Устройство для модификации поверхности материалов наночастицами металлов

2
Полезная модель относится к устройствам по нанесению покрытий из металлических наночастиц в поровое пространство материалов с высокой удельной поверхностью (более 1000 м/г). Полученные материалы могут применяться в энергетике, радиоэлектронной, авиационной и других отраслях промышленности.
Создание и изучение нано размерных материалов - одно из наиболее перспективных и быстроразвивающихся направлений в нанотехнологии и материаловедении. Модифицированные волокна являются передовыми материалами, уникальные свойства которых делает их идеальными претендентами на роль токопроводящей матрицы с высокой удельной площадью поверхности. Одним из направлений улучшения свойств суперпористой матрицы является модифицирование материала наночастицами металлов, например, технология осаждения наночастиц на поверхность пористых материалов.
Известен способ (патент RU 2552467) модификации текстильного материала наночастицами металлов путем его погружения в гидрозоль при температуре 20±5°С, нагреваемый до температуры 40°С, содержащий наноструктурные коллоидные частицы с концентрацией 10-100% от веса материала, с последующим нагреванием раствора до температуры 80°С и выдерживанием в нем текстиля в течение 30 минут, после чего осуществляют извлечение материала, отжим его до остаточной влажности 150-200% и финишную сушку при температуре от 80°С до 150°С в течение 1-1,5 минуты. Управляющим переходом металлических наночастиц из раствора на волокно является изменение температуры. Гидрофобные синтетические, термопластичные волокна при повышении температуры из стеклования переходят в высокоэластичное состояние, которое характеризуется свободным объемом, соизмеримым с пористостью гидрофильных волокон.
Основными недостатками этого способа является использование высоких температур коллоидных растворов, что может привести к негативному влиянию на функциональные характеристики раствора, а также необходимость для каждого вида наночастиц разрабатывать технологию синтеза и очистки наночастиц от сопутствующих реагентов.
Известно устройство для нанесения наночастиц на текстиль, которое описано в патенте RU 201996. Данное устройство работает следующим образом. Емкость заполняется обрабатывающим раствором до полного погружения волновода. Полотно обрабатываемого материала протягивается через направляющий вал, между большими натяжными валами и через малый натяжной вал, после чего попадает в отжимной узел и удаляется из устройства. Волноводы приводятся в движение с помощью генератора, создавая высокочастотные колебания в среде, в то время как электродвигатель запускает перемотку материала. Движение натяжных валов обеспечивается за счет привода электродвигателя.
Под воздействием акустических волн, содержащиеся в растворе наночастицы проникают в материал и закрепляются в нем за счет ударно-волновой природы кавитации. Устройство имеет емкость с установленными внутри пьезокерамическими волноводами с рабочей частотой 16-25 кГц, и оборудованную направляющими и натяжными валами, необходимыми для перемещения, натяжения и выравнивания полотна обрабатываемого материала относительно волноводов.
Недостатком данного способа является высокая стоимость и сложность оборудования, а также необходимость для каждого вида наночастиц разрабатывать технологию синтеза и очистки наночастиц от сопутствующих реагентов.
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является патент RU 2417862, который описывает способ получения наночастиц токопроводящих материалов. Способ включает размещение электродов из материалов получаемых наночастиц в рабочей жидкости и осуществление между ними импульсных электрических разрядов высокой мощности с образованием дуги при поддержании межэлектродного промежутка постоянным. При этом импульсные электрические разряды модулируют высокочастотным сигналом, который формируют разрядным конденсатором, связанным с электродами через регулируемую индуктивность колебательного контура. Частоту модулирующего высокочастотного сигнала согласовывают с частотой собственных гидромеханических колебаний рабочей жидкости в межэлектродном промежутке путем перемещения электродов относительно друг друга в плоскости, перпендикулярной межэлектродному промежутку, вращением и/или реверсивным движением. В процессе получения гидрозоля данным способом было замечено, что между электродами формируются пузырьки, которые при схлопывании, ударной волной, за счет эффекта кавитации, выбрасывают полученные наночастицы металлов из межэлектродного промежутка с высокой скоростью. Таким образом, частицы находятся в растворе во взвешенном состоянии.
Недостатком этого способа является отсутствие возможности позиционирования наночастиц на поверхность материала.
2
Задача, на решение которой направлена полезная модель состоит в создании устройства для модификации поверхности материалов наночастицами металлов, которое позволяет получать особо чистые коллоидные растворы различных металлов со средним размером наночастиц 5-50 нм в жидкой диэлектрической среде и одновременно за счет эффекта кавитации позиционировать их на поверхности твердого тела, включая материалы с высокой удельной поверхностью (более 1000 м/г).
Поставленная задача решается путем закрепления на электродном модуле электроимпульсного оборудования оснастки, на которую крепится обрабатываемый материал.
Заявленное устройство для модификации поверхности материалов наночастицами металлов, которое обеспечивает получение наночастиц металлов за счет эрозии электродных материалов в результате формирования на их поверхности импульсного электрического разряда с их последующим позиционированием на любую поверхность, включая поровое пространство материалов с высокой удельной поверхностью с целью придания ей заданных электрофизических характеристик.
Технический результат заключается в осуществлении нанесения на любую поверхность, включая поровое пространство материалов с высокой удельной поверхностью, наночастиц металлов с целью придания ей заданных электрофизических характеристик.
Указанный технический результат достигается тем, что оснастка, которая состоит из двух симметричных полуцилиндров с отверстиями, скрепленных между собой за счет магнитных вставок, расположенных на торцевых поверхностях полуцилиндров, оснастка закреплена на электродном модуле, при этом отверстия расположены напротив разрядного межэлектродного промежутка, на внешней стороне оснастки расположены металлические зажимы, позволяющие зафиксировать обрабатываемый материал таким образом, что он полностью закрывает отверстия на полуцилиндрах.
Предлагаемая полезная модель позволяет одновременно производить наночастицы за счет эрозии электродных материалов в результате формирования на их поверхности импульсного электрического разряда и позиционировать их на поверхность твердого тела за счет эффекта кавитации, возникающего в процессе получения наночастиц.
Сущность полезной модели
Предлагаемое устройство поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен схематический чертеж электродного модуля с закрепленной на нем оснасткой.
На фиг. 2 изображена фотография электродного модуля электроимпульсного оборудования с закрепленным в оснастке пористым материалом.
На фиг. 3 изображен снимок покрытия из наночастиц серебра на поверхности углеродной нити сверхпористой углеродной матрицы.
На фиг. 4 изображен снимок покрытия из наночастиц никеля на поверхности углеродной нити сверхпористой углеродной матрицы
Предлагаемое устройство поясняется фигурой 1.
Оснастка выполнена из ABS-пластика и состоит из двух симметричных полуцилиндров 1 и 3 с выполненными на них отверстиями, расположенными напротив разрядного межэлектродного промежутка электроимпульсного оборудования. Части 1 и 3 скрепляются между собой за счет магнитных вставок 2, которые располагаются на торцевых поверхностях полуцилиндров. Сила сцепления магнитов и геометрия оснастки позволяют закрепить ее на фланце 7 нижнего электрода 6. Верхний электрод 5 и нижний электрод 6 смонтированы соосно. Обрабатываемый материал фиксируется зажимами из нержавеющей стали в пазах 4 на внешней стороне оснастки, что обеспечивает натяжение и выравнивание полотна относительно отверстий оснастки, через которые происходит процесс модификации.
На фигуре 2 показана фотография электродного модуля электроимпульсного оборудования с закрепленной на нем оснасткой с материалом с высокой удельной поверхностью (ткань типа Бусофит), зазор между оснасткой и электродным модулем составляет 10 мм. Электроды 6 и 7 выполнены в виде двух соосных полых цилиндров, один из которых вращается относительно другого. Данный тип электродов сокращает время выноса продуктов эрозии из рабочей зоны и уменьшает вероятность повторного электрического пробоя в этом же месте. В качестве материала электродов используются серебро с чистотой 99.99% и никель 99,5%.
Далее система заполняется дистиллированной водой и между электродами подаются мощные импульсы электрического тока, которые вызывают эрозию электродов и образование наночастиц диспергируемого материала. В процессе получения наночастиц в жидкости, между электродами образуются пузырьки, которые при схлопывании, ударной волной за счет эффекта кавитации, выбрасывают полученные наночастицы металлов из межэлектродного промежутка с высокой скоростью и осаждаются на поверхности закрепленного оснасткой материала, создавая тонкопленочное покрытие.
Пример осуществления технического решения.
На фиг. 3 представлен снимок покрытия из наночастиц серебра на поверхности углеродной нити сверхпористой углеродной матрицы, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа. Средний размер наночастиц серебра в растворе составляет 5-10 нм.
На фиг. 4 представлен результат осаждения наночастиц никеля, в котором исходные размеры частиц находятся в диапазоне 2-5 нм, на поверхности углеродной нити сверхпористой углеродной нити. Видно, что в этом случае рост идет в виде тонкопленочного покрытия.
Как видно на снимках 3 и 4 устройство позволяет получать тонкие, поликристаллические слои металла при атмосферном давлении и температуре синтеза не выше 100 градусов Цельсия без использования лазерного, электронно-лучевого или плазменного воздействия на поверхность сверхпористой углеродной матрицы.
Достоинствам данного технического решения является возможность получения особо чистых наночастиц различных металлов и позиционирование их на поверхность пористых материалов и изделий сложной конфигурации, а также резкое сокращение потерь материала, повышение скорости процесса и его автоматизация.