Алмазоуглеродное вещество и способ его получения


 


Владельцы патента RU 2604846:

Акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Алтай" (RU)

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области сорбционной техники, в частности к способу получения сорбентов для очистки воздуха от неорганических одорантов и микроколичеств высокотоксичных органических веществ.
Изобретение относится к области адсорбционной техники. Способ получения углеродного катионообменника включает обработку активированного угля смесью аммиака и гидразина, взятых в соотношении 1:(2-2,5).
Изобретение относится к области получения хемосорбентов, используемых для средств защиты органов дыхания и для очистки отходящих газов. Способ получения хемосорбента включает пропитку гранул активного угля модифицирующим раствором, вылеживание гранул и их термообработку.
Изобретение относится к способам получения углеродных сорбентов для селективного извлечения ионов ртути из технологических растворов. Проводят измельчение бурого угля до кусков размером -50+25 мм, после этого измельченный бурый уголь подвергают пиролизу с получением карбонизата.
Изобретение относится к области производства активных углей, используемых в системах защиты органов дыхания, а также в промышленных газоочистных установках. .

Изобретение относится к области сорбционных технологий. .

Изобретение относится к получению углеродных ионообменных материалов. .
Изобретение относится к углеродным адсорбентам. .

Изобретение относится к области сорбционной техники и может быть использовано при получении поглотителей для очистки вентвыбросов атомных электростанций от радиоактивных изотопов йода и летучих окислов рутения.
Изобретение относится к области сорбционной техники и может быть использовано для восстановления сорбционно-каталитических свойств катализаторов из расснаряженных средств защиты с истекшим сроком хранения.

Изобретение относится к физико-технологическим процессам обработки алмазосодержащих суспензий. Твердую углеродную массу, выделенную после завершения детонационного синтеза, обрабатывают в автоклаве водным раствором нитрата аммония с добавками азотной кислоты при температуре 200-260°С до прекращения газовыделения, при этом концентрация твердой фазы в суспензии составляет 5%, на 1 вес.ч.

Изобретение относится к способам обработки поверхности алмаза для его использования в электронной технике СВЧ. Способ включает взаимное расположение в одной плоскости исходной поверхности алмаза и металлической поверхности из стали, обеспечение непосредственного контакта упомянутых поверхностей, термическую обработку исходной поверхности алмаза на заданную глубину, обеспечивающую заданную конечную поверхность алмаза, при этом предусматривающую нагрев упомянутых поверхностей в инертной среде, с заданной скоростью, вблизи температуры образования эвтектического сплава железо - углерод, выдержку при этой температуре и естественное охлаждение, при этом металлическую поверхность из стали берут с содержанием углерода 3,9-4,1 мас.

Изобретение относится к неорганическому синтезу искусственных алмазов размером до 150 мкм, которые могут найти промышленное применение в производстве абразивов и алмазных смазок, буровой технике.

Изобретение относится к области получения синтетических алмазов и может быть использовано в качестве детекторов ядерного излучения в счетчиках быстрых частиц, а также в ювелирном деле.
Изобретение относится к поликристаллическому алмазу для использования в различных инструментах. Поликристаллический алмаз характеризуется тем, что содержит алмазные спеченные зерна, имеющие средний диаметр зерна более 50 нм и менее 2500 нм, чистоту 99% или более и диаметр зерна D90, составляющий (средний диаметр зерна + средний диаметр зерна × 0,9) или менее, причем поликристаллический алмаз обладает пластинчатой структурой и имеет твердость 100 ГПа или более.

Изобретение относится к технологии обработки монокристаллического CVD-алмазного материала. Описан способ введения NV-центров в монокристаллический CVD-алмазный материал.

Изобретение относится к процессу синтеза множества синтетических монокристаллических алмазов. Способ включает формирование множества затравочных подушек, каждая из которых содержит множество затравочных монокристаллов алмаза, прикрепленных к инертному держателю или внедренных в него, загрузку источника углерода, металлического катализатора и множества затравочных подушек в капсулу, при этом, по меньшей мере, часть источника углерода располагается на расстоянии менее 0,1 мм от затравочных монокристаллов алмаза, загрузку капсулы в пресс высокого давления и высокой температуры (ВДВТ) и подвергание капсулы циклу ВДВТ-роста для выращивания монокристаллического алмазного материала на множестве затравочных монокристаллов алмаза, причем цикл ВДВТ-роста включает инициирование ВДВТ-роста монокристаллического алмазного материала на множестве затравочных монокристаллов алмаза путем увеличения давления и температуры, поддержание ВДВТ-роста монокристаллического алмазного материала на множестве затравочных монокристаллов алмаза посредством управляемого давлением процесса роста путем управления и поддержания давления и температуры и прекращение ВДВТ-роста монокристаллического алмазного материала на множестве затравочных монокристаллов алмаза путем уменьшения давления и температуры, при этом множество затравочных монокристаллов алмаза остаются прикрепленными к инертным держателям или внедренными в них во время цикла ВДВТ-роста.
Изобретение относится к области производства струеформирующих сопел, которые могут быть использованы для очистки поверхностей, удаления покрытий, создания шероховатости на поверхности, для резки и разделения материалов.

Изобретение относится к технологии обработки алмаза и может быть использовано в микроэлектронной технике СВЧ. Способ обработки поверхности алмаза включает взаимное расположение в одной плоскости исходной поверхности алмаза и металлической поверхности из стали, обеспечение непосредственного контакта упомянутых поверхностей, термическую обработку исходной поверхности алмаза на заданную глубину, обеспечивающую заданную конечную поверхность алмаза, при этом предусматривающую нагрев упомянутых поверхностей до температуры образования эвтектического сплава железо - углерод, выдержку при этой температуре и естественное охлаждение, причем металлическую поверхность из стали берут с содержанием углерода 3,9-4,1 мас.

Изобретение относится к нанотехнологиям материалов. Способ получения кристаллических алмазных частиц включает пропитку порошка наноалмазов, полученных детонационным синтезом, предельным ациклическим углеводородом или одноосновным спиртом в концентрации от 22 мас.

Изобретение относится к технологиям создания нанокомпозита для радиоэлектроники и акустики со специальными свойствами. Нанокомпозит состоит из полиуретана, в который добавлены углеродные нанотрубоки в количестве, обеспечивающем получение нанокомпозита, имеющего плотность 1200 кг/м3, а модуль Юнга - 125 МПа, позволяющие смещать собственные частоты упругих механических колебаний конструкций заливок, для коротких импульсов (Δτ=0,5 мс) амплитуда колебаний наибольшая, для длинных импульсов (Δτ=1,0 мс) амплитуда колебаний наименьшая.
Наверх