СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АМОРФНОГО МЕЗОПОРИСТОГО АЭРОГЕЛЯ ГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ СО СЛОИСТО-ВОЛОКНИСТОЙ ОРИЕНТИРОВАННОЙ НАНОСТРУКТУРОЙ
METHOD FOR OBTAINING AMORPHOUS MESOPOROUS AEROGEL OF ALUMINIUM HYDROXIDE WITH LAMINATED FIBROUS ORIENTED NANOSTRUCTURE

Изобретение относится к способам получения аморфного мезопористого гидроксида алюминия со слоисто-волокнистой микроструктурой и может быть использовано в керамической промышленности, производстве сорбентов, катализаторов и их носителей, а также теплоизоляционных, резинотехнических и некоторых полимерных материалов.
Известен способ получения аэрогеля оксида алюминия [патент РФ №2092437, МПК C01F 7/02, опубл. 10.10.1997 г.]. Способ основан на обработке расплава Ga-Al с концентрацией алюминия (1-5)·10-3 мас.% газовой смесью на основе инертного или малоактивного газа, увлажненного водяным паром до 1-30 об.%, при температуре расплава 50-120°C в течение 2-100 ч. Полученный при этом аморфный аэрогель AlOOH подвергают термообработке на воздухе при температуре 300-900°C.
-3
Недостатки известного способа заключаются в относительно низкой производительности получения аэрогеля AlOOH и сравнительно сложной организации процесса его синтеза. Это обусловлено, во-первых, ограничением верхнего предела исходного содержания алюминия в бинарном расплаве до 5-10 мас.%, во-вторых, низкой скоростью реакции превращения алюминия в аэрогель AlOOH, определяющей сравнительно низкую производительность процесса: до 100 ч при содержании водяного пара в окислительной смеси на уровне 1 об.% и не менее 2 ч при содержании пара в этой смеси 30 об.%. Кроме того, рассматриваемый способ предусматривает стадии вакуумирования реакционной емкости, усложняющие как технологический процесс, так и устройство для получения аэрогеля AlOOH.
Наиболее близким техническим решением к предложенному решению является способ получения аэрогеля AlOOH [патент РФ №2305659, МПК C01F 7/42, опубл. 10.09.2007 г.]. Способ заключается в проведении реакции синтеза аморфного аэрогеля гидроксида алюминия в герметичной емкости путем обработки галлий-алюминиевого расплава газовой смесью на основе инертного или малоактивного газа с водяным паром с содержанием пара 1-30 об.% при температуре 50-150°C.
Недостатком известного способа является использование дорогого галлия, который взаимодействует с водяным паром и может расходоваться в процессе получения аэрогеля AlOOH из расплава Ga-Al. Стоимость аэрогеля AlOOH, полученного из расплава Bi-Al, в 10 раз ниже стоимости аэрогеля, полученного из расплава Ga-Al.
2
2
2
3
Для исключения указанного недостатка в способе получения аэрогеля AlOOH, включающего проведения реакции синтеза аэрогеля в герметичной емкости путем обработки бинарного расплава парогазовым потоком на основе смеси инертных и (или) малоактивных газов (водород H, диоксид углерода CO, монооксид углерода CO) с водяным паром при температуре бинарного расплава 280 -1000°C, предлагается использовать в качестве бинарного расплава висмут с содержанием алюминия 0,05-7,00 мас.%. Выбор нижнего значения температуры (280°C) обусловлен температурой плавления висмута (271,4°C), а верхнего значения температуры (1000°C) - свойствами аэрогеля, а именно при температурах свыше 1000°C (в условиях синтеза) происходит частичное превращение аэрогеля AlOOH в γ-AlO. Растворимость алюминия в висмуте зависит от температуры и составляет порядка 0,05 и 7,00 мас.%. при температурах 280 и 1000°C соответственно. Количество растворенного алюминия влияет на плотность аэрогеля, а именно, чем больше содержание алюминия в висмуте, тем больше плотность аэрогеля. Использование водорода в процессе синтеза позволяет понизить степень окислительного воздействия водяного пара на висмут при высоких температурах.
Технический результат изобретения состоит в снижении стоимости наноструктурного аэрогеля AlOOH за счет использования висмута вместо галлия.
2
2
Способ получения аморфного мезопористого аэрогеля гидроксида алюминия со слоисто-волокнистой ориентированной наноструктурой включает проведение реакции синтеза аэрогеля гидроксида алюминия в герметичной емкости путем обработки бинарного расплава Bi-Al парогазовым потоком на основе смеси инертных и (или) малоактивных газов (водород H, диоксид углерода CO, монооксид углерода CO) с водяным паром при температуре расплава 280 -1000°C.
Примеры конкретного осуществления способа.
Пример 1. 10 кг висмута и 50 г алюминия поместили в реакционную емкость и загерметизировали. С помощью нагревателей довели температуру в реакционной емкости до 600°C. Подали в реакционную емкость смесь водорода и водяного пара с содержанием пара 50 об.% и объемным расходом 3 л/ч. Через 3 часа при проведении ревизии реакционной емкости были обнаружены на поверхности висмута массивные образования белого цвета.
Пример 2. 10 кг висмута и 16 г алюминия поместили в реакционную емкость и загерметизировали. С помощью нагревателей довели температуру в реакционной емкости до 350°C. Подали в реакционную емкость смесь аргона и водяного пара с содержанием пара 30 об.% и объемным расходом 3 л/ч. Через 10 часов при проведении ревизии реакционной емкости были обнаружены на поверхности висмута массивные грушевидные образования белого цвета. После их извлечения из реакционной емкости полученный материал был разделен на несколько частей для проведения исследований. Результаты проведенных исследований приведены на фигуре "Микроструктура аэрогеля AlOOH, полученного из расплава Bi-Al", и таблице "Свойства аэрогеля, полученного из расплава Bi-Al".
Таблица
Свойства аэрогеля полученного из расплава Bi-Al
Свойство
Результат
Метод анализа
Химический состав
AlOOH (при 273-973 К)
Рентгено-флюоресцентный
AlOOH + γ-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (фрагментарно) (при 973-1273 К)
α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> и γ-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (свыше 1573 К)
Кристаллическая структура
Аморфен (при 273-973 К)
Рентгенофазный
Аморфен, кристаллический γ-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (фрагментарно) (при 973-1273 К)
Кристаллические α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> и γ-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (свыше 1573 К)
Микроструктура
Микроструктура слоисто-волокнистая, волокна ориентированы в пространстве в направлении роста аэрогеля, средний диаметр волокон 30 нм, среднее расстояние между волокнами  100 нм;
Электронная микроскопия
Плотность, мг/см<sup>3</sup>
10-90
Взвешивание образца (±0.1 мг), измерение объема массивного образца ~ 1 см<sup>3 </sup>(±5%)
Удельная поверхность, м<sup>2</sup>/г
40-800 м<sup>2</sup>/г
БЭТ
Теплопроводность, Вт/(м·К)
0,008-0,025 (в диапазоне температур 130-1500 К),
По разности температур с двух сторон слоя измельченного до порошка материала (Δλ/λ=10%)
0,02-0,027 (1500-1573 К)
Удельное электросопротивление, Ом·м
>4.1.·10<sup>10</sup>
По сопротивлению слоя измельченного до порошка материала (Δρ/ρ=10%)
Сорбционные свойства
Селективен к поглощению CO, CO<sub>2</sub>, NO, NO<sub>2</sub> и газообразных соединений йода