ДИСПЕРСИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
DISPERSION OF CARBON NANOTUBES

Изобретение относится к технологии углеродных материалов, конкретно - к технологии углеродных наноматериалов.
Далее в описании используются следующие термины, которые, хотя и являются общепринятыми для специалистов в данной области техники, однако, требуют уточнения в контексте заявляемого изобретения.
Термин «углеродный наноматериал» (УНМ) может означать углеродные нанотрубки (УНТ), углеродные нановолокна, и другие наноструктурные формы углерода.
2
Термин «высокодисперсный диоксид кремния» означает диоксид кремния в виде частиц в нано-метровом диапазоне размеров. Одной из распространенных технических марок высокодисперсного диоксида кремния является аэросил. Размер частиц аэросила тем меньше, чем больше его удельная поверхность. Обычно величина удельной поверхности (м/г) указывается в наименовании марки аэросила, например, А-175, А-300, А-380. Для осуществления заявляемого изобретения применимы все указанные марки аэросила.
Термин «антифриз» означает вещество, как правило, органическое, добавка которого понижает температуру замерзания воды. В качестве антифриза чаще всего применяют этиленгликоль и его производные.
Термин «дисперсия» в описании настоящего изобретения означает суспензию твердых частиц, по крайней мере, один геометрический размер которых (например, диаметр) находится в нанометровом диапазоне размеров. По своим физико-химическим свойствам дисперсия частиц нанометрового размера, если в ней не происходит агрегация частиц, подобна раствору - обладает прозрачностью для проходящего света, проходит через обычные фильтры. Если же дисперсия неустойчива, содержащиеся в ней наночастицы образуют крупные агрегаты, которые задерживаются фильтром, оседают.
Для ряда применений необходимы устойчивые при хранении дисперсии углеродных наноматериалов в воде. Например, такие дисперсии применяются в качестве нано-модифицирующих добавок в бетон, целлюлозные материалы, различные полимерные композиции водно-дисперсионного типа (краски, грунтовки, клеи, и др.).
Дисперсии углеродных нанотрубок в воде описаны в многочисленных публикациях. Здесь можно указать работы [1-7] 1. Rich Rastogi et al, Comparative study of carbon nanotube dispersion using surfactants // Journal of Colloid and Interface Science 328 (2008) 421-428. 2. Z. Markovic et al, Comparative study on modification of single wall carbon nanotubes by sodium dodecylbenzene sulfonate and melamine sulfonate superplasticiser // Applied Surface Science 255 (2009) 6359-6366. 3. Beate Krause et al, Correlation of carbon nanotube dispersability in aqueous surfactant solutions and polymers // Carbon 47 (2009) 602-612. 4. Zhimin Wang et al., Dispersing multi-walled carbon nanotubes with water-soluble block copolymers and their use as supports for metal nanoparticles // Carbon 45 (2007) 285-292. 5. Mark A. Chappell et al., Surfactive stabilization of multi-walled carbon nanotube dispersions with dissolved humic substances // Environmental Pollution 157 (2009) 1081-1087. 6. Zhenzi Li et al., The high dispersion of DNA-multi-walled carbon nanotubes and their properties // Analytical Biochemistry 387 (2009) 267-270. 7. Linda Vaisman, H. Daniel Wagner, Gad Marom. The role of surface-tants in dispersion of carbon nanotubes // Advances in Colloid and Interface Science 128-130 (2006) 37-46 в качестве примера. Как правило, дисперсии углеродных наноматериалов, в частности нанотрубок, в воде устойчивы только в очень разбавленном виде (концентрация углеродных нанотрубок не более чем порядка 0,01 масс.%) и в присутствии поверхностно-активных веществ. В качестве поверхностно-активных веществ наиболее эффективными для стабилизации водных дисперсий углеродных нанотрубок являются додецилбензолсульфонат натрия, сульфированные производные замещенных нафталинов, алкил-сульфонаты натрия, водорастворимые блок-сополимеры, лигносульфонат натрия, гуминовые кислоты, полимеры биологического происхождения.
Недостатком известных дисперсий, содержащих углеродные наноматериалы, является их неустойчивость при концентрациях УНМ, в частности УНТ, порядка 1-10 мас.%. Это является серьезным недостатком, потому что транспортировка дисперсий, содержащих 0,01-0,1 масс.% функционального компонента, экономически невыгодна. Было бы гораздо удобнее транспортировать концентрированную дисперсию и разбавлять ее до необходимой концентрации на месте применения.
Известны гелеобразные дисперсии различных веществ в воде и органических средах, содержащие высокодисперсный диоксид кремния (аэросил) в качестве загустителя [8, 9]. 8. Сравнительная эффективность гидрофильных марок коллоидного диоксида кремния AEROSIL при производстве твердых лекарственных форм // Публикация ЗАО «ФПК ФармВИЛАР» в «Фармацевтические технологии и упаковка» №6, 2009, с.62-64. 9. Все об Аэросиле (AEROSIL). Свойства и процесс изготовления Aerosil. - Рекламный проспект фирмы IGC Siberia, Новосибирск (383) 334-02-33, Москва (495) 730-50-56 Санкт-Петербург, (812) 329-93-32. Загущение аэросилом позволяет получать композиции, устойчивые при хранении. Однако, применение аэросила для получения устойчивых дисперсий углеродных наноматериалов неизвестно.
Наиболее близкими к заявляемому изобретению является водные дисперсии углеродных нанотрубок, содержащие в качестве стабилизаторов различные поверхностно-активные вещества, описанные в [1]. Эти дисперсии были получены с концентрацией углеродных нанотрубок до 50 мг в литре (0,005 мас.%).
Недостатком известных дисперсий является слишком малая концентрация углеродных нанотрубок.
В основу настоящего изобретения поставлена задача, путем введения в состав дисперсии углеродного наноматериала дополнительных компонентов и выбора их концентрации, устранить недостаток дисперсии по прототипу.
Поставленная задача решается тем, что дисперсия углеродных нанотрубок, содержащая воду и поверхностно-активное вещество, причем содержит в качестве поверхностно-активного вещества натриевую соль сульфинированного производного нафталина, а также стабилизирующую добавку - аэросил при следующем содержании компонентов, мас.%:
углеродные нанотрубки - от 1 до 20;
натриевая соль сульфинированного производного нафталина - от 1 до 20;
аэросил - от 5 до 15;
вода - остальное.
Дисперсия углеродных нанотрубок дополнительно содержит этилен-гликоль в качестве антифриза.
Далее подробно описаны конкретные варианты осуществления заявляемого изобретения.
Для осуществления заявляемого изобретения применяли следующие исходные вещества:
- Углеродный наноматериал Таунит производства ООО НаноТехЦентр (Тамбов) представляет собой углеродные нанотрубки с конической ориентацией углеродных слоев, внешний диаметр 20-70 нм, диаметр внутреннего канала 5-10 нм, длина 2 и более мкм.
- Аэросил марки А-300.
- Поверхностно-активное вещество С-3 (натриевая соль сульфированного производного нафталина).
- Этиленгликоль марки Ч.
Пример 1
В стеклянный стакан емкостью 1 л внесли 480 мл воды и 30 г поверхностно-активного вещества С-3. После растворения С-3 добавили 30 г УНМ Таунит и 20 г аэросила А-300. Смесь обработали на планетарной мельнице в течение 1 часа. Затем к смеси добавили еще 40 г аэросила А-300 и тщательно перемешали. Получили тиксотропную массу, которая была жидкой после перемешивания, но затвердевала после стояния в течение нескольких часов. При перемешивании затвердевшая масса снова становилась жидкой. Разжиженная при перемешивании масса растворялась в воде с образованием черного раствора (прозрачного в тонком слое), без мутности и видимых агрегатов частиц. При хранении в течение по крайней мере месяца свойства затвердевшей дисперсии не меняются.
В данной дисперсии содержание компонентов было следующим:
УНМ Таунит - 5 мас.%, ПАВ (С-3) - 5 мас.%, Аэросил - 10 мас.%, вода остальное.
Пример 2
В стеклянный стакан емкостью 1 л внесли 330 мл воды и 120 г поверхностно-активного вещества С-3. После растворения С-3 добавили 120 г УНМ Таунит и 30 г аэросила А-300. Смесь обработали на планетарной мельнице в течение 1 часа. Полученная дисперсия была устойчивой при хранении и растворялась в воде с образованием черного раствора (прозрачного в тонком слое), без мутности и видимых агрегатов частиц.
В данной дисперсии содержание компонентов было следующим:
УНМ Таунит - 20 мас.%, ПАВ (С-3) - 20 мас.%, Аэросил - 5 мас.%, вода остальное.
Пример 3
В стеклянный стакан емкостью 1 л внесли 498 мл воды и 6 г поверхностно-активного вещества С-3. После растворения С-3 добавили 6 г УНМ Таунит и 45 г аэросила А-300. Смесь обработали на планетарной мельнице в течение 1 часа. Затем к смеси добавили еще 45 г аэросила А-300 и тщательно перемешали. Получили твердую массу, которая при интенсивном перемешивании растворялась в воде с образованием черного раствора (прозрачного в тонком слое), без мутности и видимых агрегатов частиц. При хранении в течение, по крайней мере, месяца свойства твердой дисперсии не меняются.
В данной дисперсии содержание компонентов было следующим:
УНМ Таунит - 1 мас.%, ПАВ (С-3) - 1 мас.%, Аэросил - 15 мас.%, вода - остальное.
В зависимости от назначения, в составе заявляемой дисперсии могут быть применены и другие разновидности углеродных нанотрубок различной структуры. Заявляемая дисперсия может применяться для объемного и поверхностного модифицирования строительных материалов на основе цемента, целлюлозных материалов, водно-дисперсионных красок и клеев.
Пример 4
В данном примере для достижения морозостойкости дисперсии в ее состав дополнительно ввели антифриз (этиленгликоль). В стеклянный стакан емкостью 1 л внесли 294 г этиленгликоля марки Ч, 196 г воды и 30 г поверхностно-активного вещества С-3. После растворения С-3 внесли 30 г УНМ Таунит и 50 г аэросила А-300, смесь тщательно перемешали, затем обработали на планетарной мельнице в течение 1 часа. Получили тиксотропную массу, которая была жидкой после перемешивания, но затвердевала после стояния в течение нескольких часов. При перемешивании затвердевшая масса снова становилась жидкой. Разжиженная при перемешивании масса растворялась в воде с образованием черного раствора (прозрачного в тонком слое), без мутности и видимых агрегатов частиц. При хранении в течение по крайней мере месяца свойства затвердевшей дисперсии не меняются.
В данной дисперсии содержание компонентов было следующим:
УНМ Таунит - 5 мас.%, ПАВ (С-3) - 5 мас.%, Аэросил - 8,33 мас.%, Этиленгликоль - 49,0 мас.%, вода остальное.
Пример применения
В воду для затворения бетонной смеси добавили дисперсию по рецептуре примера 1 из расчета 0,14 г дисперсии на 1 кг цемента М500, что соответствует 0,0007 мас.% содержанию УНМ Таунит по отношению к массе цемента. Полученные после отверждения в течение 28 суток образцы бетона обладали (статистически достоверно) прочностью на сжатие на 30% большей, а на изгиб на 50% большей, чем для контрольных образцов бетона без добавок.
Заявляемое изобретение может найти применение для повышения прочностных характеристик строительных материалов.