Спосіб отримання колоїдних розчинів 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. Відомі способи отримання колоїдних розчинів металів обробкою розчинів відповідних хімічних сполук, що містять метал, різними відновниками, наприклад бороводнем [ЕРВ, заявка N369546, кл. В01J13/00, 1990.] або тринатрійфосфатом [Sermon, Thomas. "Andem. Chem", 1987, 99, N9, s. 949 951]. Недоліком цих способів є те, що отримані колоїдні розчини містять катіони і аніони продуктів реакції відновлення, для звільнення від яких потрібна додаткова операція, наприклад, діалізу. Відомий спосіб отримання колоїдних металів в мікроемульсіях шляхом відновлення водних розчинів AgNCb і НАиСЦ, при цьому в процесі відновлення проводять ультразвукову обробку для збільшення монодисперсності частинок металів [Molecular Physucs, 1990, v.69, N1, p.1-9. P.Barnickel et al. Synthesis of Metal colloids in inverse microemulsions]. При цьому способі також потрібне додаткове очищення колоїдних розчинів від продуктів реакції відновлення. Крім того, поверхня колоїдних частинок металів за рахунок їх адсорбційної активності також робиться забрудненою продуктами реакції, що знижує їх якість. Відомий спосіб отримання колоїдних розчинів електричним методом [Э.М. Натансон Коллоидные металлы. Киев: издательство Академии наук УССР, 1959г., стр.19-24; 91-98]. Спосіб здійснюється в дві стадії і заснований на електролізі і подальшому розчиненні металу. Катодний осад металу отримують електрохімічним відновленням водних розчинів сульфату або хлориду металу на катоді при концентрації солі металу 20...20,2г/л. Для розчинення гідроокису металу, що утворюється при електролізі, у водний розчин солей металу додають солі амонія і/або мурашиної кислоти. Електроліз проводиться у ванній, що має два шари - водний і масляний, межа розділу між якими підтримується на постійному рівні. Катод з осадом, що виділився на ньому, періодично переноситься з водного шару розчину в масляний органічний шар, де рихлий порошкоподібний осад металу змивається з електроду і диспергується. Недоліком способу є низька продуктивність. Відомий спосіб отримання колоїдних розчинів металів електричним методом, а саме шляхом електрохімічного диспергування металу електродів - анода і катода, при зміні швидкості процесу розчинення металу в умовах циклічної зміни полярності електродів кожні 10 с, при зниженні напруги з 1,8 до 0,2В, при використанні водного розчину органічної сполуки з концентрацією 0,1... 100 ммоль в літрі. При цьому метали вибирають з групи, що складається з Ag, Au, Co, Fe, Ni [Патент России №2238140. Способ получения коллоидных растворов металлов. МПК7 B01J13/00. Опубл. 20.10.2004]. Недоліком способу є низька продуктивність, обумовлена дуже низькою потужністю електричного струму, що протікає через метал, а також те, що колоїдні розчини, отримані відомим способом, містять іони металів, що робить їх токсичними. Найбільш близьким до пропонованого є спосіб отримання коллоидного раствора наночастинок електропровідних матеріалів, що включає диспергування гранул електропровідних матеріалів шляхом пропускання імпульсів електричного струму через електроди і через ланцюжки гранул електропровідних матеріалів, що знаходяться в реакторі у воді, в якому отримують наночастинки металів переважно сферичної форми шляхом охолоджування розплавлених нанокрапель у воді, при цьому електризують розплавлені металеві нанокраплі і диполі води в полі електричних розрядів до утворення хелатних комплексів, що складаються із заряджених наночастинок і оболонок, утворених диполями води. [Патент України №26608. Спосіб отримання колоїдних розчинів наночасток металів. МПК (2006) B01J13/00. Опубл. 25.09.2007]. Недоліком способу є орієнтація його на отримання тільки колоїдних розчинів металів і недостатня продуктивність при диспергуванні неметалевих електропровідних матеріалів, наприклад, графіту або напівпровідникових матеріалів, наприклад, селену, що мають широкий розкид величин питомого опору і широкий розкид температур плавлення. В основу корисної моделі поставлена задача розширення області застосування способу отримання колоїдних розчинів наночастинок електропровідних матеріалів. Запропонований, як і відомий спосіб отримання колоїдних розчинів наночастинок електропровідних матеріалів, зокрема, колоїдних розчинів наночастинок металів, що включає диспергування гранул електропровідних матеріалів шляхом пропускання імпульсів електричного струму через електроди і через ланцюжки гранул електропровідних матеріалів, що знаходяться у воді в реакторі, і, відповідно до цієї пропозиції, застосовують воду з провідністю 1-0,045 мкСм/см, встановлюють амплітуду імпульсів електричного струму в діапазоні 50-3000 А, встановлюють тривалість імпульсів електричного струму в діапазоні 1-10000мкс, встановлюють енергію імпульсів електричного струму в діапазоні 20-2000Дж, при цьому реактор з водою і гранули електропровідних матеріалів піддають вібрації, а водний колоїдний розчин наночастинок періодично зливають або циклічно прокачують через реактор над шаром електропровідних гранул. При цьому створюють концентрацію наночастинок в розчині 10 - 1000мг/л, утворюють мицели колоїдного розчину у вигляді гідратованих наночастинок і гідратованих агломератів наночастинок, колоїдний розчин наночастинок прокачують через додаткову судину, об'єм якої перевищує об'єм реактора, а амплітуду імпульсів електричного струму J встановлюють переважно, × r )1/ 2 виходячи із співвідношення: J=0,005•L•S•d/(106 •D, тривалість t імпульсів електричного струму J r встановлюють переважно, виходячи із співвідношення t = (1,6.106. +0,8•d/D) • k •Тпл • 0,2/J, енергію Е імпульсів електричного струму встановлюють переважно, виходячи із співвідношення: Е = 2,5•10-3•k•L•S/D, де: L - відстань між електродами, mm; S - площа електродів, мм ; r -питомий електричний опір матеріалу, Ом-см; k - коефіцієнт, залежний від матеріалу; Т - температура плавлення матеріалу ,°С; D - середній розмір гранул, мм; d - середній розмір наночасток, нм. У запропонованому способі застосовують воду з електропровідністю 1-0,045мкСм/см. Це дозволяє підвищити продуктивність способу і підвищити стійкість колоїдних розчинів. При електропровідності води більше 1 мкСм/см знижується продуктивність способу за рахунок шунтування електропровідних ланцюжків гранул провідною рідиною і за рахунок втрат енергії. Зменшення провідності води менше 0,045 мкСм/см є складним технічним завданням. Амплітуду імпульсів електричного струму встановлюють в діапазоні 50-3000 А. Це дозволяє розширити область застосування способу за рахунок диспергування матеріалів з широким розкидом питомого опору. При значенні амплітуди імпульсів електричного струму менш 50 А знижується продуктивність способу за рахунок зменшення енергії в іскрових проміжках. Збільшення амплітуди імпульсів електричного струму більш 3000 А недоцільно, оскільки це призводить до ускладнення генератора імпульсів. Тривалість імпульсів електричного струму встановлюють в діапазоні 1-10000мкс. Це дозволяє розширити область застосування способу за рахунок диспергування матеріалів з широким розкидом температури плавлення. При тривалості менш 1мкс знижується продуктивність способу за рахунок зменшення енергії в іскрових проміжках. Збільшення тривалості імпульсних електричних розрядів більше 10000мкс недоцільно, оскільки це призводить до оплавлення поверхні гранул і збільшення розмірів наночастинок в колоїдному розчині, що знижує його стійкість. Енергію імпульсів електричного струму встановлюють в діапазоні 20-2000Дж. Це дозволяє розширити область застосування способу за рахунок диспергування матеріалів з широким розкидом питомого опору і в широкому діапазоні температур плавлення. При значенні енергії імпульсів електричного струму менше 20Дж знижується продуктивність способу за рахунок зменшення інтенсивності напрацювання наночастинок в іскрових проміжках. Збільшення енергії імпульсів електричного струму більше 2000Дж недоцільно, оскільки це призводить до ускладнення генератора імпульсів. Реактор з водою і гранули електропровідних матеріалів піддають вібрації, що підвищує продуктивність способу. Водний колоїдний розчин наночастинок періодично зливають або циклічно прокачують через реактор над шаром електропровідних гранул. Це дозволяє підвищити продуктивність способу за рахунок зниження температури води в реакторі і підвищити стійкість розчину. У колоїдному розчині створюють концентрацію наночастинок 10-1000мг/л. При концентрації наночастинок менше 10 мг/л знижується ефективність застосування розчину. Концентрація наночастинок більше 1000мг/л недоцільна, оскільки знижується стійкість розчину і значна частина наночастинок випадає в осад. У колоїдному розчині утворюють міцели вигляді гідратованих наночастинок і гідратованих агломератів 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 прокачують через додаткову судину, об'єм якої перевищує об'єм реактора. Це дозволяє відокремити за рахунок седіментації крупну фракцію наночастинок, що підвищує стійкість колоїдного розчину. Амплітуду імпульсів електричного струму J встановлюють, виходячи із співвідношення: J=0,005•L•S•d/(106•c)S•D, що є оптимальним для високої продуктивності способу при використанні матеріалів з різним питомим опором. Тривалість імпульсів t електричного струму J встановлюють, виходячи із співвідношення: t = (1,6•106• r +0,8•d/D) • k -Тпл, • 0,2/J, що є оптимальним для високої продуктивності способу при використанні матеріалів з різним питомим опором і з різною температурою плавлення. Енергію Е імпульсів електричного струму встановлюють, виходячи із співвідношення: Е = 2,5•10-3•k•L•S/D, що є оптимальним для високої продуктивності способу при використанні матеріалів з різним питомим опором і з різною температурою плавлення. Колоїдний розчин отримують диспергуванням гранул, що знаходяться в воді, імпульсамі електричного струму [див. Патент України на корисну модель №23550. Спосіб ерозійно-вибухового диспергування металів. МПК B22F9/14. 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 202000Дж 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. Водний колоїдний розчин наночастинок періодично зливають або циклічно прокачують через реактор над шаром електропровідних гранул. Це дозволяє підвищити продуктивність способу, оскільки температура в реакторі не підвищується. Колоїдний розчин наночастинок прокачують через додаткову судину, об'єм якої перевищує об'єм реактора. Це дозволяє відокремити за рахунок седіментації крупну фракцію наночастинок, що підвищує стійкість колоїдного розчину. Таким чином пропонований спосіб дозволяє отримувати колоїдні розчини наночастинок для широкого класу електропровідних матеріалів, що мають різний питомий опір і температури плавлення.