Спосіб очистки поверхні наноалмазного матеріалу

Реферат: Винахід стосується галузі одержання нанодисперсних вуглецевих матеріалів, завдяки їх хімічній очистці отримані порошки можна використовувати при виготовленні полікристалів, адсорбентів, каталізаторів, наповнювачів в різні матеріали, носіїв біологічних середовищ та інше. Для цього в способі очистки поверхні наноалмазного матеріалу, згідно з яким дисперсний наноалмазний матеріал у вигляді водної суспензії з концентрацією не більше 5,0 % піддають UA 98875 C2 (12) UA 98875 C2 низькотемпературному охолодженню при температурі від -10 °C до -25 °C. При цьому розморожування твердих зразків суспензії проводиться поетапно з отриманням 3-7 груп матеріалу. UA 98875 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі одержання нанодисперсних вуглецевих матеріалів, завдяки їх хімічній очистці отримані порошки можна використовувати при виготовленні полікристалів, адсорбентів, каталізаторів, наповнювачів в різні матеріали, носіїв біологічних середовищ та інше. Найбільш близький за технічною суттю до запропонованого способу є спосіб очистки вуглецевого матеріалу (див. патент РФ № 2077476, МПК С01В 306, опубл. 20.04.1997), який відбувається за допомогою детонації вуглецевої вибухової речовини з від'ємним кисневим балансом в замкненому об'ємі в газовому середовищі, інертному до вуглецю, що включає видалення металів та їх сполук з вуглецевого матеріалу за допомогою обробки кислотою при нагріванні, видалення неалмазних форм вуглецю кислотною обробкою із застосуванням окислювача, відмивку матеріалу від продуктів кислотної обробки. Недоліком вказаного способу є те, що на поверхні отриманого наноалмазного матеріалу після видалень присутні зв'язуючи групи ОН карбонільні, карбоксильні і вільні молекули води, які впливають на фізико-хімічні властивості цього матеріалу. Наноалмазні порошки широко застосовуються в медицині, в біологічних середовищах як адсорбенти. Однією з основних вимог до якості адсорбентів є чистота їх поверхні. Частки наноалмазного матеріалу мають високу питому поверхню, тому на поверхні цих часток утримується велика кількість функціональних груп. За допомогою термодесорбційних і хроматографічних методів показано, що основними продуктами термодесорбції, що фіксуються на поверхні наноалмазних часток є пари води, атомарний і молекулярний кисень, монооксид вуглецю (СО) і діоксид вуглецю (СО 2). (див. Надтверді матеріали. Отримання і застосування. Монографія в 6 томах під загальною ред. Н.В. Новикова. Київ: ІНМ ім. В.Н. Бакуля, ИПЦ "АЛКОН" НАНУ, 2004. Том 2: Структура і властивості СТМ, методи досліджень, С. 112-122). Тому зниження змісту функціональних груп на поверхні часток наноалмазних порошків є дуже актуальним завданням. Найближчим аналогом цієї роботи є очищення води від домішків методом заморожування (див М.В. Лаврик "Дослідження ефективності очищення води від часток дисперсної фази методом повного заморожування" Фізичні властивості алмазу" жур. Хімія в інтересах стійкого розвитку 2001, №9, С. 727-730). В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення способу очистки наноалмазного матеріалу, за рахунок низькотемпературного охолодження його водної суспензії, а потім поступового покрокового розморожування з виділенням окремих порцій суспензії, завдяки чому обґрунтовуються прогнозовані результати отримання порошків з різним утримуванням функціональних груп на поверхні алмазних часток, а також розширюються технологічні можливості процесу в цілому. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що в способі очищення наноалмазних матеріалів, їх низькотемпературне охолодження проходить у вигляді водної суспензії з концентрацією не більше 5,0 %. Процес заморожування виконується до повної кристалізації води в морозильній камері при температурі від -10 °C до -25 °C. Після заморожування відбувається поступове покрокове розморожування твердого зразка з виділенням окремих 3-7 порцій наноалмазної суспензії. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю істотних ознак, що характеризують запропонований спосіб, і технічними ефектами, що досягаються при її реалізації, полягає в наступному. У способі, що заявляється, при очищенні наноалмазних матеріалів у вигляді водної суспензії з концентрацією не більше 5,0 % перетворюється в низькотемпературне охолодження в морозильній камері до повної кристалізації води при температурі від -10 °C до -25 °C. Після заморожування виконується поступове покрокове розморожування твердого зразка з виділенням окремих 3-7 груп наноалмазної суспензії, що розрізняються між собою за вмістом функціональних груп на поверхні алмазних часток порошку. В процесі заморожування з поверхні частинок витісняються кисневмісні групи. Частки наноалмазів за рахунок утворення подвійних зв'язків С=С між ними консолідуються в агломерати, що сприяє підвищенню їх фізико-механічних властивостей. Контроль за повноцінним проведення процесу очищення поверхні наноалмазних порошків здійснюється за допомогою термодесорбційних спектрів, отриманих на мас-спектрометрі МІ 1201, за якими визначають інтенсивність спектрів води і моно оксиду вуглецю у від. од. Гранулометричні характеристики агломератів алмазних часток у вигляді їх середнього розміру визначають за допомогою лазерного мікроаналізатора "LMS-30" фірми Seishin (Японія). Приклад конкретної реалізації запропонованого способу. Приклад 1 1 UA 98875 C2 5 10 15 20 25 Очистку поверхні наноалмазного матеріалу марки АСУД-99 починали з хімічного видалення металів та їх сполук з вуглецевого матеріалу за допомогою кислотної обробки при нагріванні. Для цього в термостійку скляну хімічну дволітрову ємність поміщали 100 г наноалмазного матеріалу та приливали розчин суміші кислот (50 мл азотної та 150 мл хлорводневої кислоти), суміш витримали при температурі 100-105 °C впродовж 1,0-1,5 годин. Після цього матеріал відмивали до нейтральної реакції промивних вод. Потім виконували видалення неалмазних форм вуглецю кислотною обробкою з застосуванням окислювача. Для цього у стакан на 100 г наноалмазного матеріалу приливали 163 г концентрованої сірчаної кислоти та 111 г хромового ангідриду розчиненого у 100 мл води (що відповідає співвідношенню 11:100), реакційну суміш витримували при температурі 110-115 °C впродовж 10-20 хвилин, періодично додавали приблизно 50 мл води (цією кількістю води змивали зі стінки реакційної посудини залишки непрореагованого вуглецю). Реакційну суміш відмивали водою при температурі 60-70 °C до нейтральної реакції промивних вод (рН 5-6). Отриманий матеріал промивали киплячою дистильованою водою і висушували. Промивні води направляли на нейтралізацію та утилізацію. Утилізацію та нейтралізацію промивних вод проводили додаванням до них гідроксиду натрію у кількості, що відповідає прогнозовано застосованої кількості окислювачів з відокремлюванням від чистої води осадків (відходів), які в подальшому можна використовувати в народному господарстві. Додаткову очистку поверхні наноалмазів марки АСУД-99 виконували за допомогою заморожування. Для цього у пластиковий посуд об'ємом 200 мл поміщали 5 % суспензію дисперсних наноалмазних порошків і проводили процес заморожування до повної кристалізації води в морозильній камері при температурі -20 °C. Після заморожування здійснювали поступове покрокове розморожування зразків з виділенням 5-ти окремих порцій наноалмазної суспензії від 1 до 5. У отриманих продуктах за допомогою розподілу визначали інтенсивність вмісту (від. од.) пари води при кімнатній температурі і монооксиду вуглецю при температурі 400 °C, а також середні розміри агломератів алмазних часток. Дані прикладу 1 за пп. 1-5 зведені в табл. 1. У тих же умовах був реалізований спосіб за аналогом (див. п. 6). Таблиця 1 Інтенсивність спектрів, від. од. № Найменування груп п/п розподілу води монооксиду Н2O вуглецю СО2 1 1 2200 1000 2 2 Запропонований 3 3 1500 650 спосіб 4 4 5 5 800 300 Спосіб за аналогом 6 2800 1250 Об'єкт випробувань Середній розмір агломератів алмазних часток, мкм 332,7 346,8 373,3 351,5 12,6 30 35 40 45 Як випливає із таблиці 1, після розморожування водної суспензії наноалмазних порошків при поступовому розморожуванні твердого зразка суспензії від верхніх меж до центру на поверхні алмазних часток відбувається зниження адсорбції парів води від 2200 до 800 від. од.; монооксиду вуглецю від 1000 до 300 від. од. Витіснення з поверхні алмазних часток кисневмісних груп сприяє їх консолідації з утворенням агломератів з середнім розміром більше 25 разів, більше чим в початковому порошку (аналогу). У порошках 5-ої, 3-ої початкової порцій після їх висушування визначали фізико-механічні характеристики у вигляді абразивної здатності. Абразивну здатність визначали за методикою ДСТУ 3292-95 при шліфуванні мідної пластинки. У початкових даних і порошках 3-ої порції абразивна здатність була відсутня, а в 5-ій порції склала 0,08 від. од. Приклад 2 Процес заморожування наноалмазних порошків марки АСУД-99 виконували за тих же умов. При цьому концентрація суспензії була 5,0 %, 7,5 % і 10,0 %. В результаті розморожування твердих зразків суспензії отримали за 5-ма окремими порціями наноалмазної суспензії від верхніх меж твердого зразка суспензії (1-я порція) до центру зразка (5-я порція). У 5-й порції визначали інтенсивність спектрів (від. од.) пари води при кімнатній температурі монооксиду вуглецю при температурі 400 °C, а також середні розміри агломератів алмазних часток. Дані прикладу 2 за пп. 1-3 зведені в табл. 2. 2 UA 98875 C2 Таблиця 2 № п/п 1 2 3 5 10 Інтенсивність спектрів, від. од. Води H2O монооксиду вуглецю CO2 800 300 900 400 1500 600 Концентрація водної суспензії, % 5,0 7,5 10,0 З таблиці 2 витікає, що з ростом концентрації наноалмазних порошків у водному розчині суспензії, ї збільшується утримання пари води і монооксиду вуглецю на поверхні алмазних часток. Приклад 3 Вибір температури заморожування 5 % водної суспензії дисперсних наноалмазних порошків марки АСУД 99 виконували при температурі -7,5; -10 °C, -15 °C, -20 °C, -25 °C. В результаті розморожування твердих зразків суспензії отримали по 5 окремих порцій наноалмазной суспензії від верхніх меж твердого зразка суспензії (1-я порція) до центру зразка (5-я порція). У 5-й порції визначали інтенсивність спектрів (від. од.) пари води при кімнатній температурі і монооксида вуглецю при температурі 400 °C, а також середній розмір агломератів алмазних часток. Дані прикладу 3 за пп. 1-5 зведені в табл. 3. 15 Таблиця 3 № п/п 1 2 3 4 5 20 25 Температура заморожування, °C -7,5 -10 -15 -20 -25 Час заморожування, час 10,0 7,0 5,0 4,0 3,5 Інтенсивність спектрів, від. од. води Н2O 790 810 780 800 800 монооксиду вуглецю СО2 295 305 290 300 300 Із таблиці 3 витікає, що при зниженні температурі заморожування вище -10 °C процес заморожування збільшується в часи. Зниження температури заморожування нижче -20 °C не має сенсу, оскільки при незначному зменшенні часу заморожування, наявність на поверхні алмазних часток пари води і монооксиду вуглецю не знижується. Таким чином, в результаті заморожування наноалмазних порошків відбувається очищення їх поверхні за рахунок витіснення кисневмісних груп з поверхні алмазних часток. При цьому агломерати алмазних часток стають більші в 25 разів і підвищуються їх фізико-механічні властивості, що підвищує ефективність їх застосування як адсорбентів в біологічних середовищах. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 1. Спосіб очистки наноалмазного матеріалу, що включає хімічне видалення металів та їх сполук з вихідного вуглецевого матеріалу кислотною обробкою при нагріванні, видалення неалмазних форм вуглецю кислотною обробкою з застосуванням окислювача, відмивку матеріалу від продуктів кислотної обробки, який відрізняється тим, що після видалення металів та їх сполук наноалмазний матеріал у вигляді водної суспензії з концентрацією не більш 5,0 % піддають низькотемпературному охолодженню при температурі кристалізації води від -10 до -25 С. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що розморожування замороженої суспензії проводиться поетапно з отриманням 3-7 груп матеріалу. 3 UA 98875 C2 Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4