СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКА МЕДИ ИЗ ОТХОДОВ
METHOD OF PRODUCING COPPER NANOPOWDER FROM WASTES

Предлагаемое изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к получению медных нанопорошковых материалов.
Известен способ получения нанодисперсного порошка меди [Патент RU на изобретение 2426805]. Способ получения нанодисперсного порошка меди восстановлением включает смешение соли меди с раствором глюкозы, растворение соли при нагревании, введение гидроксида натрия, выдержку в изотермическом режиме и последующее выделение металлической меди в виде нанодисперсного порошка.
Недостатками данного метода являются использование в качестве исходных веществ дорогостоящих реактивов, экологические проблемы (сточные воды, вредные выбросы).
Наиболее близким к заявляемому является способ получения композитных нанопорошков [Патент RU на изобретение №2412784]. Существенным отличием предложенного способа является то, что для получения композитных нанопорошков составляющие его части предварительно нагревают до получения однородного расплава, причем вещества подбираются с определенными соотношениями их температур конденсации и плавления. Далее мощность пучка электронов увеличивается и расплав испаряется. Вследствие отличия температур конденсации двух веществ их пары будут конденсироваться в разных местах камеры (температурных зонах).
Недостатками этого и вышеизложенного способов являются:
1. Большая энергоемкость процесса.
2. Высокая температура при проведении процесса конденсации меди - 2590°C.
3. Экологические проблемы (сточные воды, вредные выбросы).
4. Довольно высокая себестоимость получаемого порошка. Заявляемое изобретение направлено на решение задачи получения медных нанопорошков из отходов с низкой себестоимостью, невысокими энергетическими затратами и экологической чистотой процесса.
Поставленная задача достигается способом получения медного нанопорошка из отходов, отличающимся от прототипа тем, что отходы электротехнической медной проволоки (например, ТУ 16-705.492-2005), содержащие не менее 99,5% меди, подвергают электроэрозионному диспергированию в дистиллированной воде при частоте следования импульсов 100-120 Гц; напряжении на электродах 200…220 В и емкости конденсаторов 25,5…35,5 мкФ.
На фигуре 1 описаны этапы получения медного нанопорошка; на фигуре 2 - схема процесса ЭЭД, на фигуре 3 - микрофотография наночастиц медного порошка; в таблице 1 - распределение по размерам микрочастиц образца медного порошка.
Процесс ЭЭД представляет собой разрушение токопроводящего материала в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами [Немилов, Е.Ф. Электроэрозионная обработка материалов. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983. - 160 с.]. Получение медного порошка на экспериментальной установке для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов [Патент RU на изобретение №2449859] проводилось по схеме, представленной на фигуре 1, в четыре этапа [6]:
- 1 этап - подготовка к процессу электроэрозионного диспергирования;
- 2 этап - процесс электроэрозионного диспергирования;
- 3 этап - выгрузка порошка из реактора и его центрифугирование.
- 4 этап - сушка и взвешивание нанопорошка меди.
Получаемые этим способом порошковые материалы имеют в основном сферические частицы размером от 0,001 до 100 мкм. Причем, изменяя электрические параметры процесса диспергирования (напряжение на электродах, емкость конденсаторов и частоту следования импульсов), можно управлять шириной и смещением интервала размера частиц, а также производительностью процесса. Для отделения наночастиц от крупноразмерных используется центрифуга.
На первом этапе производили сортировку медных отходов, их промывку, сушку, обезжиривание и взвешивание. Реактор заполняли рабочей средой - дистиллированной водой, отходы загружали в реактор. Монтировали электроды. Смонтированные электроды подключали к генератору. Устанавливали необходимые параметры процесса: частоту следования импульсов, напряжение на электродах, емкость конденсаторов.
На втором этапе - этапе электроэрозионного диспергирования включали установку. Процесс ЭЭД представлен на фигуре 2. Импульсное напряжение генератора 1 прикладывается к электродам 2 и 3 и далее к медным отходам 6 (в качестве электродов также служат медные отходы). При достижении напряжения определенной величины происходит электрический пробой рабочей среды 5, находящийся в межэлектродном пространстве, с образованием канала разряда 7. Благодаря высокой концентрации тепловой энергии, материал в точке разряда 8 плавится и испаряется, рабочая среда испаряется и окружает канал разряда газообразными продуктами распада 9 (газовым пузырем). В результате развивающихся в канале разряда и газовом пузыре значительных динамических сил капли расплавленного материала 4 выбрасываются за пределы зоны разряда в рабочую среду, окружающую электроды, и застывают в ней, образуя каплеобразные частицы медного нанопорошка.
На третьем этапе проводится выгрузка рабочей жидкости с порошком из реактора, отделение наночастиц от крупноразмерных с помощью центрифуги. При этом крупные частицы оседают под действием центробежных сил, а наночастицы остаются в растворе.
На четвертом этапе происходит выпаривание раствора, его сушка, взвешивание и последующий анализ нанопорошка.
При этом достигается следующий технический результат: получение нанопорошков меди с частицами правильной сферической формы с невысокими энергетическими затратами и экологической чистотой процесса способом электроэрозионного диспергирования (ЭЭД).
Способ позволяет получить медные порошки без использования химических реагентов, что существенно влияет на себестоимость порошка и позволяет избежать загрязнения рабочей жидкости и окружающей среды химическими веществами.
Средние удельные затраты электроэнергии при производстве медного электроэрозионного порошка составляет 2,1 кг./кВт·час, что ниже других способов получения медных нанопорошков. Электроэрозионное диспергирование позволяет эффективно утилизировать медные отходы, содержащие не менее 99,5% меди, с невысокими энергетическими затратами и экологической частотой процесса и получать нанопорошок меди.
Нанопорошковые материалы, получаемые ЭЭД медных отходов, содержащих не менее 99,5% меди, могут эффективно использоваться при изготовлении и восстановлении деталей машин различными способами, в виде добавок к смазкам в различного рода узлах трения высокотвердой дисперсной фазы, в производстве противоизносных препаратов, в автомобильной промышленности при изготовлении автомобильных покрышек и многих других областях промышленности и народного хозяйства. При создании антифрикционных присадок используют наноразмерные порошки, так как более крупные частицы приводят к более быстрому износу узлов трения деталей машин, кроме того, крупные частицы способны оседать в маслах и СОЖ и забивать фильтры в двигателях. При создании катализаторов также используют нанопорошки, так как с уменьшением размера частиц возрастает их удельная поверхность, а следовательно, химическая и каталитическая активность. На экспериментальной установке для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов в дистиллированной воде при массе загрузки 750 г диспергировали медные отходы. Для определения оптимальных параметров процесса диспергирования провели серию опытов, в которых варьировали электрические параметры процесса.
1) Электрические параметры установки:
- частота следования импульсов 28-44 Гц;
- напряжение на электродах от 150…220 В;
- емкость конденсаторов 35,5-45,5 мкФ.
Полученный медный порошок имеет размеры частиц до 10 мкм и может быть отнесен к тонко- и среднедисперсным. Производительность процесса низкая, однако позволяет получить порошок с размерами частиц, пригодными к промышленному применению.
2) Электрические параметры установки:
- частота следования импульсов 44-100 Гц;
- напряжение на электродах от 150…220 В;
- емкость конденсаторов 25,5-45,5 мкФ.
Полученный медный порошок имеет размеры частиц до 200 мкм и может быть отнесен к среднедисперсным. Производительность процесса от средней до высокой и позволяет получить порошок с размерами частиц, пригодными к промышленному применению.
3) Электрические параметры установки:
- частота следования импульсов 100-120 Гц;
- напряжение на электродах от 150…220 В;
- емкость конденсаторов 45,5-55,5 мкФ.
Полученный медный порошок имеет частицы с размерами более 200 мкм и может быть отнесен к грубодисперсным. Производительность процесса высокая, однако порошок с такими размерами частиц в настоящее время не пригоден к промышленному применению.
На основании представленных примеров определены оптимальные параметры процесса электроэрозионного диспергирования, совмещающие производительность процесса и качество получаемого порошка и позволяющие получить порошок, пригодный к промышленному применению. Оптимальными являются следующие электрические параметры установки:
- частота следования импульсов 28 Гц;
- напряжение на электродах от 200…220 В;
- емкость конденсаторов 35,5 мкФ.
Пример
На экспериментальной установке для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов в дистиллированной воде при массе загрузки 1 кг диспергировали медные отходы, содержащие не менее 99,5% меди. При этом использовали следующие электрические параметры установки:
- частота следования импульсов 100 Гц;
- напряжение на электродах 220 В;
- емкость конденсаторов 25,5 мкФ.
Полученный медный порошок исследовали различными методами. Медный порошок до отделения нанофракций проанализировали с помощью лазерного анализатора размеров частиц «Analysette 22 NanoTec» для определения распределения полученных частиц порошка по размерам (таблица 1). Нанофракции медного порошка выделены заливкой. Количество нанофракций в исследуемом образце составляет 12%. Коэффициент элонгации (удлинения) медных частиц составляет 1,93, что говорит о сферической форме частиц медного порошка.
Нанопорошок с помощью центрифуги отделили от крупноразмерных. Для изучения формы и морфологии полученного медного нанопорошка были выполнены снимки на растровом электронном микроскопе «QUANTA 600 FEG». На основании фигуры 3 нанопорошок, полученный методом ЭЭД из медных отходов, в основном, состоит из частиц правильной сферической формы (или эллиптической), с включениями частиц неправильной формы (конгломератов) и осколочной формы.
Полученный медный порошок исследовали различными методами. Изучение фазового состава электроэрозионного медного порошка проводили на аналитическом рентгеновском дифрактометре ARL9900 Intellipower Workstation. В результате изучения концентраций элементного и минералогического состава образца были получены результаты, представленные на фигуре 3. Основным материалом в образцах является медь - 94%, оксид меди (I) - 3,9% и оксид кремния (IV) - 2,1%.
2
3
Затем полученный медный порошок проанализировали с помощью лазерного анализатора размеров частиц «Analysette 22 NanoTec» для определения распределения полученных частиц порошка по размерам. Установлено, что средний размер частиц составляет 23,65 мкм, арифметическое значение - 23,655 мкм, удельная площадь поверхности - 16199,54 см/см. Коэффициент элонгации (удлинения) медных частиц размером 24,034 мкм составляет 1,93, что говорит о сферической форме частиц медного порошка.
Для изучения формы и морфологии полученных медных порошков были выполнены снимки на растровом электронном микроскопе «QUANTA 600 FEG». Порошок, полученный методом ЭЭД из медных отходов, в основном состоит из частиц правильной сферической формы (или эллиптической), с включениями частиц неправильной формы (конгломератов) и осколочной формы.
Результаты рентгеноспектрального микроанализа частиц медного порошка, проведенного с помощью энергодисперсионного анализатора рентгеновского излучения фирмы EDAX, встроенного в растровый электронный микроскоп QUANTA 600 FEG, представлены в таблице 1. Установлено, что основным элементом в порошке, полученном методом электроэрозионного диспергирования отходов электротехнической медной проволоки, является медь (98,69%) и незначительное количество примесей (1,31%).