Спосіб отримання композиційних наночастинок

Спосіб отримання композиційних наночастинок, що включає електроіскрову обробку металевих гранул в деіонізованій воді та утворення наночастинок з ядрами та оболонками, який відрізняється тим, що перед завантаженням в розрядну камеру гранул визначають метал гранул для отримання ядер, його температуру плавлення 3 46533 4 лення суміші оксалатів заліза, кобальту і нікелю бливих вимог до технології та обладнання відноспри температурі 345°С в суміші 20% водню і 80% но до екологічної та вибухової безпеки. азоту. Перед відновленням порошок суміші метаВідомо також спосіб отримання агломератів лів обробляють 10% розчином поліамідної смоли, енергонасичених металевих наночастинок, заснорозчиненої в ізопропанолі. Після відновлення пований на диспергуванні металевих гранул в діелерошок охолоджують і пропускають суміш, що ктричній рідині, електризації наночастинок, об'єдскладається з 3% кисню і 97% азоту, а через 2 нанні наночастинок в агломерати з утворенням години продувають повітрям. Отримані порошки електрохімічних пар з наночастинок, метали яких містять 18% Fe; 64% Co; 18% Ni і розмір часток від мають переважно найбільшу різницю електродних 150 до 500 нм, які мають голчасту форму та покпотенціалів, який відрізняється тим, що диспергуриті оболонкою поліамідної смоли. Недоліками вання металевих гранул здійснюють електроімпувідомого способу є низька корозійна стійкість фельсною абляцією поверхні металевих гранул, елеромагнітного порошку при контакті з вологою та ктризацію наночастинок здійснюють за допомогою гідрофобна поверхня частинок, що не дозволяє електронної емісії з поверхні гранул і фіксують проводити модифікування їхньої поверхні різними аморфний стан речовини наночастинок шляхом сполуками і речовинами та вимагає додаткової швидкого охолоджування перенасиченої пари реобробки часток розчинниками для переходу гідчовини, що аблює, в діелектричній рідині [Патент рофобної поверхні в гідрофільну. Додаткове шкідУкрайни № 38481. Спосіб отримання агломератів ливе внесення компонентів при розкладанні поліенергонасичених металевих наночастинок. МПК7 амідної смоли, що знаходиться на поверхні часток B01J 13/00, В32В 5/16, B22F 9/14, В82В 3/00. Бюл. порошку, різко обмежує його практичне застосу№ 1 від 12.01.2009 p.]. вання внаслідок втрати фізико-хімічних характериНедоліком способу є те, що агломерати наностик і зменшення кількості магнітної фази. Обробчастинок утворюються в результаті електростатилені смолою частки злипаються і потрібно їх чної взаємодії великих і малих наночастинок. Таке розділяти при практичному використанні (наприз'єднання недостатньо міцне, тому при підвищенні клад, ультразвуком, вібраційною мішалкою, дроенергії навколишнього середовища, наприклад баркою й ін.). Крім того, використання поліамідної температури, буде відбуватися розпад агломерасмоли при відновленні оксалатів металів може тів. Крім того внаслідок налипання на поверхні призводити до утворення побічних токсичних провеликих наночастинок малих наночастинок, які дуктів її розкладу. Отриманий феромагнітний помають електричне поле з великим градієнтом порошок при практичному використанні вимагає наятенціалу, утворюються агломерати з різними повності інертного середовища, тобто він є верхневими електричними зарядами, що створює пірофорним, що ускладнює його застосування. передумови для їх коагуляції та утворення макроаВідомо спосіб одержання нанокомпозиційного гломератів. феромагнітного порошку, що включає осадження Найбільш близьким до пропонованого за техоксалатів залізо-кобальт-нікель з водних розчинів нічною суттю є спосіб отримання агломератів коїх солей з наступною модифікацією вказаних оксалоїдних металевих наночасток, в яких розміри латів і їх термообробкою у відновлювальному сечастинок складають від 1 нм до 15 мкм, засноваредовищі, який відрізняється тим, що осадження ний на диспергуванні металевих гранул в деіонізооксалатів залізо-кобальт-нікель здійснюють у приваній воді, об'єднанні крупних частинок-ядер і дрісутності спирту і винної кислоти при масовому бних наночасток, що складають оболонку, який співвідношенні спирт: винна кислота, що дорівнює відрізняється тим, що здійснюють ерозійно1-(0,2 - 0,6), як модифікатор використовують привибухове диспергування металевих гранул іскрородний полімер і модифікацію здійснюють у розвими розрядами, електризують наночастки в іскчині, що містить полімер у кількості 1-2 % від маси рових розрядах і утворюють електрохімічні пари з вказаних оксалатів, як відновлювальне середовинаночасток з переважно найбільшою різницею ще використовують СО2 або CO, або газоподібний величин електродних потенціалів [Патент Украйни вуглеводень і термообробку отриманого порошку № 28083- прототип. Спосіб отримання агломератів 7 вказаних оксалатів здійснюють при температурі колоїдних металевих наночастинок. МПК B01J 380-400°С протягом 4-5 годин. Як природний полі13/00, В32В 5/16, B22F 9/14. Бюл. № 19 від мер використовують крохмаль, а як газоподібний 26.11.2007 p.]. вуглеводень використовують метан або ацетилен, Недоліком відомого способу є те, що при з'єдабо етилен, або бензол [Патент Украйни № 74110. нанні наночастинок, з переважно найбільшою різСпосіб одержання нанокомпозиційного феромагніницею величин електродних потенціалів, в результного порошку. МПК7 B22F 9/16. Бюл. № 10 від таті електростатичної взаємодії утворюються 17.10.2005 p.]. Цим способом отримають нанокомагломерати з слабою силою зчеплення наночаспозиційні феромагнітні порошки з розміром часток тинок. Само поняття агломерат позначає «рихле від 60 до 80 нм, вмістом заліза від 57 до 60%, коскупчення» [Большой энциклопедический словарь. бальту біля 30%, нікелю біля 10% та наявністю на М.: Мультитрейд. 2004]. Таке з'єднання недостатповерхні часток карбідів заліза і оксидів. Недолінє міцне, тому при підвищенні енергії навколишком цього способу є складність, великі тривалість нього середовища, наприклад температури води, (15 - 17 годин) і кількість (11) основних технологічвідбувається розпад агломератів. Налипання маних операцій та вихідних матеріалів (17 речовин). лих наночастинок на великих наночастинках завКрім того використання таких речовин, як CO, CO2, жди супроводжується утворенням пор біля місць етилен, ацетилен, метан та бензол потребує осоконтактів сфер, тому агломерати, які отримані відомим способом (Патент Украйни № 28083 - про 5 46533 6 тотип) контактують з навколишнім середовищем мірів зародків, які стають центрами кристалізації, не тільки оболонками, але та ядрами. Крім того та формування більш крупних ядер, розміри яких внаслідок налипання на поверхні великих наночаможуть перевищувати нанорозмірний діапазон. У стинок малих наночастинок, які мають електричне випадку, коли при електроіскровій обробці викориполе з великим градієнтом потенціалу, утворюстовуються гранули однакових металів отримання ються агломерати з різними поверхневими електкомпозиційних наночастинок неможливо. ричними зарядами, що створює передумови для їх Найбільший вплив на поверхневий натяг досякоагуляції при збереженні та утворення макроаггається тоді, коли метал оболонки, який знижує ломератів, які мають розміри значно більше наноповерхневий натяг металу ядра, знаходиться у розмірної області. вигляді рідини або газу, а метал ядра знаходиться Метою корисної моделі є отримання композиу вигляді рідини. У цьому випадку відбувається ційних наночастинок з міцним зчепленням суцільактивне накопичення, адсорбція та дифузія атомів ної оболонки та ядра, які мають підвищену стійметалу оболонки на поверхні металу ядра та фокість до руйнування та коагуляції і седиментації під рмування дрібних частинок. Таки умови реалізувпливом зовнішнього середовища. ються у випадку, коли температура плавлення Вказана мета досягається тим, що спосіб металу оболонки менша за температуру плавленотримання композиційних наночастинок включає ня металу ядра. У випадку коли температура плаелектроіскрову обробку металевих гранул в деіонівлення металу оболонки більша за температуру зованій воді та утворення наночастинок з ядрами плавлення металу ядра умови кристалізації дрібта оболонками, при цьому, перед завантаженням в них композиційних наночастинок не реалізуються розрядну камеру гранул визначають метал гранул та формуються крупні частинки, розміри яких педля отримання ядер його температуру плавлення ревищують нано розмірний діапазон. та коефіцієнт лінійного розширення, як матеріал Застосування металів з однаковими темперагранул для отримання оболонок застосовують турами плавлення не змінює умови кристалізації в метал, який знижує поверхневий натяг металу порівнянні з використанням металів з різними темядер, має температуру, плавлення меншу за температурами плавлення та не впливає на формупературу плавлення металу ядер, а коефіцієнт вання композиційних наночастинок. лінійного розширення, більший за коефіцієнт ліПри формуванні композиційних наночастинок нійного розширення металу ядер, гранули заваннеобхідно, щоб метал оболонки мав коефіцієнт тажують і розташовують в розрядної камері так, лінійного розширення більший за коефіцієнт лінійщоб іскрові розряди виникали між гранулами, з ного розширення металу ядра. У цьому випадку, яких отримають ядра, та гранулами, з яких отрипри охолодженні композиційних наночастинок, мають оболонки, заливають деіонізовану воду в оболонка стискує ядро та відбувається міцне зчерозрядну камеру, подають електричні імпульси на плення оболонки та ядра. У випадку, коли коефіціелектроди розрядної камери та отримують колоїдєнт лінійного розширення металу оболонки менний розчин композиційних наночастинок в воді. ший за коефіцієнт лінійного розширення металу В процесі електроіскрової обробки, у місцях ядра, при охолодженні композиційних наночастиконтакту іскрив з поверхнею металевих гранул, в нок, ядро буде швидше зменшувати розміри, ніж результаті взаємодії іскрив і поверхонь, відбуваоболонка, що призведе до утворення пор і порується руйнування, розплавлення та випаровуваншення суцільності між оболонкою та ядром і відня металу та викид газоподібного, рідкого і твердошаруванню оболонки від ядра під впливом навкого металу в простір між гранулами. Твердий лишнього середовища. метал, що потрапляє в зону високих, порядку 4000 Спосіб отримання композиційних наночасти- 30000 °С, температур, також, плавиться і випанок здійснювали таким чином: перед завантаженровується. В просторі між гранулами в газовому ням в розрядну камеру гранул, визначили мідь середовищі навколо іскри відбувається активна металом гранул для отримання ядер і температувзаємодія продуктів ерозії, яка суттєво впливає на ру плавлення та коефіцієнт лінійного розширення процес кристалізації наночастинок. Надалі пар і міді (Значення наведені в таблиці). Як матеріал краплі рідкого металу з газового середовища потгранул для отримання оболонок застосовували рапляють в воду, де охолоджуються та кристалісрібло, яке знижує поверхневий натяг міді, має зуються з високою швидкістю. температуру плавлення меншу за температуру Відомо [Чалмерс Б. Теория затвердевания. плавлення міді, а коефіцієнт лінійного розширенМ.: Металлургия, 1968.-с.288.], що розміри зародня, більший за коефіцієнт лінійного розширення ків, які стають центрами кристалізації при переході міді (Значення наведені в таблиці). Гранули міді та металу з рідкого в твердий стан, прямо пропорційсрібла завантажували і розташовували в розрядно залежать від поверхневого натягу рідкого метаній камері так, що кожна гранула міді була оточена лу. При зниженні поверхневого натягу рідкого мегранулами срібла, тобто іскрові розряди виникали талу критичний розмір зародків кристалізації між гранулами міді та срібла. Після цього в розрязменшується та навпаки. Отже, якщо при взаємодії дну камеру заливали деіонізовану воду, подавали в просторі між гранулами метал оболонки знижує електричні імпульси на електроди розрядної камеповерхневий натяг металу ядра, при кристалізації ри та отримували колоїдний розчин композиційних будуть формуватися більш дрібні ядра та, як нананочастинок в воді. Розміри та форму гранул, а слідок, більш дрібні композиційні наночастинки. також час електроіскрової обробки визначали відУ випадку, коли при взаємодії в просторі між повідно патенту на корисну модель № 38458. гранулами метал оболонки підвищує поверхневий Виділення композиційних наночастинок з натяг металу ядра, відбувається збільшення розотриманих водних колоїдних розчинів відбувалось 7 46533 8 шляхом сушіння крапель розчинів. Фазовий та ратуру плавлення більшу, а коефіцієнт лінійного хімічний склад наночастинок вивчалися методом розширення менший ніж мідь, використовували рентгенівської дифракції. Рентгенографічні дослінікель (Значення наведені в таблиці). дження проводились в монохроматичному СиКа Параметри відомого способу отримання нановипромінювані на діфрактометрі ДРОН-УМ1. Хімічастинок (варіант 1 -прототип), способу, що заявчний стан поверхневих атомів наночастинок виляється (варіант 2) та ті, що виходять за межі заявчався методом рентгенівської фотоелектронної влених параметрів (варіанти 3, 4), властивості спектроскопії (РФЕС) на спектрометрі ЕС-2401. металів оболонки (Ag, Sb, Zn, Ni) та ядра (Сu) і Стійкість до руйнування (R, %) визначали по стійкість до руйнування (R, %) та коагуляції і седивідносному відсотку розпаду агломератів, отримаментації (CS, %) агломератів і композиційних наних відомим способом (Патент Украйни № 28083ночастинок наведено у таблиці. Видно, що при прототип), і композиційних наночастинок, отримаотриманні композиційних наночастинок, відповідно них пропонованим способом, при витримці у воді, способу що заявляється (варіант 2), стійкість до при 90°С, протягом 24 годин. Стійкість до коагуляруйнування та коагуляції та седиментації збільшуції та седиментації (CS, %) під впливом зовнішньоється, відповідно, в 23 і 17 разів, в порівнянні з го середовища визначали по відсотку маси осаду прототипом (варіант 1). У випадку коли параметри відносно вмісту агломератів та композиційних наотримання композиційних наночастинок знахоночастинок в одному літрі води після отримання з дяться за межами пропонованого способу (варіанрозрядної камери та витримки, при кімнатній темти 3, 4) стійкість до руйнування та коагуляції та пературі, протягом тижня. седиментації зменшується, відповідно, в 7,5-10,5 і Отримання агломератів колоїдних металевих 4,7-6 разів, в порівнянні з способом, що заявлянаночастинок за відомим способом (прототипом) ється (варіант 2). відбувалось відповідно до патенту України № Істотними відмінностями корисної моделі є: 28083. Як електрохімічні пари використовували - послідовність операцій отримання композимідь та цинк, які мали найбільшу різницю величин ційних наночастинок; електродних потенціалів, серед вивчених металів - залежність металу оболонки від металу ядра; (Значення наведені в таблиці). - критерії вибору металу оболонки в залежносЯк метал, який знижує поверхневий натяг міді, ті від металу ядра; має температуру плавлення та коефіцієнт лінійно- розташовування гранул, з яких отримають го розширення менші ніж мідь, використовували ядра, та гранул, з яких отримають оболонки в розсурму (Значення наведені в таблиці). Як метал, рядної камері. який збільшує поверхневий натяг міді, має темпеТаблиця Різниця електродних потенціалів між міддю та металом оболонки в воді ( Е), вплив на поверхневий натяг рідкої міді, температура плавлення (tnn) та коефіцієнти лінійного розширення (а) металів оболонки (Ag, Sb, Zn, Ni) та ядра (u), стійкість до руйнування (R, %) та коагуляції і седиментації (CS, %) агломератів і композиційних наночастинок. ІВплив на поверхМетал ,°С-1 № невий (натягу рідtпл R,% CS, % Е, В оболонки кої міді Відомий спосіб - прототип 1 Zn 1,283 збільшує 420 38,7.10-6 46 51 Пропонований спосіб 2 Ag 0,279 знижує 962 18,7.10-6 2 3 3 Sb 0,320 знижує 631 10.8.10-6 15 14 4 Ni 0,777 збільшує 1453 13,3.10-6 21 18 * Сu 0 1083 17,0.10-6 *- метал ядра для порівняння Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601