Способ получения наноструктурированного композиционного электропроводящего покрытия


 


Владельцы патента RU 2606842:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) (RU)

Изобретение относится к области биомедицинской техники. Описан способ получения наноструктурированного композиционного электропроводящего покрытия, включающий нанесение ультрадисперсионной суспензии из карбоксиметилцеллюлозы и углеродных нанотрубок на подложку, затем суспензию облучают лазером до полного высыхания в непрерывном режиме длиной волны генерации 0,81-1,06 мкм, интенсивностью облучения 0,1-2 Вт/см2, время облучения 10-100 с, и высохший материал подвергают термообработке путем его отжига в воздухе при температурах 40-150°С в течение 30 мин. Достигается повышение удельной электропроводности покрытия более чем в 50 раз при совместном проведении воздействия лазерного излучения и термической обработки. 1 табл., 1 пр.

 

Заявляемое изобретение относится к области биомедицинской электротехники, в частности к способам создания электропроводящих биосовместимых материалов, применяемых в диагностике, лечении, в передаче электрических сигналов, информации и энергии. В медицинской практике они могу быть использованы в сердечной хирургии, биосенсорах, в борьбе против эпилепсии, в управлении мышечной тканью, при электрической стимуляции роста биологических тканей и восстановлении нервной системы, для передачи электрических сигналов в процессе стимулирования работы органов и в других случаях.

Известен способ получения биосовместимого композиционного электропроводящего материала на основе полимеров, в матрицу которого могут добавляться различные наночастицы, в том числе углеродные нанотрубки (УНТ), нанотрубки оксидов металлов и др. [1]. В качестве матрицы используются полимерные материалы из следующих групп: акрилаты, акриловые кислоты, полиакриловые эфиры, полиакриламиды, полиакрилнитрилы, хлорированные полимеры, фторсодержащие полимеры, полимеры стирола, полиуретана, каучука, синтетические резиновые полимеры, винилхлоридакрилатные полимеры, сополимеры и их комбинации. Для достижения биосовместимости материала в его матрицу вводят вещества с биологическими молекулами из одной или нескольких следующих групп: биологические электролиты, нуклеиновые кислоты, полиаминокислоты, белки, ферменты, например альбумин, хитозан, альгинат натрия, полистирол сульфонат, каррагинан, карбоксиметилцеллюлоза. Наполнитель (добавку) выбирают из следующих групп: биомолекулы одного или нескольких видов, радиоизотопы, электропроводящие материалы, УНТ, нанотрубки оксида металла, например диоксида титана и т.п.

Недостатком этого способа получения наноструктурированного электропроводящего материала является его сложность и невысокая удельная электропроводность конечного продукта.

Известен способ приготовления волоконного биосовместимого композиционного электропроводящего материала, в составе матрицы которого используют материалы из одной или нескольких следующих групп: биологические электролиты, нуклеиновые кислоты, полиаминокислоты, белки, ферменты, полисахариды, липиды и др. [2]. Группа биологических электролитов может состоять из одной или нескольких групп, включая гиалуроновую кислоту, хитозан, гепарин, желатин, спермидин, альбумин, каррагинан, карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ). В качестве наполнителя выбирают материал из следующей группы: углеродные нанотрубки и нанотрубки оксида металла. При этом УНТ могут быть как одностенные (ОУНТ), так и многостенные (МУНТ), а их концентрация в общей массе композиционного материала может превышать 20%. Биосовместимый наноструктурированный электропроводящий материал в твердом состоянии удается получить путем добавления в суспензию электролита специальных средств-коагуляторов, вытягивания и закручивания из нее волокон. При таком способе приготовления наноструктурированного композиционного электропроводящего биосовместимого материала входящие в него УНТ преимущественно ориентировались по длине волокон, что позволяло достичь высокой удельной электропроводности материала.

Недостатком этого способа получения электропроводящего материала является сложность и одномерная форма (волокно) конечного электропроводящего продукта.

Известен способ формирования электропроводящих слоев на основе углеродных нанотрубок [3]. Материал содержал карбоксиметилцеллюлозу (1-10 мас.%) и углеродные нанотрубки (1-10 мас.%). Материал подвергался термообработке в двух этапах: сушка при температурах t≈20-150°C и пиролиз при температурах выше 250°C. Высокая температура обработки в результате сильно затрудняет использование данного материала в различных приложениях, в частности в гибкой электронике, биомедицине, и является недостатком данного способа.

Известен способ получения биосовместимого наноструктурированного композиционного электропроводящего материала на основе КМЦ, принятый за прототип, в который добавляются наночастицы в виде МУНТ [4]. Водная ультрадисперсионная суспензия из КМЦ и МУНТ подвергается воздействию лазерного излучения (ЛИ), что коагулирует состав, ориентируя МУНТ в преимущественном направлении. Этим достигается электропроводность полученного объемного наноматериала. Однако ориентирующее действие ЛИ может увеличить проводимость наноматериала только в несколько (2-10) раз, чего в некоторых случаях недостаточно. Признаками в прототипе, совпадающими с заявляемым изобретением, являются нанесение на подложку ультрадисперсионной суспензии из КМЦ и МУНТ и воздействие лазерным излучением.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение электропроводности наноструктурированного композиционного электропроводящего покрытия на основе карбоксиметилцеллюлозы и углеродных нанотрубок.

Поставленная задача решается тем, что известный способ получения наноструктурированного композиционного электропроводящего покрытия, находящегося на подложке в жидком состоянии, включающий приготовление ультрадисперсионной суспензии из карбоксиметилцеллюлозы и углеродных нанотрубок, облучается лазером до полного высыхания и подвергается термообработке.

Лазерное облучение материала в жидком состояние производится в непрерывном режиме длиной волны генерации λ=0,81-1,06 мкм, интенсивность облучения Ns ~ 0,1-2 Вт/см2, время облучения τ~10-100 с. Высохший материал подвергается термообработке путем его отжига в воздухе при температурах t≈40-150°C в течение 30 мин.

В качестве подложки используются как гибкие материалы (хлопчатобумажная ткань, офисная бумага, полиэтилен, полиуретан, кожные и хрящевые ткани разных животных и другие), так и твердые материалы (металл, керамика, стекло, кремний, ситалл, сапфир и другие). Водная ультрадисперсионная суспензия из КМЦ и УНТ может содержать разные типы углеродных нанотрубок: многостенные или одностенные. Достигается повышение удельной электропроводности покрытия более чем в 50 раз при совместном проведении воздействия лазерного излучения и термической обработки.

Физическую картину повышения удельной электропроводности композиционного покрытия при воздействии лазерного излучения (I процедура) и термообработки (II процедура) можно представить следующим образом.

I процедура. Под воздействием лазерного излучения производится наноструктурирование материала (покрытия), т.е. УНТ преимущественно поворачиваются в одном направлении. Также мощное лазерное излучение генерирует плазменные токи между туннельными переходами (контактами) в местах соприкосновения УНТ. Они приводят к увеличению в 2-10 раз удельной проводимости σ наноструктурированного композиционного материала (наноматериала). Интервалы интенсивности облучения 0,1-2 Вт/см2 и время облучения 10-100 с выбраны таким образом, что за их пределами процедура воздействия лазерного излучения для получения композиционного наноматериала является неэффективной. В частности, при низкой интенсивности Ns < 0,1 Вт/см2 и небольшом времени τ < 10 с облучения лазерное воздействие не приводит к структурированию УНТ, что практически не увеличивает величину σ композиционного слоя. При высокой интенсивности Ns > 2 Вт/см2 и большом времени облучения τ > 100 c происходят сильный перегрев и разрушение покрытия. Аналогично можно считать неэффективным лазерное воздействие в следующих пределах произведения интенсивности и времени облучения: Ns⋅τ < 2 Дж/см2 и Ns⋅τ > 200 Дж/см2.

II процедура. После лазерного облучения покрытия подвергаются термообработке: отжигаются на воздухе при t≈40-150°C в течение 30 мин. Такая термообработка способствует улучшению электрических контактов между УНТ, а также преобразует участки матрицы между ними в проводящую сажу. В итоге, удельная электропроводность слоя увеличивается в 3-6 раз.

Видно, что из двух процедур более значительное повышение величины σ вызывает I процедура - действие лазерного излучения на покрытие, когда он находится в жидком состоянии.

В процессе приготовления наноматериала контролируются следующие параметры: режим лазерного облучения (ЛО) (непрерывный, импульсный), время ЛО, интенсивность облучения, температура нагрева суспензии при ЛО, процентное содержание по массе ее составных компонентов, а также температура и время отжига при термической обработке. Такой контроль позволяет получить желаемый материал с объемной удельной электропроводностью в широком диапазоне ≈ 1-100 кСм/м.

Пример. Приготавливалась водная суспензия в составе: 4 мас.% КМЦ; 5 мас.% МУНТ; остальное - вода. Суспензия перемещалась в магнитной мешалке в течение 2 ч, а потом в ультразвуковой бане в течение 1,5 ч. Суспензия имела черный цвет и высокую оптическую плотность в слое толщиной 1 см ≥ 1,5. Методом шелкографии суспензия наносилась на подложку из хлопчатобумажной ткани (ситец) в виде покрытия (слоя) с размерами поверхности 15×15 мм2 и толщины 0,2-15 мкм. Покрытие (образец) находилось в жидком состоянии. Одна половина поверхности образца накрывалась материалом, непрозрачным для лазерного излучения. Другая половина подвергалась лазерному облучению до полного высыхания покрытия. Подбирались параметры облучения: непрерывный режим, λген = 970 нм, Ns ≈ 1,5 Вт/см2, τ ≈ 15 c. Температура нагрева слоя контролировалась и не превосходила 45°C. Снимался накрывающий материал. Одна половина образца, не подвергнутая лазерному облучению, оставалась в жидком состоянии, а вторая, подвергнутая лазерному облучению, была высушенной. Затем образец высушивался при комнатной температуре в течение 3 ч, и далее измерялись толщины обоих слоев. Толщина слоев была ~ 5 мкм. В дальнейшем, на обеих половинах проводились электрические измерения и определялись их удельные электропроводности. Были получены: для слоя необлученного лазером - σ ~ 1 кСм/м; для покрытия, облученного лазером - σ ~ 8 кСм/м. Эти действия относились к I процедуре.

После I процедуры образец подвергался термообработке. Он помещался в сушилку в течение 30 мин при температуре t ~ 50°C. После этого на обеих половинах образца измерялись удельные электропроводности. Были получены следующие данные: для покрытия, необлученного лазером, - σ ~ 3 кСм/м; для покрытия, облученного лазером, - σ ~ 35 кСм/м. Эти действия относились к II процедуре.

Особое высокое значение σ получалось в покрытиях, нанесенных на твердые подложки из стекла, кремния, ситалла, сапфира и т.п. Максимальные значения σ для покрытий с толщинами 0,5-5 мкм, нанесенных на подложках из кремния, приведены в таблице 1. Здесь в столбцах даны значения σ в следующих колонках: 1 - высушенный КМЦ, 2 - высушенные покрытия (КМЦ+МУНТ), 3 - покрытия (КМЦ+МУНТ) после I процедуры, 4 - покрытия (КМЦ+МУНТ) после II процедуры, 5 - высушенные покрытия (КМЦ+ОУНТ), 6 - покрытия (КМЦ+ОУНТ) после I процедуры, 7 - покрытия (КМЦ+МУНТ) после II процедуры. Видно, что достигается повышение удельной электропроводности слоев более чем в 50 раз при совместном проведении процедур воздействия лазерного излучения и термической обработки. Практически всегда при I процедуре (воздействие лазерного излучения) в покрытиях достигаются более высокие значения удельной проводимости, чем при II процедуре (воздействие термической обработки).

Следует отметить, что используемые нами длины волн генерации 0,81-1,06 мкм лазерного излучения находятся в области прозрачности биологической ткани (0,7-1,2 мкм) и предложенные покрытия могут быть получены вглубь от поверхности живого организма, не повреждая промежуточную часть ткани.

Предложенный наноматериал в основном состоит из КМЦ, имеет определенную степень биосовместимости и приготавливается при низкой температуре термообработки, что позволяет использовать его в биомедицинских приложениях, например в создании различных типов электродов и электропроводящих покрытий.

Таким образом, в предложенном изобретении решена поставленная задача - достигнуто увеличение на порядок и более удельной электропроводности наноструктурированного биосовместимого композиционного покрытия на основе карбоксиметилцеллюлозы и углеродных нанотрубок.

Источники информации

1. Патент США 2010/0068461 A1.

2. Патент США 2010/0023101 A1.

3. Патент РФ №2522887 C2

4. Патент РФ №2473368 C1 - прототип.

Способ получения наноструктурированного композиционного электропроводящего покрытия, включающий нанесение ультрадисперсионной суспензии из карбоксиметилцеллюлозы и углеродных нанотрубок на подложку, отличающийся тем, что суспензию облучают лазером до полного высыхания в непрерывном режиме длиной волны генерации 0,81-1,06 мкм, интенсивностью облучения 0,1-2 Вт/см2, время облучения 10-100 с, и высохший материал подвергают термообработке путем его отжига в воздухе при температурах 40-150°С в течение 30 мин.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к напылению теплозащитных покрытий и может быть использовано в авиастроении и других областях машиностроения при производстве деталей турбинных двигателей и установок.

Изобретение относится к процессу подготовки нефти и подтоварной воды. Предложен способ разделения водонефтяной эмульсии путём введения в неё углеродных нанотрубок, содержащих металлы, выбранные из ряда: железо, кобальт, никель.

Изобретение относится к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов и может быть использовано при производстве валов и дисков, работающих при высоких температурах с повышенным ресурсом в газотурбинных двигателях летательных аппаратов и газоперекачивающих станциях.

Изобретение относится к областям микро- и наноэлектроники, физики поверхности и может быть использовано для исследования информационных характеристик поверхности наноструктурированных и самоорганизующихся твердотельных материалов.

Изобретение относится к технологии новых оптических стеклообразных кварцоидных материалов, обладающих люминесценцией в широком спектральном диапазоне, и может быть использовано в производстве волоконных световодов с лазерной генерацией в инфракрасном спектральном диапазоне и различных устройств на их основе для оптимизации элементов волоконно-оптических линий связи.

Устройство защитной системы городской застройки включает водонапорную оболочку, выполненную из композитных материалов, обладающих памятью формы, состоит из канала-лотока, имеющего параболическую или иную форму по периметру из композитного наноматериала, сохраняющего форму и повышенную шероховатость.

Изобретение относится к получению высокочистых активных алмазоуглеродных материалов, которые могут быть использованы при суперфинишном полировании, в гальванике и медицине.

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.

Изобретение относится к области создания легких высокопрочных водостойких органокомпозитов на основе волокнистых наполнителей из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и полимерного связующего и может быть использовано в элементах конструкций в различных областях техники: авиационной, машино-судостроительной, химической, оборонной и др. Предлагается высокопрочный водостойкий органокомпозит, выполненный из волокнистого наполнителя на основе высокопрочных высокомодульных многофиламентных полиэтиленовых волокон и полимерного связующего на основе эпоксидной смолы с аминным отвердителем.
Изобретение относится низковольтному импульсному электродугововому получению металлического нанопорошка в жидкой среде. Способ включает установку двух электродов в емкости с жидкой средой, подачу на электроды импульсного напряжения с образованием плазмы в жидкой среде и формированием наночастиц из материала электродов, выпадение наночастиц порошка в осадок.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул. Описан способ получения нанокапсул ауксинов.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул танина. Указанный способ характеризуется тем, что 1 г танина добавляют в суспензию 1 г низкоэтерифицированного яблочного пектина в петролейном эфире в присутствии 0,01 г сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты при перемешивании 1000 об/мин, далее приливают 6 мл этилацетата, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре.

Изобретение относится к области радиопоглощающих материалов и покрытий. Описано защитное покрытие на основе полимерного композиционного радиоматериала, содержащее наполнитель и эпоксидную смолу в качестве полимерного связующего, в котором в качестве наполнителя использованы многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ) в следующей концентрации, мас.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул розувастатина, характеризующемуся тем, что розувастатин медленно добавляют в суспензию конжаковой камеди в гексане, в присутствии 0,005 г препарата Е472с при перемешивании 1000 об/мин, при массовом соотношении оболочка:ядро 3:1 или 1:5, затем приливают бензол, полученную суспензию отфильтровывают и сушат при комнатной температуре.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул розувастатина, характеризующемуся тем, что розувастатин медленно добавляют в суспензию альгината натрия в гексане, в присутствии 0,005 г препарата Е472с при перемешивании 1000 об/мин, при массовом соотношении оболочка:ядро 3:1 или 1:5, затем приливают петролейный эфир в качестве осадителя, полученную суспензию отфильтровывают и сушат при комнатной температуре.

Изобретение относится к области защиты от ионизирующего и сверхвысокочастотного излучения. Радио-, радиационно-защитный материал на полимерной основе содержит сверхвысокомолекулярный полиэтилен с наночастицами вольфрама, карбида бора и технического углерода при следующем соотношении компонентов (% масс.): сверхвысокомолекулярный полиэтилен - 40-60, вольфрам - 18-20, карбид бора - 15-20, технический углерод УМ-76 - 5-20.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул сухого экстракта топинамбура в натрий карбоксиметилцеллюлозе. Указанный способ характеризуется тем, что к суспензии натрий карбоксиметилцеллюлозы в бензоле добавляют препарат Е472с в качестве поверхностно-активного вещества, полученную смесь перемешивают, добавляют сухой экстракт топинамбура, затем добавляют ацетонитрил, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают, промывают ацетонитрилом и сушат, при этом массовое соотношение экстракт топинамбура:натрий карбоксиметилцеллюлоза в нанокапсулах составляет 1:3, 1:1, 1:5 или 5:1.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул лекарственных растений, обладающих седативным действием. Указанный способ характеризуется тем, что 5 мл настойки пустырника или валерьяны или 10 мл настойки пиона уклоняющегося добавляют в суспензию агар-агара в бензоле, содержащую 1 или 3 г указанного полимера, в присутствии 0,01 г препарата Е472с в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 1300 об/мин, затем приливают 10 мл бутилхлорида, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул витаминов группы B в альгинате натрия. Указанный способ характеризуется тем, что в качестве оболочки используется альгинат натрия, а в качестве ядра - витамины группы В, при массовом соотношении ядро:оболочка 1:3 или 1:1, при этом витамин добавляют в суспензию альгината натрия в петролейном эфире в присутствии препарата E472с в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 1300 об/мин, далее добавляют этилацетат, полученную суспензию отфильтровывают и сушат при комнатной температуре.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул лекарственных растений, обладающих спазмолитическим действием. Указанный способ характеризуется тем, что настойку мяты добавляют в суспензию натрий карбоксиметилцеллюлозы в метилэтилкетоне в присутствии 0,01 г препарата Е472с в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 1300 об/мин, полученную суспензию отфильтровывают и сушат при комнатной температуре, при этом массовое соотношение ядро:оболочка составляет 1:3, или 1:1, или 3:1, или 1:5, или 5:1.
Настоящее изобретение относится к способу получения совместимого с кровью материала, содержащего прочную и непроницаемую синтетическую подложку и биологическую животную ткань, химически связанную для того, чтобы избежать иммунологических реакций, причем согласно этому способу указанную биологическую животную ткань подвергают дегидратации, наклеивают указанную дегидратированную биологическую животную ткань на указанную синтетическую подложку путем нанесения дисперсии материала, из которого образована указанная синтетическая подложка, в растворителе, таким образом, чтобы указанный образующий материал пропитал указанную биологическую животную ткань, затем указанный растворитель удаляют, причем дегидратации достигают исключительно химическим путем, погружая указанную биологическую животную ткань в ванну, состоящую из раствора полиэтиленгликоля концентрацией по меньшей мере 80 мас.%, причем продолжительность погружения указанной биологической животной ткани в указанную ванну составляет примерно 24 часа.
Наверх