Алмазоуглеродное вещество и способ его получения

Изобретение относится к получению высокочистых активных алмазоуглеродных материалов, которые могут быть использованы при суперфинишном полировании, в гальванике и медицине. Сначала исходное алмазоуглеродное вещество в виде суспензии или порошка обрабатывают смесью водных растворов азотной кислоты с концентрацией 30-40 мас.% и фтористоводородной кислоты с концентрацией 20-30 мас.% в течение 72-74 ч при комнатной температуре, а затем водным раствором соляной кислоты с концентрацией 15-20 мас.% в течение 2,5-3 ч при температуре кипения реакционной смеси. Затем проводят отмывку от кислот. Получено алмазоуглеродное вещество в виде частиц округлой формы, содержащее углерод, водород, азот, кислород и 0,01-0,2 мас.% несгораемых примесей, имеющее обменную емкость 0,19-0,65 ммоль/г и высокую коллоидную устойчивость в жидких средах. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.

 

Изобретение относится к химической технологии, а именно к способам получения высокочистых активных алмазоуглеродных материалов, доля несгораемых примесей в которых не должна превышать 0,2 мас.%. Изобретение может быть использовано в технологиях производства коммерческих продуктов на основе наноалмазов, для изготовления полирующих составов, порошков и композиций для электроники, наполнителей для модификации полимерных материалов, композиций и сорбентов для медицины, а также материалов для биотехнологий.

Известно алмазоуглеродное вещество по патенту РФ №2109683 (опубл. 27.04.1998 г.), содержащее несгораемые примеси.

Недостатком данного вещества является наличие относительно высокого количества несгораемых примесей (0,9-1,0%) в очищенном продукте, низкая коллоидная устойчивость в жидких средах и относительно низкая обменная емкость, что снижает его эксплуатационные возможности, не позволяет использовать данный продукт в составах для финишной и суперфинишной полировки материалов и в медицине.

Также известно алмазоуглеродное вещество по патенту РФ №2430016 (опубл. 27.09.2011 г), содержащее несгораемые примеси.

Вещество получают в виде устойчивой водной суспензии.

Недостатком данного вещества является наличие количества несгораемых примесей более 0,5 мас.%, низкая коллоидная устойчивость в жидких средах и относительно низкая обменная емкость, что снижает его эксплуатационные возможности, не позволяет использовать данный продукт в составах для суперфинишной полировки материалов и в качестве адсорбента в медицине.

Известно принятое за прототип алмазоуглеродное вещество по патенту РФ №2051092 (опубл. 27.12.1995 г.) в виде частиц округлой формы, содержащее углерод, водород, азот и кислород, несгораемые примеси.

Недостатком данного вещества является низкая обменная емкость, низкая коллоидная устойчивость в жидких средах и повышенное (до 5 мас.%) содержание несгораемых примесей, что снижает его эксплуатационные возможности, не позволяет использовать данное вещество в качестве активного адсорбента и в составах для финишной и суперфинишной полировки материалов.

Известен способ получения алмазоуглеродного вещества по патенту РФ №2051092 (опубл. 27.12.1995 г.), включающий обработку алмазоуглеродного вещества кислотами и отмывку от кислот.

Недостатками данного способа являются: высокая трудоемкость, наличие несгораемых примесей в получаемом продукте более 1,0 мас.%, а также невозможность получения вещества с высокими обменной емкостью и коллоидной устойчивостью в жидких средах.

Известен способ выделения синтетических ультрадисперсных алмазов по патенту РФ №2109683 (опубл. 27.04.1998 г.), включающий двухстадийную обработку кислотами, принятый за прототип.

Недостатками способа являются: опасность процесса, обусловленная высокими температурой, давлением и концентрациями кислот, высокие энергозатраты, получение алмазоуглеродного вещества с величиной несгораемых примесей 0,9-1,0 мас.% и низкая коллоидная устойчивость в жидких средах, а также невозможность получения вещества с высокой обменной емкостью.

В качестве группы изобретений предлагаются алмазоуглеродное вещество и способ его получения, которые решают одну и ту же задачу - расширение эксплуатационных возможностей, диапазона областей применения алмазоуглеродного вещества, получаемого заявляемым, обладающим повышенной технологичностью способом, за счет создания условий по одновременному обеспечению высокой обменной емкости, малого содержания несгораемых примесей и высокой коллоидной устойчивости в жидких средах заявляемого алмазоуглеродного вещества.

Поставленная задача решается предлагаемым алмазоуглеродным веществом в виде частиц округлой формы, содержащим углерод, водород, азот, кислород и несгораемые примеси. Особенность заключается в том, что алмазоуглеродное вещество имеет обменную емкость 0,19-0,65 ммоль/г, а содержание в нем несгораемых примесей составляет 0,01-0,2 мас.%.

Заявляемое алмазоглеродное вещество пригодно к использованию в суперфинишном полировании для исключения задиров и дефектов поверхностей всех типов; в гальванике за счет высоких обменной емкости и коллоидной устойчивости в жидких средах; в медицине как эффективный адсорбент за счет высокой обменной емкости и в других областях.

Алмазоуглеродное вещество в результате очистки имеет на поверхности функциональные группы, ммоль/г: карбоксильные 0,08-0,13, лактонные 0,04-0,07, фенольные 0,39-1,05. В результате чего величина обменной емкости составляет 0,19-0,65 ммоль/г в зависимости от рН.

Заявителем были проведены сравнительные исследования алмазоуглеродных веществ по патентам РФ №№2430016, 2051092 и заявляемого алмазоуглеродного вещества. В ходе исследований определялась концентрация несгораемых примесей (значения которой отражены выше) и величина обменной емкости (фиг., где линия 1 соответствует алмазоуглеродному веществу, полученному по предлагаемому способу; линия 2 соответствует алмазоуглеродному

веществу, полученному по патенту №2430016; линия 3 соответствует алмазоуглеродному веществу, полученному по патенту №2051092).

Новые характеристики вещества обусловлены способом его получения.

Поставленная задача решается предлагаемым способом получения алмазоуглеродного вещества, включающим двухстадийную обработку исходного алмазоуглеродного вещества кислотами и отмывку от кислот. При этом обработку проводят вначале смесью водных растворов азотной кислоты с концентрацией 30-40 мас.% и фтористоводородной кислоты с концентрацией 20-30 мас.% в течение 72-74 часов при комнатной температуре, а затем водным раствором соляной кислоты с концентрацией 15-20 мас.% в течение 2,5-3 часов при температуре кипения реакционной смеси.

В частности, исходное алмазоуглеродное вещество используют в виде суспензии или порошка.

Обработка смесью азотной и фтористоводородной кислот позволяет обеспечить последовательное удаление кремния и его оксидов, которые под действием фтористоводородной кислоты переводятся в растворимые солевые формы, а железо и его оксиды растворяются в азотной кислоте.

Экспериментально было выявлено, что для обеспечения содержания несгораемых примесей в диапазоне 0,01-0,2 мас.% концентрация фтористоводородной кислоты в реакционной смеси должна быть 20-30 мас.%, концентрация азотной кислоты 30-40 мас.% и время выдержки смеси составлять от 72 до 74 часов.

Меньшее время выдержки и меньшие концентрации кислот приводят к увеличению содержания несгораемых примесей, а увеличение времени и концентрации кислот нецелесообразно, т.к. увеличиваются трудозатраты и длительность процесса без достижения значительного улучшения качественных характеристик продукта.

Соляная кислота, взаимодействуя с железом, медью и их окислами, а также с окислами свинца, кальция и других металлов, приводит к образованию растворимых солей. Экспериментально было определено, что лучший результат по содержанию несгораемых примесей достигается обработкой алмазоуглеродного вещества 15-20%-ным водным раствором соляной кислоты при температуре кипения в течение 2,5-3 часов. Более длительное время обработки нецелесообразно, т.к. увеличивается длительность процесса и трудозатраты без достижения значительного улучшения качественных характеристик продукта.

Пример 1

Суспензию алмазоуглеродного вещества (5 мас.%) в количестве 50 г (в пересчете на основное вещество) помещают в полиэтиленовую емкость. Дозируют при перемешивании 900 мл смеси 65%-ной азотной и 900 мл 40%-ной фтористоводородной кислот, что соответствует концентрации 30% и 20% водных растворов соответствующих кислот в реакционной смеси. Смесь выдерживают 72 часа при периодическом перемешивании. По окончании выдержки производят отстой суспензии и ее отмывку. Верхний слой (раствор кислоты) при помощи резинового шланга декантируют в емкость для сбора кислых вод для последующей нейтрализации. Алмазоуглеродное вещество промывают дистиллированной водой до рН среды 3-3,5 (контроль по индикаторной бумаге). По окончании отмывки суспензию отстаивают и декантируют промывную воду в количестве 50% от общего объема. Отстоявшуюся суспензию алмазоуглеродного вещества помещают в термостойкую колбу, куда дозируют 250 мл 37%-ной соляной кислоты, что соответствует концентрации 15% водного раствора соляной кислоты в реакционной смеси. Колбу нагревают до кипения при постоянном перемешивании на электроплитке закрытого типа и выдерживают при температуре кипения 2,5 часа. По окончании выдержки обогрев и перемешивание отключают. Содержимое колбы отстаивают и охлаждают до комнатной температуры. Верхний слой (слой кислоты) при помощи резинового шланга декантируют в емкость для сбора кислых вод для последующей нейтрализации. Алмазоуглеродное вещество промывают дистиллированной водой до рН среды 3,5-4. Отмытую суспензию сгущают на ультрафильтрационной установке до минимально возможного объема и переводят в деионизованную воду. Доводят концентрацию суспензии не менее чем до 5 мас.% Концентрация несгораемых примесей составляет 0,18 мас.%, обменная емкость - 0,2 ммоль/г. Суспензия является коллоидно устойчивой.

Пример 2

Порошок алмазоуглеродного вещества в количестве 50 г помещают в полиэтиленовую емкость. Дозируют при перемешивании 450 мл смеси 65%-ной азотной и 360 мл 40%-ной фтористоводородной кислот, что соответствует концентрации 36% и 20% водных растворов соответствующих кислот в реакционной смеси. Смесь выдерживают 73 часа при периодическом перемешивании. По окончании выдержки производят отстой суспензии и ее отмывку. Верхний слой (раствор кислоты) при помощи резинового шланга декантируют в емкость для сбора кислых вод для последующей нейтрализации. Алмазоуглеродное вещество промывают дистиллированной водой до рН среды 3-3,5 (контроль по индикаторной бумаге). По окончании отмывки суспензию отстаивают и декантируют промывную воду в количестве 50% от общего объема. Отстоявшуюся суспензию алмазоуглеродного вещества помещают в термостойкую колбу, куда дозируют 300 мл 37%-ной соляной кислоты, что соответствует концентрации 18% водного раствора соляной кислоты в реакционной смеси. Колбу нагревают до кипения при постоянном перемешивании на электроплитке закрытого типа и выдерживают при температуре кипения 2 часа 45 минут. По окончании выдержки обогрев и перемешивание отключают. Содержимое колбы отстаивают и охлаждают до комнатной температуры. Верхний слой (слой кислоты) при помощи резинового шланга декантируют в емкость для сбора кислых вод для последующей нейтрализации. Алмазоуглеродное вещество промывают дистиллированной водой до рН среды 3,5-4. Отмытую суспензию сгущают на ультрафильтрационной установке до минимально возможного объема и переводят в деионизованную воду. Доводят концентрацию суспензии не менее чем до 5 мас.% Концентрация несгораемых примесей составляет 0,15 мас.%, обменная емкость - 0,21 ммоль/г. Суспензия является коллоидно устойчивой.

Пример 3

Суспензию алмазоуглеродного вещества (10 мас.%) в количестве 50 г (в пересчете на основное вещество) помещают в полиэтиленовую емкость. Дозируют при перемешивании 850 мл смеси 65%-ной азотной и 850 мл 40%-ной фтористоводородной кислот, что соответствует концентрации 32% и 21% водных растворов соответствующих кислот в реакционной смеси. Смесь выдерживают 74 часа при периодическом перемешивании. По окончании выдержки производят отстой суспензии и ее отмывку. Верхний слой (раствор кислоты) при помощи резинового шланга декантируют в емкость для сбора кислых вод для последующей нейтрализации. Алмазоуглеродное вещество промывают дистиллированной водой до рН среды 3-3,5 (контроль по индикаторной бумаге). По окончании отмывки суспензию отстаивают и декантируют промывную воду в количестве 50% от общего объема. Отстоявшуюся суспензию алмазоуглеродного вещества помещают в термостойкую колбу, куда дозируют 220 мл 37%-ной соляной кислоты, что соответствует концентрации 16% водного раствора соляной кислоты в реакционной смеси. Колбу нагревают до кипения при постоянном перемешивании на электроплитке закрытого типа и выдерживают при температуре кипения 3 часа. По окончании выдержки обогрев и перемешивание отключают. Содержимое колбы отстаивают и охлаждают до комнатной температуры. Верхний слой (слой кислоты) при помощи резинового шланга декантируют в емкость для сбора кислых вод для последующей нейтрализации. Алмазоуглеродное вещество промывают дистиллированной водой до рН среды 3,5-4. Отмытую суспензию сгущают на ультрафильтрационной установке до минимально возможного объема и переводят в деионизованную воду. Доводят концентрацию суспензии не менее чем до 5 мас.% Концентрация несгораемых примесей составляет 0,19 мас.%, обменная емкость - 0,19 ммоль/г. Суспензия является коллоидно устойчивой.

Таким образом, заявляемое техническое решение практически реализуемо и позволяет решить поставленную задачу.

1. Алмазоуглеродное вещество в виде частиц округлой формы, содержащее углерод, водород, азот, кислород и несгораемые примеси, отличающееся тем, что имеет обменную емкость 0,19-0,65 ммоль/г, а содержание в нем несгораемых примесей составляет 0,01- 0,2 мас.%.

2. Способ получения алмазоуглеродного вещества по п. 1, включающий двухстадийную обработку исходного алмазоуглеродного вещества кислотами и отмывку от кислот, при этом обработку проводят вначале смесью водных растворов азотной кислоты с концентрацией 30-40 мас.% и фтористоводородной кислоты с концентрацией 20-30 мас.% в течение 72-74 ч при комнатной температуре, а затем водным раствором соляной кислоты с концентрацией 15-20 мас.% в течение 2,5-3 ч при температуре кипения реакционной смеси.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что исходное алмазоуглеродное вещество используют в виде суспензии или порошка.