УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ И МОДИФИКАЦИИ НАНОАЛМАЗА
APPARATUS FOR PURIFYING AND MODIFYING NANODIAMONDS

Изобретение относится к области получения наноалмазных порошков, нанотрубок, луковичного углерода и других углеродных наноматериалов и продуктов на их основе.
Известно устройство для удаление примеси неалмазного углерода из шихты искусственных наноалмазов (патент РФ №2019502), которое содержит сосуд для размещения шихты, нагреватель, генератор озоновоздушной смеси и дополнительный сосуд для размещения шихты, соединенный с первым сосудом и имеющий большее, чем первый сосуд, проходное сечение по газу. Также устройство снабжено нагревателем дополнительного сосуда. Шихту, содержащую искусственные алмазы, помещают в нагреваемый сосуд, через который пропускают озоновоздушную смесь. В сосуде происходит окисление неалмазных форм углерода. Некоторое количество шихты увлекается током озоновоздушной смеси и газообразных продуктов окисления и переносится в дополнительный сосуд, который тоже заполнен шихтой и работает в качестве фильтр-затвора, в котором происходит улавливание мелких фракций алмазных продуктов, выдуваемых из первого сосуда, и частичное окисление шихты для последующего ее использования в первом сосуде.
Недостатком этого устройства для удаления примеси неалмазных форм углерода из шихты искусственных алмазов является неоднородность получаемого продукта по составу и размерам частиц, поскольку конструкция устройства априори предполагает наличие градиента плотности реагентов и продуктов как по диаметру, так и по длине реакционного объема. Применение данного устройства приводит к неравномерному и неполному окислению неалмазных форм углерода в составе шихтового материала, получению продукта с частично модифицированной поверхностью, выжиганию алмазных фракций малых размеров, уносу мелких фракций с газовыми продуктами окисления. Указанное устройство предназначено только для очистки шихты искусственных алмазов, имеющих микроскопические размеры и не предназначены для получения других углеродсодержащих наноматериалов.
Указанное устройство выбрано заявителем в качестве прототипа.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для получение наноалмаза с модифицированной поверхностью, а также оптимизация процесса очистки углеродных наноматериалов от графита, аморфного углерода и газовых включений с одновременным проведением модификации поверхности углеродных нанообъектов кислородом и озоном.
Для достижения поставленной задачи в устройстве для очистки и модификации наноалмазов, содержащем сосуд для размещения исходного материала, нагреватель, систему генерации газовой смеси и систему фильтрации, согласно изобретению сосуд снабжен устройствами газового и механического перемешивания, причем устройство газового перемешивания включает трубки ввода газовой смеси, размещенные в сосуде ниже верхнего уровня слоя исходного материала, и прерыватели газового потока, обеспечивающие поочередное попарное включение диаметрально расположенных трубок, а устройство механического перемешивания выполнено в виде электромеханической мешалки с лопастями, установленной в донной части сосуда.
При этом система генерации газовой смеси снабжена концентратором кислорода, а также системой управления содержанием в газовой смеси каждого из компонентов. Также устройство дополнительно содержит систему ввода инертного газа, нагреватель заявляемого устройства снабжен системой автоматического контроля и управления, а система фильтрации представляет собой пористые фильтры, снабженные системой обратной импульсной продувки сжатым газом.
Наличие в сосуде устройств механического и газового перемешивания способствует повышению однородности конечного продукта по размерам частиц за счет разрушения агрегатов углеродных наноматериалов и повышению эффективность окисления примесей. Одновременное перемешивание механическим устройством, выполненным в виде электромеханической мешалки с лопастями, установленной в донной части сосуда, и средством газового перемешивания, включающем трубки ввода газовой смеси, размещенные в сосуде ниже верхнего уровня слоя исходного материала, и прерыватели газового потока, обеспечивающие поочередное попарное включение диаметрально расположенных трубок, позволяет интенсифицировать процесс перемешивания.
Наличие в устройстве концентратора кислорода позволяет производить очистку и модификацию наноалмазов кислородом или любым из вариантов смеси газов.
Наличие системы управления содержанием в газовой смеси каждого из компонентов позволяет управлять составом смеси, а также дает возможность применить как смесь газов при любом соотношении компонентов, так и каждый компонент в отдельности в зависимости от вида обрабатываемого углеродсодержащего материала.
Наличие системы ввода инертного газа дает возможность гашения спонтанной реакции выгорания наночастиц и регулирования окислительных процессов.
Наличие системы автоматического контроля и управления способствует регулированию процесса нагрева в большом диапазоне температур и дает возможность применения данного устройства для различных видов углеродсодержащих наноматериалов.
Пористые фильтры позволяют улавливать уносимые потоком газа наночастицы материала, а наличие обратной импульсной продувки позволяет очищать фильтр, возвращая при этом в сосуд наночастицы, таким образом, позволяет минимизировать потери конечного продукта.
Патентные исследования не выявили устройств, характеризующихся заявляемой совокупностью признаков, следовательно, можно предположить, что указанные устройство соответствует критерию “новизна”.
Использование совокупности отличительных признаков также не известно, что говорит о соответствии критерию “изобретательский уровень”.
Кроме того, предлагаемое изобретение может быть использовано в промышленных масштабах и найдет применение, в частности, при изготовлении углеродных наноматериалов, т.е. характеризуется критерием “промышленная применимость”.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где
на фиг.1 - схема заявляемого устройства,
на фиг.2 - таблица фракционирования с режимами центрифугирования и соответствующими фракциями разных видов наноалмазов; фракции 1-7,8∗ - осадок, фракции 8, 9 - супернатант, время центрифугирования каждой фракции 5 мин, за исключением фракции 1-3 мин, D - средний размер частиц во фракции;
на фиг.3 - диаграмма - выход фракций при последовательном центрифугировании изначально полидисперсного заявляемого наноалмазного материала, обозначенного на диаграмме NdO, и наноалмазов кислотно-хромовой очистки, модифицированных путем прогревания на воздухе при 415°C (обозначенных на диаграмме Ch St-415C) и при 425°C (обозначенных Ch St-425C) в течение 1 часа.
Устройство для очистки и модификации наноалмазов содержит сосуд 1 для размещения исходного материала, нагреватель 2, систему генерации газовой смеси и систему фильтрации 3. Система генерации газовой смеси снабжена концентратором кислорода 4, озонатором 5 и осушителем воздуха, а также системой управления содержанием в газовой смеси каждого из компонентов.
Сосуд снабжен устройствами механического и газового перемешивания исходного материала, при этом устройство механического перемешивания выполнено в виде электромеханической мешалки 6 с лопастями, установленной в донной части сосуда, устройство газового перемешивания включает Г-образные трубки 7 ввода газовой смеси, размещенные в сосуде ниже верхнего уровня слоя исходного материала, и прерыватели газового потока 8, обеспечивающие поочередное попарное включение диаметрально расположенных трубок.
Система фильтрации представляет собой пористые фильтры 3, снабженные системой обратной импульсной продувки сжатым газом.
Устройство также содержит систему ввода инертного газа, устройство для деструкции остаточного озона и газоанализатор для контроля содержания озона в воздухе рабочей зоны. Также устройство снабжено системой контроля и управления 9 всеми процессами.
Для обеспечения требуемого температурного режима, по боковой и донной поверхностям сосуд 1 оснащен нагревателями 2. Обе группы нагревателей независимо управляются системой автоматического контроля и управления 9 температурой в реакционном объеме.
Устройство работает следующим образом.
Для проведения очистки исходный материал помещают в сосуд 1. Из системы генерации газовой смеси через систему ввода в сосуд подается рабочий газ, содержание в котором каждого из компонентов посредством клапанной системы может варьироваться от 0 до 100% в зависимости от вида обрабатываемого материала. Подача рабочего газа в сосуд осуществляется поочередным попарным задействованием диаметрально расположенных Г-образных трубок 7. Такой ввод рабочего газа обеспечивает газовое перемешивание исходного материала в процессе очистки. При этом одновременно может быть включена мешалка 6 для обеспечения механического перемешивания. В процессе очистки осуществляется нагрев исходного материала в диапазоне температур от +20 до +550°C, в зависимости от вида обрабатываемого материала, при этом нагреватели управляются системой автоматического контроля и управления температурой в реакционном объеме.
Газообразные продукты окисления удаляются из реакционного объема током рабочего газа через специальные пористые фильтры 3, размеры и форма пор которых исключают вынос наночастиц. Для очистки пор фильтров предусмотрена их обратная импульсная продувка сжатым газом.
Для гашения спонтанной реакции выгорания наночастиц и регулирования окислительных процессов применяется система ввода инертного газа (углекислого газа).
Экспресс-анализ готовности наноматериалов осуществляется путем визуального контроля: изменение цвета исходного продукта с черного на серый, светло-серый, что свидетельствует о завершении окисления аморфного углерода и графита.
Инструментальный анализ: определение содержания алмазной и неалмазной фаз углерода проводится различными методами.
Варьируемые технологические параметры: объем загруженного в реактор углеродного продукта, температурно-временные режимы нагрева углеродного продукта, состав рабочего газа, давление рабочего газа в системе, объем и скорость отвода газообразных продуктов окисления - выбирают, исходя из состава очищаемого (окисляемого) материала и требуемого вида конечного целевого нанопродукта.
Пример 1.
Образец наноалмазного материала был получен путем обработки углеродного материала в заявляемом устройстве. Далее было произведено фракционирование центрифугированием полученного полидисперсного наноалмаза и результаты фракционирования сравнены с наноалмазами кислотной очистки модифицированных в воздушном потоке при 415°C и 425°C в течение 1 часа. Заявляемый наноалмазный материал легко фракционируется центрифугированием (фиг.2), доля малых фракций после озоновой очистки/модификации в заявляемом устройстве наивысшая при фракционировании при равных условиях по сравнению с образцами после окисления на воздухе (фиг.2, 3). Это связано с тем, что при озоновой очистке и модификации при помощи заявляемого устройства перешейки между первичными частицами заметно истончаются, что помогает их десагрегированию в условиях активного диспергирования, приводящее к значительному увеличению доли малых фракций и первичных частиц.
Измерения размеров частиц производились методом фотокорреляционной спектроскопии на приборах Beckman-Coulter N5 (США) и Malvern ZetaSizer Nano ZS (Великобритания).
Пример 2.
Образец наноалмазного материала был получен путем обработки шихты в заявляемом устройстве. Наноалмаз и фракция наноалмаза кислотно-хромовой очистке подвергнутая дальнейшей очистке ионно-обменными смолами, фракционированию и прогреву в воздушной атмосфере при 300°C, были замешаны в метил-метакрилате (мономер для полимера широкого использования - поли-метилметакрилата) и подвергнуты ультразвуковой обработке в течение 2 минут. Образцы сравниваемого материала осели в суспензии в течение минут, в то время как образцы, полученные с использованием заявляемого устройства, демонстрировали высокую седиментационную устойчивость, по крайней мере, в течение недели (вплоть до настоящего времени наблюдения). Таким образом, благодаря особой химии поверхности материала, получаемого с помощью заявляемого устройства, производство ряда полимерных композитов может быть значительно упрощено благодаря «естественной» седиментационной устойчивости наноалмаза в суспензиях мономеров или суспензиях полимеров в различных растворителях.