Спосіб одержання вуглецевих наноматеріалів

Реферат: Винахід належить до галузі хімії і може знайти застосування при виготовленні армуючих домішок у композиційних матеріалах та присадок у мастильних речовинах. Спосіб одержання вуглецевих наноматеріалів виконують шляхом застосування екзотермічної реакції самопоширюваного високотемпературного синтезу в порошковій системі. Ініціювання процесу самопоширюваного високотемпературного синтезу здійснюють імпульсним нагріванням локальної зони порошкової системи при електричному розряді на дріт з тугоплавкого металу, який поверхнево контактує з порошковою системою. Параметри електричного розряду UA 115582 C2 (12) UA 115582 C2   2 36 a 4  cTi L , де  2H2 12a 4  c L Ti U0 - зарядна напруга; H - ентальпія ініціювання реакції порошкової системи; Ti - температура ініціювання реакції в порошковій системі; а, σ, ρ, c - радіус, електропровідність, густина та теплоємність дроту з тугоплавкого металу, відповідно; C - сумарна ємність батареї конденсаторів; L - індуктивність розрядного контуру. Винахід дозволяє збільшити вихід порошків вуглецевих наноматеріалів та зменшити ймовірність небажаного режиму "вибухового горіння" порошкової системи, зберігаючи простоту та стабільність ініціювання. розраховують попередньо згідно із залежностями: U0   8H3 та C  UA 115582 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до способів одержання вуглецевих наноматеріалів методом самопоширюваного високотемпературного синтезу (СВС) і може знайти застосування при виготовленні армуючих домішок у композиційних матеріалах та присадок у мастильних речовинах. Відомий спосіб самопоширюваного високотемпературного синтезу вуглецевих наноматеріалів (Заявка US20140377160 США, МПК(2015)С01В31/04; С01В31/02. Combustion synthesis of graphene and carbonous nanomaterials /Mukasyan Alexander, Manukyan Khachatur; заявитель Mukasyan Alexander, UNIVERSITY OF NOTRE DAME DU LAC, Manukyan Khachatur. № 14292576; заявл. 30.05.2014; опубл. 25.12.2014; http://patentscope.wipo.int/search/), за яким для отримання графену використовують самопоширювану високотемпературну реакцію між вогнетривкими керамічними сполуками та вуглецевмісними полімерами у інертному газовому середовищі. Ознакою, яка збігається з суттєвою ознакою винаходу, що заявляється, є одержання вуглецевих наноматеріалів шляхом застосування реакції самопоширюваного високотемпературного синтезу. Причиною, яка перешкоджає одержанню очікуваного технічного результату є те, що для цього способу характерні мала варіативність вихідного продукту (лише графенова модифікація вуглецю) та складність технічного обладнання. Найбільш близьким за сукупністю ознак до винаходу є спосіб одержання порошку вуглецевих наноматеріалів з використанням органічних сполук, азиду натрію та металів у режимі самопоширюваного високотемпературного синтезу (Амосов А.П. О возможности получения наноуглерода при химико-конденсационном горении порошковых смесей /А.П. Амосов, Ю.М. Марков, С.М. Ахметсагиров, Г.В. Бичуров /Вестник Самарского государственного технического университета. Сер.: Технические науки. - 2007. - № 1. - С. 107-113.), який включає самопоширюваний високотемпературний синтез нанокластерів молекул вуглецю з використанням СВС-системи порошків алюміній + фторопласт. Ознаками, які збігаються з суттєвими ознаками винаходу, що заявляється, є отримання вуглецевих наноматеріалів шляхом самопоширюваного високотемпературного синтезу в порошковій СВС-системі. Причиною, яка перешкоджає отриманню очікуваного технічного результату є те, що для ініціювання процесу самопоширюваного високотемпературного синтезу потрібно використання лабораторного реактора постійного тиску, заповненого азотом. В основу винаходу, поставлено задачу вдосконалення способу одержання вуглецевих наноматеріалів шляхом уведення нової операції, що дозволить забезпечити необхідні для повного розкладання вуглецевої сировини температури синтезу, і за рахунок цього збільшити вихід порошків вуглецевих наноматеріалів. Крім того, спосіб дозволяє зменшити ймовірність небажаного режиму "вибухового горіння" порошкової системи, зберігаючи простоту та стабільність ініціювання. Суть винаходу полягає в тому, що у способі одержання вуглецевих наноматеріалів шляхом застосування екзотермічної реакції самопоширюваного високотемпературного синтезу в порошковій системі, згідно з винаходом, здійснюють ініціювання процесу самопоширюваного високотемпературного синтезу імпульсним нагріванням локальної зони порошкової системи при електричному розряді на дріт з тугоплавкого металу, яка поверхнево контактує з порошковою системою, при цьому параметри електричного розряду розраховують попередньо згідно із  8H3   2 4 та C  36 a  cTi L , де U0 - зарядна напруга; H - ентальпія  2H2 12a 4  c L Ti ініціювання реакції порошкової системи; Ti - температура ініціювання реакції в порошковій системі; а, , , ϲ - радіус, електропровідність, густина та теплоємність дроту з тугоплавкого металу, відповідно; C - сумарна ємність батареї конденсаторів; L- індуктивність розрядного контуру. Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак і технічним результатом, необхідно відзначити таке. Ознаки "здійснюють ініціювання процесу самопоширюваного високотемпературного синтезу імпульсним нагріванням локальної зони порошкової системи при електричному розряді на дріт з тугоплавкого металу, яка поверхнево контактує з порошковою системою, при цьому параметри залежностями: U0  електричного розряду розраховують попередньо згідно із залежностями: U0  1  8H3 12a 4  c L Ti та UA 115582 C2  5 10 15 20  2 36 a 4  cTi L " дозволяють забезпечити необхідні для повного розкладання вуглецевої C  2H2 сировини температури синтезу, і за рахунок цього збільшити вихід порошків вуглецевих наноматеріалів. Крім того, спосіб дозволяє зменшити ймовірність небажаного режиму "вибухового горіння" порошкової системи, зберігаючи простоту та стабільність ініціювання. Суть винаходу пояснюється кресленням, де на фіг. 1 зображено установку для реалізації імпульсного ініціювання процесу самопоширюваного високотемпературного синтезу вуглецевих наноматеріалів; на фіг. 2 - технологічний вузол самопоширюваного високотемпературного синтезу вуглецевих наноматеріалів; на фіг. 3 - знімки процесу самопоширюваного високотемпературного синтезу шихти складу алюміній + політетрафторетилен (на знімку вказано час від моменту ініціювання процесу синтезу в секундах); на фіг. 4 - дифрактограми зразків початкової шихти та вихідного продукту самопоширюваного високотемпературного синтезу СВС-систем алюміній + політетрафторетилен. Установка для реалізації імпульсної ініціації процесу самопоширюваного високотемпературного синтезу (фіг. 1) містить: високовольтний трансформатор 1, з'єднаний з мережею напруги ~380 В; індикаційний кіловольтметр 2; батарею конденсаторів 3; керований повітряний розрядник 4; котушку індуктивності 5; вимірювальний шунт 6 та подільник напруги 7, з'єднані з осцилографом 8; дріт 9 з тугоплавкого металу, закріплений в струмоведучих електродах 10, який має поверхневий контакт з порошковою системою 11, розташовану в спеціальному заглибленні 12 у технологічному вузлі 13. Спосіб здійснюють таким чином. Попередньо розраховують електротехнічні параметри, які потрібні для реалізації ініціювання самопоширюваного високотемпературного синтезу, згідно із залежностями: U0  30 35 40 45 50  12a 4  c L Ti 2 36 a 4  cTi L , де U0 - зарядна напруга; H - ентальпія ініціювання реакції у вибраній  2H2 порошкової системи (вибирається з довідкових даних); T i - температура ініціювання реакції в вибраній порошковій системі (вибирається з довідкових даних); а, , , ϲ - відповідно, радіус, електропровідність, густина та теплоємність дроту з тугоплавкого металу, C - сумарна ємність батареї конденсаторів; L - індуктивність розрядного контуру (вибирається зі співвідношення та C  25   8H3  LC  1c ). Підготовлену з порошкових реагентів шихту 11 розташовують у спеціальному заглибленні 12 у технологічному вузлі 13 (фіг. 2), після чого до торця зразка підводять дріт 9, який попередньо закріплений в струмоведучих електродах 10 (фіг. 1), для здійснення поверхневого контакту з порошковою системою. Далі камеру зі зразком герметично закривають і заповнюють дистильованою водою. При подачі напруги на батарею конденсаторів 3 починає запасатися енергія. При досягненні розрахункової напруги U0 , за якої очікується ініціювання шихти, керований розрядник 4 автоматично замикає електричне коло і енергія, що запасається в батареї конденсаторів, вивільнюється на дроту 9. Після розряду та прогрівання зони, що ініціюється, шихта яскраво розгорається та переходить у режим самопоширюваного високотемпературного горіння. По закінченні процесу синтезу, камеру розкривають і витягають капсулу із синтезованим порошком. Воду з камери, яка також містить вихідний продукт, зливають і фільтрують на вакуум-фільтрувальному обладнанні, після чого нанопорошок висушують і збирають. Приклад 1. Підготовлену кварцову капсулу (внутрішній діаметр - 3 мм, зовнішній діаметр - 6 мм, довжина - 70 мм), заповнену шихтою масою 1,2 г складом алюміній + політетрафторетилен, компоненти якої знаходяться у стехіометричному масовому відношенні 1:2,78, встановлюють у технологічному вузлі. До торця капсули до поверхневого контакту з порошковою системою підводять ініціюючу спіраль, виконану з вольфрамового дроту радіусом 0,3 мм та довжиною 150 мм. Далі камеру технологічного вузла закривають і заповнюють дистильованою водою. Під час розряду накопиченої в зарядному контурі (з попередньо розрахованими електротехнічними параметрами: U0=0,5 κΒ, С=1080 мкФ, L=33,8 мкГн) енергії тривалістю 1,1 мс, ініціююча спіраль імпульсно нагрівалась і, після затримки в 23 мс, під час якої тепло від спіралі розігрівало локальну зону порошкової системи, ініціювався процес самопоширюваного високотемпературного синтезу (фіг. 3). По закінченні процесу синтезу камеру розкривають і витягують капсулу із синтезованим порошком. Воду з камери, яка також містить вихідний продукт, зливають і фільтрують на вакуум-фільтрувальному обладнанні, після чого 2 UA 115582 C2 5 10 15 нанопорошок висушують і збирають. Результати рентгенофазового аналізу (фіг. 4) показали, що більша частина початкових порошків вступила в реакцію самопоширюваного високотемпературного синтезу з утворенням вуглецевих наноматеріалів. Приклад 2. Підготовляють кварцову капсулу аналогічно Прикладу 1. До торця капсули до поверхневого контакту з порошковою системою підводять ініціюючу спіраль, виконану з ніхромового дроту радіусом 1,25 мм та довжиною 100 мм. Далі камеру технологічного вузла закривають і заповнюють дистильованою водою. Під час розряду накопиченої в зарядному контурі (з попередньо розрахованими електротехнічними параметрами: U0=1,5 кВ, С=1080 мкФ, L=33,8 мкГн) енергії тривалістю 1,2 мс, ініціююча спіраль імпульсно нагрівалась і, після затримки в 27 мс, під час якої тепло від спіралі розігрівало локальну зону порошкової системи, ініціювався процес самопоширюваного високотемпературного синтезу. По закінченні процесу синтезу, проводять операції, аналогічні описаним у Прикладі 1. Таким чином, спосіб одержання вуглецевих наноматеріалів дозволить забезпечити необхідні для повного розкладання вуглецевої сировини температури синтезу, і за рахунок цього збільшити вихід порошків вуглецевих наноматеріалів. Крім того, спосіб дозволяє зменшити ймовірність небажаного режиму "вибухового горіння" порошкової системи, зберігаючи простоту та стабільність ініціювання. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 Спосіб одержання вуглецевих наноматеріалів шляхом застосування екзотермічної реакції самопоширюваного високотемпературного синтезу в порошковій системі, який відрізняється тим, що здійснюють ініціювання процесу самопоширюваного високотемпературного синтезу імпульсним нагріванням локальної зони порошкової системи при електричному розряді на дріт з тугоплавкого металу, який поверхнево контактує з порошковою системою, при цьому параметри електричного розряду розраховують попередньо згідно із залежностями: U0  30  8H3 та C    2 36 a 4  cTi L ,  2H2 12a 4  c L Ti де U0 - зарядна напруга; H - ентальпія ініціювання реакції порошкової системи; Ti - температура ініціювання реакції в порошковій системі; а, σ, ρ, c - радіус, електропровідність, густина та теплоємність дроту з тугоплавкого металу, відповідно; C - сумарна ємність батареї конденсаторів; L - індуктивність розрядного контуру. 3 UA 115582 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4