СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКОН В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ОДНОРОДНОМ ПОЛЕ
METHOD OF OBTAINING FIBRES IN ELECTRIC UNIFORM FIELD

Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности может быть использовано в химической промышленности, электронике, медицине, машиностроении для изготовления пластмасс, компонентов топливных ячеек, аккумуляторов, суперконденсаторов, дисплеев, источников электронов, материалов для протезирования, а также в качестве компонента композиционных материалов, применяемых в авто- и/или авиастроении.
Известен способ изготовления длинных ориентированных жгутов углеродных нановолокон (Патент №2393276, МПК D01F 9/127, B82B 3/00, C01B 31/02). Способ заключается в том, что катализатор роста углеродных нановолокон после его предварительной высокотемпературной обработки помещают в реактор, нагревают реакционную зону до температуры пиролиза подаваемой в реактор углеродсодержащей парогазовой смеси. Смесь включает активаторы на основе серосодержащих или кислородсодержащих соединений. Затем выдерживают при температуре пиролиза до образования вышеуказанных жгутов и реактор охлаждают. Линейная скорость подачи углеродсодержащей парогазовой смеси находится в интервале от 20 до 300 мм/с. Изобретение обеспечивает получение длинных ориентированных жгутов углеродных нановолокон с многослойной структурой.
Недостатком является то, что необходимо использовать смесь активаторов на основе серосодержащих или кислородсодержащих соединений, а использование серосодержащих соединении является вредным экологическим фактором производства. Также выдерживать катализатор роста углеродных нановолокон при температуре пиролиза до образования жгутов, что является сложной технической задачей.
-1
Известен способ получения углеродных нановолокон (Патент №2350555, МПК C01B 31/02, B82B 3/00). Газ, образующийся при электрокрекинге жидких углеводородов, содержащий ацетилен и водород, с расходом 1400-1700 час, подвергают термокаталитическому разложению при 250-300°C на катализаторе на основе карбидообразующих металлов VIII группы. Изобретение позволяет повысить производительность процесса, снизить температуру и увеличить скорость образования углерода, повысить выход целевого продукта.
Недостатком является то, что необходимо применение жидких углеводородов и водорода, которые подвергают термокаталитическому разложению при 250-300°C на катализаторе на основе карбидообразующих металлов VIII группы. Это является сложно реализуемой и дорогостоящей задачей. Необходимо использовать дополнительного специальное оборудование для улавливания водорода во избежание детонации.
2
Известен способ нанесения оптического покрытия на основе ориентированных в электрическом поле углеродных нанотрубок для оптического приборостроения, микро- и наноэлектроники при нивелировании границы раздела сред: твердая подложка-покрытие (Заявка на патент №2008151250, МПК G02B 1/00, B82B 1/00). В данном способе оптическое покрытие содержит слой напиленных с использованием излучения квазинепрерывного CO-лазера углеродных нанотрубок на подложку из органического или неорганического материала для повышения однородности, расширения спектральной области функционирования осаждаемого покрытия, повышения механической и лазерной прочности, уменьшения шероховатостей поверхности, а также для создания гомеотропной ориентации молекул органических систем, в том числе жидкокристаллических, используется один слой углеродных нанотрубок, ориентированных в электрическом поле с напряженностью 50-250 В/см, с размером неоднородностей на уровне нанометров, со спектральными характеристиками, позволяющими оптическому покрытию увеличивать пропускание излучения в УФ, видимой и ИК-областях спектра, с улучшенной механической и лазерной прочностью и нивелирующем границу раздела сред: твердая подложка-покрытие.
Недостатком является то, что необходимо напилить углеродные нанотрубки строго определенного размера. Диагностика и отбор этих объектов по заданным размерным критериям требует использование дорогостоящей техники (АСМ, РЭМ и т.д.) и дополнительных методов обработки.
Известен способ электродугового получения углеродных нанотрубок (Патент №2370434, МПК C01B 31/00, B82B 3/00). Углеродные нанотрубки получают электродуговым способом в атмосфере аргона с применением полого графитового анода, содержащего наполнитель, которым служит сульфид цинка. Полученные углеродные нанотрубки содержат 0,04-0,06 мас.% цинка.
Недостатком является то, что получение углеродных нанотрубок осуществляют в атмосфере аргона, и полученные углеродные нанотрубки содержат 0,04-0,06 мас.% цинка. Данное содержание цинка отрицательно влияет на свойства углеродных нанотрубок.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ Carbon nanotube manufacturing apparatus and method for manufacturing carbon nanotube (United States Patent Application 20070031317, D01F 9/12 20060101 D01F 009/12). В данной заявке для производства углеродных нанотрубок углеродную мишень нагревают высокочастотным нагревателем, углеродосодержащий пар ионизируют и пропускают его через постоянное электрическое поле. Прошедшие углеродные пары осаждаются на подогреваемую подложку, на которой формируются углеродные нанотрубки.
К недостаткам данного способа можно отнести то, что необходимо использовать токи высокого напряжения для нагрева мишени и подложки. А также нагревается вся мишень, что приводит к быстрому разрушению мишени.
Техническим результатом данного изобретения является получение волокон и волокон-вискерсов в электрическом однородном поле при лазерном воздействии на различные мишени (углеродные, металлические) в атмосфере воздуха. Также нет необходимости нагревать всю мишень, что является более целесообразным для ее сохранения и дальнейшего использования. Это приводит к уменьшению себестоимости посредствам снижения энергетических затрат не ухудшая качества выпускаемой продукции.
5
7
7
9
2
7
9
2
5
7
Технический результат достигается тем, что в способе получения волокон в электрическом однородном поле на углеродную мишень, помещенную в однородное электрическое поле напряженностью 10-10 В/м, воздействуют лазерным излучением интенсивностью 10-10 Вт/см в атмосфере воздуха в течение 5-10 секунд до образования плазменного факела, который направлен навстречу лазерному лучу и отклоняется на электрод, имеющий отрицательный заряд, где в точке соприкосновения плазменного факела и электрода формируются перепутанные углеродные волокна. Для получения волокон-вискерсов лазерному воздействию интенсивностью 10-10 Вт/см подвергают металлическую мишень в атмосфере воздуха, которая располагается в электрическом однородном поле напряженностью 10-10 В/м. В результате лазерного воздействия от 5-10 секунд образуется плазменный факел, который распространяется навстречу лазерному лучу и при отклонении к положительному электроду за счет окисления продуктов абляции с образованием электроотрицательного оксида.
Особенность способа заключается в лазерно-плазменных технологиях. Воздействие высококонцентрированного лазерного излучения на поверхность мишени в атмосфере воздуха приводит к образованию плазмы над поверхностью мишени. В плазме содержаться ионы и атомы мишени, которые распространяются в плазменном факеле, направленном навстречу лазерному лучу. Воздействие лазерного излучения на мишень происходит в однородном постоянном электрическом поле, что приводит к отклонению плазменного факела. После вылета продуктов абляции из лазерного излучения происходит их взаимодействие с атмосферным воздухом с последующим осаждением продуктов взаимодействия на отрицательный электрод. В результате происходит образования в зоне соприкосновения на поверхности отрицательного электрода: углеродных перепутанных волокон, если мишень углеродная; волокон-вискеров, если мишень металлическая.
Используя в качестве мишени углеродосодержащие материалы, на поверхности отрицательного электрода в зоне соприкосновения формируются перепутанные углеродные волокна (фиг.2). Формирование волокон-вискеров (фиг.3) на поверхности положительного электрода происходит тогда, когда в качестве мишени используются металлы, образующие электроотрицательные оксиды.
Предлагаемый способ получения волокон в однородном электрическом поле в атмосфере воздуха при воздействии лазерного излучения на мишень может рассматриваться как альтернативный способ получения углеродных волокон без дорогостоящего оборудования (вакуумной камеры высокого давления, дорогостоящих катализаторов, инертных газов, дополнительного оборудования и т.д.), тем самым удешевляет технологический цикл готовых изделий с возможностью дальнейшего использования.
Получаемые углеродные волокна могут использоваться в различных отраслях промышленности в качестве катализаторов, наполнителей и т.д.
5
Пример осуществления способа. На фиг.1 представлена схема получения углеродных волокон в электрическом однородном поле при лазерном воздействии на углеродосодержащую мишень в атмосфере воздуха. Воздействуя непрерывным лазерным излучением 1 (λ-1.06 мкм, мощностью 50 Вт) на углеродную мишень 2 в течение 5 секунд, образовывается плазменный факел, который распространяется в однородном электрическом поле напряженностью 10 В/м навстречу лазерному излучению и отклоняется на заряженный электрод 3, имеющий отрицательный заряд. В точке соприкосновения плазменного факела и электрода формируются перепутанные углеродные волокна (фиг.2).