СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗОЛЯ НАНОАЛМАЗОВ
METHOD OF PRODUCING NANODIAMOND SOL

Изобретение относится к химической технологии, а именно к способам получения высокочистых активных углеродных и алмазных наноматериалов в виде коллоидно-устойчивого золя. Изобретение может быть использовано в технологиях производства коммерческих продуктов на основе наноалмазов, в том числе при изготовлении композиционных материалов с высокой коллоидной устойчивостью дисперсной фазы и/или с контролируемым размером алмазных частиц при соблюдении требований высокой степени чистоты и точности содержания дисперсной фазы.
Существуют две основные проблемы в технологии изготовления высокочистых наноразмерных материалов, включая детонационные алмазы:
- сохранение наноразмерного состояния материала (размер агрегатов алмазных частиц менее 100 нм);
- получение продуктов высокой степени чистоты, которая достигается удалением малорастворимых и сорбированных соединений - побочных продуктов технологии производства.
Поэтому для получения гетерогенных коллоидно-устойчивых композиций наноалмазов с однородной по размеру частиц дисперсной фазой необходимо исключить содержание в продукте обработки сорбированных соединений и водорастворимых примесей.
Из уровня техники известен способ обработки наноалмазов (патент РФ №2258671, опубл. 20.08.2005 г.), принятый за прототип, включающий получение суспензии на основе наноалмазов и воды, и ее разделение на дисперсионную среду и дисперсную фазу.
Недостатком известного способа является использование в технологии органического модификатора. Его применение увеличивает загрязнение конечного продукта, что отрицательно сказывается на потребительских свойствах. Кроме того, данный способ обладает низкой технологичностью из-за использования суспензии наночастиц в малой концентрации, предусматривает сложность аппаратурного оформления из-за использования ультразвукового диспергатора и центрифуги с последующей сушкой наноалмазов под вакуумом, что приводит к большим временным и энергетическим затратам.
Задачей настоящего изобретения является создание эффективного и технологически целесообразного промышленного способа получения золя наноалмазов, позволяющего исключить применение органического модификатора, упростить аппаратурное оформление, достичь строго определенной концентрации конечного продукта (до 10 мас.%), его высокой чистоты, низкой электропроводности и заданной размерности частиц дисперсной фазы.
Поставленная задача решается предлагаемым способом получения золя наноалмазов, включающим получение суспензии на основе наноалмазов и воды, ее разделение на дисперсионную среду и дисперсную фазу. Особенность заключается в том, что перед разделением осуществляют обработку суспензии водным раствором щелочи в концентрации, необходимой для установления адсорбционного равновесия в суспензии, последующее отделение щелочи от дисперсионной среды до получения устойчивой суспензии, которую затем подвергают ультрафильтрации на трубчатом мембранном фильтре или блоке таких фильтров.
В частности, после ультрафильтрации осуществляют фракционирование путем центробежного нагружения в диапазоне от 40 до 40000 g, где g - ускорение свободного падения.
В частности, в качестве трубчатого мембранного фильтра используют фильтр, выполненный из фторопласта или керамики, с размерами пор 10-500 нм.
В частности, внутреннюю полость трубчатого мембранного фильтра, выполненного из фторопласта, оснащают турбулизирующим элементом.
Проведенный сопоставительный анализ показывает, что предлагаемый способ отличается от прототипа принципиально иной совокупностью действий, неизвестной из уровня техники, включающей использование щелочной обработки для проведения массообмена на поверхности частиц наноалмазов, применение химически стойких ультрафильтров для отделения ионов ОН и для концентрирования алмазных коллоидов.
Примеры осуществления способа получения золя наноалмазов.
Пример 1. К 100 г наноалмазов в виде 1 литра 10% суспензии в воде приливают щелочь, например NaOH, растворенную в воде с концентрацией 0,5-2 мас.%, до достижения адсорбционного равновесия. Концентрация щелочи ниже 0,5 мас.% не позволяет достичь требуемой устойчивости суспензии, а концентрация более 2 мас.% экономически нецелесообразна. Полученную суспензию перемешивают, отстаивают в течение 12 часов, после чего удаляют осветленный слой дисперсионной среды в объеме 7 литров. К оставшейся суспензии добавляют 7 литров дистиллированной воды, вновь отстаивают и удаляют осветленный слой дисперсионной среды в объеме 7 литров. К оставшейся суспензии добавляют 7 литров дистиллированной воды до образования устойчивой суспензии с рН 12.
Полученную устойчивую суспензию отправляют на ультрафильтрационную отмывку на фторопластом фильтре с размерами пор 100-200 нм, заключающуюся в замене щелочной среды на дистиллированную воду до достижения рН 7.
Ультрафильтрационное концентрированние золя проводят до содержания твердой фазы в системе 7-10 мас.%, которое определяют по объему пермеата, выделившегося из системы.
2
Удельная производительность процесса фильтрации по пермеату 280 л/м·ч.
К концентрированному золю приливают деионизированную воду в количестве, необходимом до доведения концентрации твердой фазы до 5 мас.%. Объем 5% золя в количестве 1500 мл подвергают фракционированию путем центробежного нагружения в диапазоне от 40 до 40000 g, где g - ускорение свободного падения, в течение 60 минут, например, на ультрацентрифуге Beckman XL-90.
к
ф
ф
к
Пример 2. Процесс ведут аналогично примеру 1, при этом используют фторопластовый фильтр с размерами пор 100-200 нм, в полости которого размещают турбулизирующий элемент, например стержень с насаженными кольцами, диаметр каждого из которых d=0,7d, где d - диаметр трубки фильтра, а расстояние между соседними кольцами l=3d, или любой другой конструктивно иначе выполненный элемент, пригодный для целей турбулизации.
2
Удельная производительность процесса фильтрации по пермеату 380 л/м·ч.
Пример 3. Процесс ведут аналогично примеру 1, при этом используют керамический фильтр с размерами пор 10-500 нм.
2
Удельная производительность процесса фильтрации по пермеату 1000-1600 л/м·ч.
При использовании керамического фильтра с размерами пор 10-500 нм величина удельной производительности в 3-6 раз выше по сравнению с фторопластовым фильтром без турбулизирующей вставки.
При необходимости один трубчатый мембранный фильтр может быть заменен на блок фильтров меньшего размера.
m
В зависимости от заданного значения центробежного нагружения из приведенного интервала, получают фугат (золь наноалмазов) с определенным средним размером (R) частиц наноалмазов (см. таблицу) и осадок (концентрат наноалмазов).
Центробежное нагружение
Rm, нм
40-100 g
500
100-500 g
400
500-1000 g
300
1000-2000 g
200
5000-8000 g
100
15000-26000 g
70
26000-40000 g
50
Задавать величину центробежного нагружения менее 40 g нецелесообразно ввиду отсутствия эффективного процесса разделения и незначительного количества выделяемой фракции, а ведение фракционирования при режимах, превышающих 40000g, является экономически нецелесообразным в результате увеличения затрат на процесс центрифугирования при незначительном количестве выделяемой фракции.
Таким образом, предлагаемый способ получения золя наноалмазов практически реализуем и позволяет удовлетворить давно существующую потребность в решении поставленной задачи.