Водний колоїдний розчин наночастинок електропровідних матеріалів

Корисна модель відноситься до області нанотехнологій і може бути використана для виготовлення каталізаторів, сорбентів, нанорідин, металевого пального, косметичних засобів, матеріалів з біоцидними властивостями, лікарських препаратів, мікродобрив нового покоління, харчових і біологічно активних добавок, медичних виробів, матеріалів медичного і косметичного призначення тощо. Відомий колоїдний розчин металу, що містить частинки сполуки рідкоземельного елементу, кислоту і розчинник, вибраний з неполярних вуглеводнів, причому щонайменше 90% частинок є монокристалічними, а сама дисперсія може бути отримана реакцією солі рідкоземельного елементу з основою в основному середовищі [Патент России №2242275. Органическая коллоидная дисперсия монокристаллических частиц соединения редкоземельного элемента. МПК В01J13/00, C10L1/10. Опубл. 2004.12.20]. Недоліком відомого колоїдного розчину є обмежена область застосування, що відноситься до присадок до палива для двигунів внутрішнього згорання. Відомий також колоїдний розчин металу, що містить частинки сполуки заліза в аморфній формі, що мають розміри в діапазоні від 1нм до 5 нм і, щонайменше, один амфіфільний агент [Патент России №2277510. Коллоидная органическая дисперсия частиц железа, способ ее получения и ее применение в качестве добавки к топливу для двигателей внутреннего сгорания. МПК С01G 49/00, B01J 13/00, C10L 10/06. Опубл. 2006.06.10]. Недоліком відомого колоїдного розчину є обмежена область застосування. Відомий колоїдний розчин металу, що містить наночастинки металу розміром не більше 8нм з рівномірним розподілом наночастинок металу в полімері, а метал вибраний з групи, що складається з срібла, міді, нікелю, паладію і платини [Патент России №2259871. Коллоидный раствор наночастиц металла, нанокомпозиты металлполимер и способы их получения. МПК 7 В01J13/00, В82В3/00. Опубл. 2005.09.10]. Недоліком відомого колоїдного розчину є те, що він містить катіони і аніони продуктів реакції відновлення, для звільнення від яких потрібна додаткова операція, наприклад, діалізу. Відомий колоїдний розчин металу або суміші металів у воді, що містить наночастинки металу, в якому розміри частинок складають від 1нм до 100нм, метали вибрані з групи, що складається з срібла, золота, платини, міді, паладію, родію, іридію, танталу, нікелю, ванадію, молібдену, кобальту, заліза, марганцю, вольфраму, хрому, цинку, олова, цирконію, ніобію, титану, алюмінію, магнію, в якому відношення маси іонів металу до маси наночастинок металу в розчині переважно менше 10-4, а металеві наночастинки утворюють з полярними молекулами води хелатні сполуки, має питому електропровідність не більше 0,1мкСіменс/см і концентрацію наночастинок металу в розчині не менше 10мг/л [Патент України №24390. Колоїдний розчин металу або суміші металів у воді. МПК (2006) В01J 13/00. Опубл. 25.06.2007]. Недоліком відомого колоїдного розчину є те, що його міцели містять наночастинки металів і не мають в своєму складі наночастинки інших електропровідних матеріалів, наприклад, графіту або напівпровідникових матеріалів, наприклад, селену, що мають широкий розкид величин питомого опору і широкий розкид температур плавлення. Найбільш близьким до того, що заявляється, є водний колоїдний розчин металу або суміші металів в діелектричній рідині, що містить металеві наночастинки, в якому розміри наночастинок складають від 1нм до 100нм, метали вибрані з групи, що складається з срібла, золота, міді, нікелю, заліза, паладію, платини, молібдену, кобальту, родію, іридію, ванадію, танталу, ніобію, титану, цинку, марганцю, магнію, алюмінію, який є двофазною системою, що складається з металевих наночастинок і діелектричної рідини, при цьому міцелами колоїдного розчину є хелатні комплекси, утворені електрично зарядженими металевими наночастинками, які хелатовані полярними молекулами діелектричної рідини [Патент України №26599. Колоїдний розчин металу або суміші металів. МПК (2006) В01J13/00, C01G 49/00. Опубл. 25.09.2007]. Недоліком відомого колоїдного розчину є те, що його міцели містять наночастинки металів і не мають в своєму складі наночастинки інших електропровідних матеріалів, наприклад, графіту або напівпровідникових матеріалів, наприклад, селену, що мають широкий розкид величин питомого опору і широкий розкид температур плавлення. У основу корисної моделі поставлена задача розширення області застосування колоїдних розчинів наночастинок електропровідних матеріалів. Запропонований, як і відомий водний колоїдний розчин наночастинок електропровідних матеріалів має розміри наночастинок 1-1000нм, розміри міцел складають 2-2000нм, концентрація наночастинок в розчині складає 10 - 1000мг/л, який є двофазною системою, що складається з наночастинок і води, і, відповідно до цієї пропозиції, міцелами колоїдного розчину є гідратовані наночастинки і гідратовані агломерати наночастинок, має рН=6,1-7,2, електропровідність 2-0,06мкСм/см і отриманий шляхом диспергування гранул електропровідних матеріалів у воді імпульсами електричного струму при амплітуді імпульсів 50-3000 А, тривалості імпульсів електричного струму 1-10000мкс, енергії імпульсів електричного струму в діапазоні 20-2000Дж. Міцелами колоїдного розчину є гідратовані наночастинки і гідратовані агломерати наночастинок. Це сприяє хорошому розчиненню у воді колоїдного розчину, підвищує його біологічну і каталітичну активність. Гідратування здійснюють за допомогою створення навколо наночастинок і навколо агломератів наночастинок водних оболонок в процесі диспергування електропровідних гранул імпульсами електричного струму. Колоїдний розчин наночастинок електропровідних матеріалів має рН=6,1-7,2. Це підвищує його стійкість і розширює область його застосування, особливо в біології і медицині. При рН менше 6,1 збільшується кислотність розчину і знижується його стійкість. При рН більше 7,2 зменшується біологічна активність розчину. Колоїдний розчин наночастинок електропровідних матеріалів має електропровідність 2-0,06мкСм/см. Це також підвищує його стійкість і розширює область його застосування, оскільки такий розчин не є електролітом. При електропровідності розчину більше 2мкСм/см знижується його стійкість. Зменшення електропровідності розчину менше 0,06мкСм/см є складним технічним завданням і призводить до дорожчання розчину. Колоїдний розчин наночастинок електропровідних матеріалів отримують шляхом диспергування гранул електропровідних матеріалів у воді імпульсами електричного струму при амплітуді імпульсів 50-3000А. При значенні амплітуди імпульсів електричного струму менш 50 А знижується концентрація наночастинок в колоїдному розчині. Збільшення амплітуди імпульсів електричного струму більш 3000А недоцільно, оскільки це призводить до дорожчання розчину. Колоїдний розчин наночастинок електропровідних матеріалів отримують шляхом диспергування гранул електропровідних матеріалів у воді імпульсами електричного струму при тривалості імпульсів електричного струму 1-10000 мкс. Це дозволяє отримувати колоїдні розчини матеріалів з широким розкидом температури плавлення. При тривалості менш 1мкс знижується продуктивність диспергування матеріалів з великим питомим опором. Збільшення тривалості імпульсів електричного струму більше 10000мкс недоцільно, оскільки це призводить до оплавлення поверхні гранул і збільшення розмірів наночастинок в колоїдному розчині, що знижує його стійкість. Колоїдний розчин наночастинок електропровідних матеріалів отримують шляхом диспергування гранул електропровідних матеріалів у воді імпульсами електричного струму при енергії імпульсів електричного струму в діапазоні 20-2000Дж. Це дозволяє отримувати колоїдні розчини матеріалів з широким розкидом питомого опору і в широкому діапазоні температур плавлення. При значенні енергії імпульсів електричного струму менше 20Дж знижується концентрація наночастинок в колоїдному розчині. Збільшення енергії імпульсів електричного струму більше 2000 Дж недоцільно, оскільки це призводить до ускладнення генератора імпульсів і до дорожчання розчину. Колоїдний розчин отримують диспергуванням гранул, що знаходяться в воді, імпульсами електричного струму [див. Патент України на корисну модель №23550. Спосіб ерозійно-вибухового диспергування металів. МПК B22F 9/14. Опубл.25.05.2007. Бюл.№7.]. При проходженні через ланцюжки електропровідних гранул імпульсів електричного струму з амплітудою імпульсів 50-3000 А, тривалістю імпульсів 1-10000 мкс, енергією імпульсів 20-2000 Дж в точках контактів гранул одна з одною виникають іскрові розряди, в яких здійснюється вибухоподібне диспергування матеріалу. У каналах розряду температура досягає 10 тис. градусів. Ділянки поверхні гранул в зонах іскрових розрядів плавляться і вибухоподібно руйнуються на найдрібніші наночастинки і пару. Розплавлені нанокраплі металу, знаходячись у вільному польоті, набувають сферичної форми. Продукти руйнування охолоджуються в воді. У воді накопичуються частинки в зваженому стані, утворюючи колоїдний розчин наночастинок. Електроерозійне диспергування металевих гранул потужними імпульсами електричного струму забезпечує високу продуктивність способу. Оскільки в зоні іскрових розрядів має місце високий градієнт потенціалу, то розплавлені нанокраплі за час знаходження в електричному полі набувають поверхневого електричного заряду. Оскільки молекули води є диполі, то за рахунок електростатичного поля вони обволікають електрично заряджені наночастинки металу, утворюючи гідратовані наночастинки і гідратовані агломерати наночастинок. Ці комплекси є міцелами колоїдного розчину. Щільному оточенню наночастинок диполями води сприяє сферична форма наночастинок і рівномірний електричний заряд на їх поверхні. Міцели колоїдного розчину стають стійкими без додавання спеціальної речовини-стабілізатора. Стійкість міцелам колоїдного розчину додають кулонівські сили, що виникають між поверхнею заряджених металевих наночастинок і диполями води. Стіканню зарядів з поверхні наночасток, тобто руйнуванню колоїдного розчину, перешкоджає діелектрична рідина - вода з великим питомим опором, значення якого при використанні сучасних технологій може досягати 20 Мом. В результаті, за рахунок дії кулонівських сил утворюються міцели, що складаються з електрично заряджених металевих наночастинок, оточених оболонкою, що складається з диполів води. Таким чином пропонований колоїдний розчин містить наночастинки широкого класу електропровідних матеріалів, що мають різний питомий опір і температури плавлення, що розширює область його застосування.