn.ru./articles/2007/092pdf; Патент РФ №2375301, C01B 31/08 от 02.07.2008 г.].

Известно получение анодного углеродного материала с высокими рабочими характеристиками путем пиролиза отходов хлопка, косточек фруктовых деревьев, кофейных зерен, сахарного тросника [К. Tokumitsu, А. Mabuchi, Н. Fujimoto, Т. Kasuh J. Power Sources, 54, 444, 1995].

На фиг.1 приведена структура некоторых углеродных материалов, полученных по такой технологии.

Наиболее близким по сущности и результату выбран способ получения углеродного материала [Онищенко Д.В. «Технология получения анодных материалов для литий-ионных (полимерных) аккумуляторов из возобновляемого растительного сырья и отходов сельскохозяйственных культур». 2008 г., Владивосток]. Сущность этой технологии в том, что углеродный материал получен из тростникового сахара многоступенчатым пиролизом в кварцевом реакторе без доступа кислорода при температуре 900°C с последующим измельчением полученного углерода до порошка с размером частиц 14 мкм. На фиг.2 приведена микроструктура полученного углеродного материала.

К недостаткам прототипа можно отнести значительную продолжительность процесса пиролиза (несколько часов), а также то, что частицы углерода имеют глобулярную структуру, имеющую относительно небольшую развернутую поверхность, свободно доступную электролиту.

Технической задачей и положительным результатом, на достижение которых направлено настоящее изобретение, заключается в использовании в качестве окислителя азотнокислого аммония, который при нагревании смеси до 200-250°C разлагается с выделением N2O и вызывает процесс термоокислительной деструкции углевода в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с образованием прекурсора. Прекурсор после 15-30-минутного прогрева при 900°C превращается в углерод.

Главными положительными отличительными особенностями получаемого материала являются его чистота, то есть отсутствие вредных примесей; экологическая приемлемость; низкая себестоимость продукции; простота в переработке и подготовки к процессу пиролиза; возможность предварительной обработки (механоактивации и допированию); используемое сырье получают из природно возобновляемых материалов.

При этом технический результат достигается в использовании в качестве углерода моносахаридов и олигосахаридов, а в качестве окислителя - азотнокислого аммония.

Азотнокислый аммоний, как окислитель, имеет то преимущество, что при нагреве до 200-250°C разлагается по реакции

NH4NO3→N2O+2H2O+36.8 кДж/моль,

при этом N2O взаимодействует с углеводом с выделением воды и углекислого газа и образованием пенообразного углеродного прекурсора, представляющего собой на 60-80% углерод с остаточным содержанием кислорода и водорода. Таким образом, в результате реакции выделяются экологически безопасные продукты. Теплоты реакции достаточно для того, чтобы весь процесс окисления - восстановления проходил в режиме СВС. Режим СВС позволяет экономить значительную часть тепловой энергии, необходимой для полной карбонизации углевода. Разогретый в результате реакции углеродный прекурсор продолжают нагревать без доступа воздуха до 900°C и выдерживают при этой температуре 15-30 минут, после чего охлаждают.

Указанный технический результат достигается тем, что реакцию ведут при следующем соотношении компонентов, м. ч.:

углевод - 100;
аммоний азотнокислый - 200

Неуплотненный наноуглерод, полученный из сахара, имеет объемную плотность 0,006 г/см3, остаточное содержание углерода и кислорода менее 0,5%.

На фиг.3 приведена микроструктура пеноуглерода, полученного из сахара.

Способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. В мельницу загружают 100 мас.ч. углевода (сахара) и 200 мас.ч. азотнокислого аммония. Смесь измельчают до получения порошка с размером частиц не более 200 мкм, выгружают в термостойкий сосуд объемом, в 30-50 раз превышающим объем углевода. Сосуд прикрывают тяжелой термостойкой сетчатой крышкой, помещают в печь и нагревают со скоростью 20-30°C/мин до 900°C. При разогреве до температуры около 200°C реакционная смесь загорается и образует пену с очень малым объемным весом. Процесс реакции сопровождается выделением большого количества газов, которые отводят из сосуда. Сетчатая крышка не позволяет пене выйти за пределы объема сосуда. В процессе нагрева сосуда до 900°C и 15-20-минутной выдержке происходит полная карбонизация полученной пены с образованием наноуглерода с объемной плотностью 0,01-0,006 г/см3. Полученный наноуглерод легко уплотняется. Структура его показана на фиг.4.

Пример 2. В мельницу загружают 100 мас.ч. фруктозы и 200 мас.ч. азотнокислого аммония. Смесь измельчают до получения порошка с размером частиц не более 200 мкм, выгружают в термостойкий сосуд объемом, в 30-50 раз превышающим объем углевода, прикрывают тяжелой термостойкой сетчатой крышкой, помещают в печь и нагревают со скоростью 20-30°C/мин до 900°C. При разогреве до температуры около 200°C реакционная смесь загорается и образует пену с очень малым объемным весом, газы отводят из сосуда. В процессе нагрева сосуда до 900°C и 15-20-минутной выдержке при этой температуре происходит полная карбонизация полученной пены с образованием наноуглерода с объемной плотностью 0,01-0,006 г/см3. Полученный наноуглерод легко уплотняется. Структура его показана на фиг.5.

Пример 3. В условиях примера №1 берут 100 мас.ч. глюкозы и 200 мас.ч. азотнокислого аммония. Смесь измельчают до частиц не более 200 мкм, выгружают в термостойкий сосуд, помещают в печь и нагревают со скоростью 20-30°C/мин до 900°C. При разогреве до температуры около 200°C реакционная смесь загорается и образует пену с очень малым объемным весом. В процессе нагрева сосуда до 900°C и 15-20-минутной выдержке происходит полная карбонизация полученной пены с образованием наноуглерода с объемной плотностью 0,01-0,006 г/см3. Структура его показана на фиг.6.

Пример 4. В условиях примера №1 берут 100 мас.ч. крахмала и 200 мас.ч. азотнокислого аммония. Смесь измельчают до частиц не более 200 мкм, выгружают в термостойкий сосуд, помещают в печь и нагревают со скоростью 20-30°C/мин до 900°C. При разогреве до температуры около 200°C реакционная смесь загорается и образует пену с очень малым объемным весом. В процессе нагрева сосуда до 900°C и 15-20-минутной выдержке происходит полная карбонизация полученной пены с образованием наноуглерода с объемной плотностью 0,01-0,006 г/см3. Структура его показана на фиг.7.

Таким образом, разработанный способ получения вспененного наноструктурного углерода (наноуглерода) позволяет получить продукцию без примесей неорганических веществ и без выделения агрессивных экологически опасных газообразных продуктов, более простой и менее затратной технологией.

Способ получения вспененного наноструктурного углерода, включающий пиролиз углевода в смеси с окислителем, отличающийся тем, что в качестве углевода используют сахар, глюкозу, фруктозу или крахмал, а в качестве окислителя - азотнокислый аммоний, причем углевод и окислитель берут в количестве 100 мас.ч. и 200 мас.ч. соответственно, пиролиз ведут в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, нагревая смесь в сосуде со скоростью 20-30°С/мин до 900°С и выдерживая при этой температуре в течение 15-20 минут с отведением избытка выделяемого газа.



 

Похожие патенты:

Изобретения могут быть использованы в аппаратах химической, химико-металлургической отраслях промышленности, а также в производстве особо чистых материалов. Неразъеёмная монолитная деталь аппарата, снабженная выступающими частями, изготовлена из углерод-углеродного композиционного материала на основе каркаса тканепрошивной структуры.

Изобретение относится к способу понижения содержания углерода в золе из топки, включающему операцию нагревания в топке ископаемого топлива в присутствии присадки - улучшителя топлива, в составе которой преобладают оксид железа и диоксид кремния.

Изобретение может быть использовано для извлечения наночастиц диоксида кремния и углерода из шламов газоочистки электротеримического производства кремния флотацией.
Изобретение может быть использовано в химической и химико-металлургической промышленности. Изготавливают пористую заготовку из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) неполной, например половинной, толщины - внутреннюю оболочку.

Изобретение относится к области органической синтеза, а именно к способу получения функционально замещенных фуллеренов, которые могут найти применение в качестве донорно-акцепторных систем.

Изобретение относится к плазменному синтезу наноматериалов. .

Изобретение относится к нанотехнологии, а именно к производству углеродных нанотрубок, широко используемых в различных областях науки и техники. .

Изобретение относится к способам получения катализаторов для выращивания углеродных нанотрубок из газовой фазы. .

Изобретение относится к области обработки углеродных нанонаполнителей без разрушения их структуры и получения на их основе нанокомпозитов с равномерным распределением углеродных нанонаполнителей.

Изобретение относится к химической и фармацевтической отраслям промышленности и может быть использовано в биомедицинских исследованиях и фармакологии, а также при получении наномодификаторов пластических масс.

Изобретение может быть использовано при получении композиционных материалов. Исходные углеродные наноматериалы, например нанотрубки, нанонити или нановолокна, обрабатывают в смеси азотной и соляной кислоты при температуре 50-100°С не менее 20 мин, промывают водой и сушат.
Изобретение относится к нанотехнологиям, в частности к методам осаждения наноразмерной пленки α-Al2O3 (0001) на металлические подложки α-Al2O3 (0001) в условиях сверхвысокого вакуума.

Изобретение относится к области физической и коллоидной химии и может быть использовано при получении полимерных композиций. Тонкодисперсную органическую суспензию углеродных металлсодержащих наноструктур получают взаимодействием наноструктур и полиэтиленполиамина.

Устройство предназначено для проведения зондовых измерений на объектах, имеющих сложную форму, например на трубах в нефтяной и атомной отраслях промышленности. Сущность изобретения заключается в том, что в сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов, включающий измерительную головку с пьезосканером и зондом, сопряженными с блоком анализа и управления, модуль сближения, три опорные стойки, установленные на измерительной головке, и привод измерительной головки, включенный в модуль сближения, дополнительно введена платформа, на которой установлен двухкоординатный стол, сопряженный с корпусом, установленным на нем с возможностью вращения, на котором установлен модуль сближения, в котором закреплена измерительная головка с пьезосканером и зондом.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам нанесения защитных покрытий. Может использоваться в энергетическом машиностроении для защиты деталей, подверженных механическим нагрузкам, высоким температурам и воздействию агрессивной рабочей среды.
Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, и может быть использовано для хирургического лечения несросшихся переломов и ложных суставов трубчатых костей при наличии дефицита мягких тканей.

Изобретение относится к области получения нанопорошков. Способ получения суперпарамагнитных частиц никеля включает смешивание соединений никеля и полиольного спирта, последующий нагрев полученной смеси, ее охлаждение и центрифугирование, промывку и высушивание полученного осадка.
Изобретение относится к получению наноструктур. Содержащую карбид наноструктуру получают осаждением на основу нанослоя металла или неметалла, или их окислов и последующей карбидизацией путем обработки в угарном газе в присутствии угля или сажи при температуре 1400-1500°С.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению модифицированных наночастиц железа. Может использоваться для изготовления магнитоуправляемых материалов/магнитореологических жидкостей, радиопоглощающих покрытий, уменьшающих радиолокационную заметность объектов.

Изобретение относится к применению ультрадисперсных серебросодержащих систем в качестве противовоспалительных, антиэкссудативных и ранозаживляющих агентов. Ультрадисперсные серебросодержащие системы представляют собой нанокомпозиты нуль-валентного металлического серебра с размером частиц 10-25 нм, которые стабилизированы арабиногалактаном или его сульфатированным производным.

Изобретение может быть использовано при получении композиционных материалов. Исходные углеродные наноматериалы, например нанотрубки, нанонити или нановолокна, обрабатывают в смеси азотной и соляной кислоты при температуре 50-100°С не менее 20 мин, промывают водой и сушат.
Наверх