СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНОВ Российский патент 2002 года по МПК C01B31/02 

Изобретение относится к физико-химическим процессам получения фуллеренов за счет термомодификации углеродсодержащих материалов.

В настоящее время известны принципиальные технические решения в этой области, наиболее представительным и наиболее близким из которых является способ получения фуллеренов, включающий возгонку углеродсодержащего материала за счет воздействия на него высокотемпературного поля, отвод продуктов возгонки из зоны реакции и их разделение осаждением и аккумулированием частиц фуллеренов /1/.

Существенными и очевидными недостатками этого способа является принципиально несовершенная физико-технологическая модель отвода и разделения частиц фуллеренов, поступающих из зоны реакции, где отвод, накопление, разделение осаждением и аккумулированием частиц фуллеренов является неуправляемым стахостическим процессом, не позволяющим вести эффективное разделение частиц фуллеренов между собой и отделение фуллеренов от массы шлака, отходящего также из зоны реакции, что вызывает необходимость проведения частых нетехнологических остановок процесса получения фуллеренов, снятия осевших на стенках корпуса реактора пленок фуллеренов вместе со шлаком. Эти существенные недостатки снижают, в конечном счете, производительность процесса и эффективность всех операций способа получения фуллеренов.

Технической задачей и результатом данного изобретения является повышение эффективности всех технологических операций способа при непрерывности процесса получения фуллеренов возгонкой углеродсодержащего материала и разделения частиц фуллеренов, отводимых из зоны реакции, по классам фуллеренов в непрерывном процессе способа.

Указанная техническая задача и получаемый результат в изобретении достигают за счет того, что в способе получения фуллеренов, включающем возгонку углеродсодержащего материала за счет воздействия на него высокотемпературного поля, отвод продуктов возгонки из зоны реакции и их разделение осаждением и аккумулированием частиц фуллеренов, при этом отвод продуктов возгонки ведут в процессе фазового перехода обрабатываемого углеродсодержащего материала последовательно сквозь перфорации, образованные в сферических стенках нескольких обойм, выполненных вокруг зоны реакции, а разделение ведут за счет наложения на материал обойм электрического потенциала со знаком заряда, противоположным знаку заряда частиц фуллеренов, причем величину потенциала повышают последовательно от обоймы к обойме пропорционально увеличению масс частиц фуллеренов.

При этом сферические стенки обойм, выполненных вокруг зоны реакции, имеют свою кривизну, очерченную по лемнискатам, а диаметр ячеек в стенках этих обойм выбирают последовательно уменьшающимся от ячеек в первой обойме, находящейся ближе к зоне реакции, до последующих за нею обойм.

Такое принципиальное осуществление способа получения фуллеренов при строгом выполнении операций в их указанной последовательности, включая возгонку углеродсодержащего материала и отвод частиц фуллеренов из зоны реакции с последующим оригинальным их осаждением и аккумулированием в ячейках сферических обойм, позволяет существенно повысить общую эффективность данного способа и всех его перечисленных технологических операций при организации полной непрерывности процесса получения фуллеренов, что предупреждает нетехнологические остановки и интервалы в едином процессе реализации способа.

Способ получения фуллеренов осуществляют следующим образом. Берут углеродсодержащий материал, например графит С₁₄, и подают его в реакционную зону аппарата для получения фуллеренов (конструкция аппарата не приводится, как не имеющая прямого отношения к предмету данного изобретения; при этом предпочтительно выбрать аппарат для пoлучения фуллеренов конструкции А. Плугина). Реакционную зону в реакторе аппарата охватывают несколькими сферическими обоймами с перфорациями в их стенках и ячейками перфораций различного диаметра и различной формы, при этом сферические кривые стенок данных обойм выполняют по лемнискатам, что позволяет наиболее эффективно ориентировать потоки отходящего материала. Таких сферических обойм выбирают несколько, не менее трех, и располагают концентрично одну обойму в другой с учетом электромагнитных и гравитационных сил, воздействующих на обрабатываемый материал в реакционной зоне.

В реакционной зоне ведут возгонку углеродсодержащего материала, преимущественно С₁₄, за счет воздействия на него высокотемпературным полем при Т= 3•10³-9•10^3 oC, которое формируют или от проточной струи плазмы, или за счет электрического разряда при напряжении 15-25 кВ, или разрядного тока 100-350 А; вылетающие из зоны реакции симметрично в виде шара продукты возгонки содержат частицы фуллеренов C₆₀, С₇₀, С₈₄, высшие фуллерены и другие частицы термомодифицированного обработанного материала (С₁₄).

Для максимальной эффективности процесса ведут разделение этих двух составляющих - фуллеренов и шлака - за счет оригинальной операции, где продукт возгонки отводят из зоны реакции сквозь перфорации, образованные в стенках указанных сферических обойм, при этом в фасонных (по форме сечения и по профилю) ячейках перфораций осаждают и аккумулируют частицы фуллеренов, причем в ячейках перфораций одной обоймы аккумулируют фуллерен С₆₀, а в последовательно отстоящих за нею обоймах аккумулируют в ячейках их перфораций фуллерен С₇₀, фуллерен С₈₄, организуя этим целенаправленное селективное разделение фуллеренов за счет наложения на материал стенок обойм электрического потенциала со знаком заряда, противоположным знаку заряда частиц фуллеренов (последние всегда имеют положительный знак заряда), причем величину электрического потенциала последовательно повышают от обоймы к обойме, выбирая напряженность электрического поля, выраженную и приведенную через плотность тока на единицу площади стенки обоймы, в пределах 0,005-0,05 А/дм² при напряженности по длине обоймы 1,0-5,0 В/м и величине индукции магнитного поля в пределах 0,01-0,1 Тл, при этом диаметр ячеек и перфораций в стенках обойм выбирают последовательно уменьшающимися от первой обоймы у зоны реакции до последующих за нею обойм, отстоящих далее от зоны реакции процесса возгонки углеродсодержащего материала.

Такая операция позволяет наиболее эффективно отвести фуллерены из зоны реакции и селективно их разделить, осадить и аккумулировать в ячейках перфораций сферических обойм для последующего целенаправленного использования фуллеренов по их классам.

Суммарный выход фуллеренов при этом составляет 18-23% от массы исходного углеродсодержащего материала и наиболее ценным в этом процессе является одновременный с возгонкой процесс осаждения и аккумулирования фуллеренов по их классам и отдельно от шлака, что невозможно достичь в известных способах получения фуллеренов, где отводят все продукты переработки и затем подвергают их многоступенчатой и дорогостоящей процедуре отделения от шлака и разделения между собой по классам, что технологически крайне невыгодно, т. к. фуллерены за это время успевают скоагулировать между собой и с попутными частицами других веществ и существенно снижают свои положительные свойства и эффективность при их использовании.

Эффективность разработанного способа характеризуется также существенным сокращением расхода энергии на процесс получения фуллеренов более чем на 30% по сравнению с лучшими аналогами, что в целом характеризует изобретение как прогрессивный и высокоэффективный процесс получения фуллеренов при общем повышении технологической культуры этого процесса за счет ликвидации всех дополнительных и промежуточных, как это имеет место в известных аналогах, операций, что в изобретении достигается за счет изложенного оригинального процесса подачи, возгонки, отвода, осаждения и аккумулирования частиц фуллеренов по их классам, достигая при этом процессе непрерывности всех последовательно выполняемых операций способа.

Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано при изготовлении новых материалов. Углеродсодержащий материал, например графит, подают в реакционную камеру. Возгонку материала ведут при (3-10)(10^3 oС в плазме или в электрическом разряде при напряжении 15-25 кВ, разрядном токе 100-350 А. Продукты возгонки отводят в процессе фазового перехода графит-фуллерен. Для разделения продуктов реакции вокруг зоны реакции размещают последовательно несколько обойм со сферическими стенками, выполненными по лемнискатам. В стенках обойм выполнены перфорации, диаметр которых последовательно уменьшается от первой обоймы, находящейся ближе к зоне реакции, к последней. На стенки обойм подают потенциал со знаком заряда, противоположным знаку заряда частиц фуллеренов. Величину потенциала повышают последовательно от обоймы к обойме пропорционально увеличению масс частиц фуллеренов в пределах напряженности электрического поля 0,005-0,05 А/дм² и индукции магнитного поля 0,01-0,1 Тл. Это позволяет селективно отводить фуллерены по фракциям, отделять их от побочных и непрореагировавших продуктов, вести процесс непрерывно. Расход энергии снижается более чем на 30%. Выход фуллеренов 18-23 мас. %. 1 з. п. ф-лы.

1. Способ получения фуллеренов, включающий возгонку углеродсодержащего материала за счет воздействия на него высокотемпературного поля, отвод продуктов возгонки из зоны реакции и их разделение осаждением и аккумулированием частиц фуллеренов, отличающийся тем, что отвод продуктов возгонки ведут в процессе фазового перехода обрабатываемого углеродсодержащего материала последовательно сквозь перфорации, образованные в сферических стенках нескольких обойм, выполненных вокруг зоны реакции, а разделение ведут за счет наложения на материал обойм электрического потенциала со знаком заряда, противоположным знаку заряда частиц фуллеренов, причем величину потенциала повышают последовательно от обоймы к обойме пропорционально увеличению масс частиц фуллеренов. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сферические кривые указанных обойм выполняют по лемнискатам, а диаметр перфораций в стенках обойм выбирают последовательно уменьшающимся от перфораций в первой обойме, находящейся ближе к зоне реакции, до последующих за нею.