СУСПЕНЗИЯ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО МОДИФИЦИРОВАННОГО АЛМАЗА Российский патент 1997 года по МПК C01B31/06 

Изобретение относится к области получения алмазной суспензии из взрывчатых веществ и может быть использовано в химической, электрохимической промышленности, радиоэлектронике и инструментальном производстве.

Известно получение алмазов из взрывчатых веществ смеси тротила с гексогеном в пропорции близкой 1:1 и обработке конденсированного остатка хлорной и минеральными кислотами. Полученный алмазный порошок имеет средний размер частиц примерно 4 нм. Наблюдается образование более крупных агрегатов [1]
Недостатком полученных ультрадисперсных частиц является их нестабильность, склонность к агрегации, слипанию частиц.

Известна водная суспензия ультрадисперсного алмаза, содержащая ультрадисперсный алмаз (УДА) и воду. Размер частиц 4-8 нм. Такие частицы объединяются в кластеры размером 20-60 нм, которые в свою очередь образуют более крупные агрегаты размером 1000 нм и более. Удаление воды из суспензии приводит к образованию прочных агрегатов с размерами (2-10)•10³ нм, трудно поддающихся диспергированию [2] УДА получен путем обработки конденсированных продуктов взрыва минеральными кислотами с последующей отмывкой смеси водой до нейтральной среды.

Недостатком водных суспензий УДА является образование крупных агрегатов, форма которых отличается от сферической и для них характерна структура фрактальных кластеров, размеры которых могут достигать 1000 нм и более и малый срок хранения суспензии (6 месяцев при температуре 5-50^oC).

В основу настоящего изобретения положена задача получить такую суспензию ультрадисперсного алмаза, чтобы она сохраняла долгое время размеры агрегатов алмаза в широком диапазоне температур.

Поставленная задача решается тем, что суспензия ультрадисперсного модифицированного алмаза (УДА-М), содержащая УДА и воду, согласно изобретению, дополнительно содержит стеарокс и двуокись кремния, при следующих соотношениях компонентов, г/л:
Ультрадисперсный алмаз 40,0 70,0
Стеарокс 8,0 10,0
Двуокись кремния 8,0 10,0
Вода до 1,0 л
Преимущество предлагаемой суспензии УДА-М в том, что введение стеарокса и двуокиси кремния при определенных соотношениях позволяет получить стабильную суспензию с определенными размерами агрегатов (до 300 нм) и увеличить срок ее хранения в 2 раза.

Предлагаемую суспензию получали следующим образом: заливали 50 мл водной суспензии ультрадисперсного алмаза УДА-В (ТУ 84.1124-87) в цилиндр с плоским дном диаметром 22 мм, в который добавляли, г: стеарокс 0,4 и двуокись кремния 0,4. Стеарокс технический продукт, содержащий 90-99 мас. полиэтиленгликольмоностеаратов, используется как текстильно-вспомогательное вещество, эмульгатор пропиточный и очищающий компонент (Химический энциклопедический словарь. М. Сов. энциклопедия, 1983, с.541). Двуокись кремния марка А-300 (ГОСТ 14922-77) используется как накопитель в производстве резины, адсорбент в хроматографии, загуститель смазочных материалов, клеев, красок (там же, с. 284). Полученную суспензию тщательно перемешивали, выдерживали каждую пробу при заданной температуре (-10, +5, +20, +50, +55) в течении 3ч и затем определяли свойства суспензий по кинетической устойчивости суспензии и по размерам агрегатов.

Кинетическую устойчивость суспензии УДА-В и УДА-М определяли по высоте просветленной части столба суспензии (Инструкция по проведению анализа дисперсионного состава пыли седиментационными методами в жидкой среде. Л. ВЦСПС ВНИИ охраны труда, 1965, с.8). Высота слоя суспензии равнялась 12 см, после выдержки при температуре +50^oC суспензия оседает и высота просветленной части суспензии равнялась 2,8 см. Затем просветленную часть суспензии удаляли, пробу суспензии наносили тонким слоем на предметное стекло, высушивали и проводили съемку на электронном микроскопе марки TESLA BS-550. Оценивали размер 40-55 агрегатов, 80% от общего числа измеренных агрегатов имели размер 100-120 нм, агрегаты состоят из частиц размером 4-8 нм. Об осадке судили по высоте просветленной части суспензии, которую принимали равной 10-11 см а размер агрегатов 1000-10000 нм.

Аналогично определяли размер агрегатов при различных соотношениях компонентов и при различных температурах хранения от -10 до +55^oC. Полученные данные сведены табл.1
Как видно из табл. 1, стабильный размер агрегатов можно получить при температуре от -10 до +50^oC при следующем соотношении компонентов, в г/л:
УДА 40,0 70,0
Стеарокс 8,0 10,0
Двуокись кремния 8,0 10,0
Вода До 1,0 л
Увеличение концентрации добавок стеарокса и двуокиси кремния не приводит к уменьшению размера агрегатов, а лишь увеличивает расход реагентов. Снижение температуры до -15^oC приводит к образованию осадка (с высотой просветленной части 10,0-11,0 см), увеличение же температуры до +55^oC приводит к образованию агломератов до 300 нм.

Исследовали свойства суспензии по среднему размеру агрегатов в процессе ее хранения в течение 1, 3, 6, 12 и 13 месяцев. Температура хранения суспензии в течение 12 месяцев составляла +20^oC, время воздействия остальных температур перед определением свойств суспензии составляло 3 ч. Результаты испытаний сведены в табл. 2.

Как видно из табл. 2 предлагаемая суспензия УДА-М сохраняет средний размер агрегатов до 300 нм с 3-х часовой выдержкой при температурах -10, +50^oC, т.е. срок хранения ее увеличивается в два раза.

Были проведены испытания получаемых композиционных покрытий с использованием предлагаемой суспензии УДА-М. Осаждение проводили на медные пластины размером 2x2 см и на торцовые части цилиндров из стали марки СТ3 с внутренним диаметром 26 мм, наружным 30 мм, в электролите состава (г/л):
CrO₃ 200-250
BaSO₄ 6
К₂SiF₆ 20
H₂SO₄ 0,25-0,75 (Прикладная электрохимия. /Под ред. Н.Т. Кудрявцева. М. Химия, 1975, с.420). В емкость объемом 600 мл брали 110 мл УДА-М выдерживали его при температуре минус 10^o в течение 3 ч, после оттаивания, сливали просветленную часть жидкости, затем УДА-М заливали 200 мл электролита, содержащий CrO₃ 75 г, BaSO₄ 6 г, K₂SiF₆ 6,5 г, H₂SO₄ 0,08 мл, доводили объем до уровня 300 мл, размешивали и ставили в водяную баню, нагретую до температуры 50^oC. Осаждение вели при плотности тока 50 А/дм², аноды: сплав Pb-Sb (6%). Для определения микротвердости осаждение вели на медные пластины в течение 1 ч (до толщины покрытия 20 мкм), для определения износа и количества включений осаждение вели в течение 4 ч (до толщины покрытия 80 мкм). После нанесения покрытия помещали в печь с температурой 200-250^oC на 2 ч (Черкеэ М.Б. Хромирование и железнение. М. -Л. Машгиз, 1961, с.41). Микротвердость определяли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 20 г (Богомолова H.A. Практическая металлография. М. Высшая школа, 1978, с.53). Расчет вели по результатам 3-4 измерений. Износ линейную интенсивность изнашивания определяли на машине торцевого трения МТТ-2 при нагрузке 0,098 МПа, контр-тело СТ3 (Зенцова Е.П. Хабибуллин И. Г. и др. Свойства КЭП с хромовой матрицей. Защита металлов, 1989, т. 25, N 6, с.977-978). Количество включений УДА в хромовое покрытие определяли как часть осадка, нерастворимого в HCl (1:1). Раствор центрифугировали, частицы многократно промывали до удаления хлорид-ионов (о чем судили по отсутствию помутнения при добавлении капли 0,1 М AgNO₃), высушивали и взвешивали с точностью до 10^-4 г (Сайфуллин P.C. Зенцова Е.П. Комбинированное электрохимическое покрытие серебро-корунд. Защита металлов, 1967, т. 3, N 5, с. 594). При температуре выдержки УДА-М -10^o микротвердость равна 9,16 ГПа, износ равен 7,3 мг/км, количество включений составило 0,3 мас.

Аналогично проводились опыты при температурах +20^oC, +50^oC с различными сроками хранения суспензии УДА-М и УДА. Полученные данные сведены в табл. 3.

Как видно из табл. 3 применение суспензии ультрадисперсного модифицированного алмаза УДА-М позволяет увеличить микротвердость, количество включений и снизить износ получаемых покрытий.

Использование УДА-М в шлифовально-полирующих пастах при обработке стеклянных поверхностей позволило получить чистоту (неплоскостность) до 5 нм, а для монокристаллов до 1 нм.

Таким образом, настоящее изобретение целесообразно использовать в качестве добавок к электролитам при осаждении на металлическую поверхность, в качестве компонента для получения сверхмелкой структуры шлифовально-полирующих паст и композитов, повышения режущих свойств и размерной стойкости инструмента, а так же в качестве присадок к моторным и индустриальным маслам для повышения их антифрикционных свойств.

Использование: как добавка к электролитам при осаждении на металлическую поверхность, как компонент для получения шлифовально-полирующих паст и композитов, как присадку к моторным и индустриальным маслам и для повышения режущих свойств и размерной стойкости инструмента в химической, электрохимической промышленности, радиоэлектронике и инструментальном производстве. Суспензия ультрадисперсного модифицированного алмаза УДА-М содержит ультрадисперсный алмаз и воду и дополнительно содержит стеарокс и двуокись кремния при следующих соотношениях компонентов, г/л: ультрадисперсный алмаз 40,0-7 0,0, стеарокс 8,0-10,0 , двуокись кремния 8,0-10,0, вода до 1 л. Сохраняется размер частиц алмаза в широком диапазоне температур. 3 табл.

Суспензия ультрадисперсного модифицированного алмаза, содержащая ультрадисперсный алмаз и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит стеарокс и двуокись кремния при следующем соотношении компонентов, г/л:
Ультрадисперсный алмаз 40,0 70,0
Стеарокс 8,0 10,0
Двуокись кремния 8,0 10,0
Вода До 1 ла