СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2004 года по МПК C01B31/02 B32B7/00 B32B7/08 

Изобретение относится к физико-химической технологии получения новых материалов на основе фуллеренов и наполнителей и может быть использовано в процессах обработки и очистки различных жидкостей, водных растворов органических и минеральных веществ, суспензий и при разделении этих сред на составляющие ингредиенты.

В настоящее время известны принципиальные направления развития таких процессов, из которых наиболее представительным и наиболее близким по технической и технологической сущности является способ получения фуллеренсодержащего материала, включающий приготовление смеси фуллеренов C₆₀, С₇₀, C₈₄, введение в полученную смесь кварцевого наполнителя и нанесение полученной смеси (фуллеренов с кварцевым наполнителем) на подложку (пат. США №6277766, 2001).

Обладая определенными преимуществами в процессах получения и использования фуллеренсодержащего композиционного материала, в частности, за счет нанесения его на подложку, этот способ заключает в своей принципиальной технологической схеме очевидные и существенные недостатки, а именно: процесс выбора подложки не согласован с физико-химическими, довольно сложными, свойствами фуллеренов, а также не согласован с физико-механическими свойствами смеси фуллеренов, которые соединяются с наполнителем и с подложкой только при соблюдении условий наслоения материалов, выбора давления и температуры, что отсутствует в известном способе. В силу этих недостатков фуллеренсодержащий материал, при его использовании по прямому назначению (в жидких, газообразных, газожидкостных средах) будет подвергаться интенсивному вымыванию, аблированию и существенному снижению своих свойств и качества выполняемой операции.

Технической задачей и технологическим результатом данного изобретения является повышение эксплуатационной надежности и износостойкости полученного фуллеренсодержащего материала, включая композиционное фуллеренсодержащее вещество и материал подложки, при сохранении более длительное время заложенных в этот материал физико-химических и физико-механических свойств при использовании материала для обработки (очистки, разделения и т.п. процессов) жидких, газообразных и газожидкостных сред; повышение мобильности работы метериала в различных сосудах и оперативности выбора режимов в меняющихся технологических процессах и обрабатываемых средах.

Этот технический результат в изобретении достигается за счет того, что способ получения фуллеренсодержащего материала осуществляют приготовлением смеси фуллеренов C₆₀, С₇₀, С₈₄, вводят в полученную смесь кварцевый наполнитель и наносят полученную смесь на подложку, при этом смесь фуллеренов берут в следующем соотношении: C₆₀:С₇₀:С₈₄, как 10:2:0,1 по весу, после чего в нее добавляют пироуглерод при соотношении смесь фуллеренов: пироуглерод 1:5-1:10 по весу, смешивают до получения однородной фуллеренопироуглеродной композиции, в качестве кварцевого наполнителя используют смесь кварцевого песка фракции 0,1-1,0 мм и кварцевого порошка с размером частиц 0,001-0,1 мм в соотношении кварцевый песок:кварцевый порошок 1:1-1:5 по весу, причем соотношение фуллеренопироуглеродной композиции и кварцевого наполнителя выбирают в пределах 1:10-1:20 по весу, перемешивают до получения однородной смеси, а в качестве подложки используют полиамидоимидную пленку толщиной 0,1-1,0 мм, наносят на поверхность пленки, с помощью щелевого сопла, слой указанной последней однородной смеси толщиной слоя 0,2-2,0 мм, одновременно прогревая поверхность пленки до 200-220°С, полученную подложку с нанесенным на нее слоем накрывают другой такой же пленкой и прокатывают этот слоеный материал между валками, одновременно прогревая его до температуры 200-250°С при давлении валков на пленки 0,2-0,5 кгс/см², после этого полученный эластичный фуллеренсодержащий материал подвергают воздействию игл, которыми наносят перфорации на обе пленки глубиной, превышающей толщину пленки на 0,1 часть ее толщины и без образования сквозных отверстий в фуллеренопироуглеродной с кварцевым наполнителем композиции, расположенной между пленками, причем перфорации на обе пленки наносят, не допуская совпадения осей игл и перфораций между собой на разных сторонах указанного фуллеренсодержащего материала.

При этом, полученный фуллеренсодержащий материал до использования укрывают с обеих сторон путем нанесения на них защитной пленки или воскованной бумаги.

А при выполнении фуллеренсодержащего материала из нескольких слоев осуществляют его чередование в следующей последовательности: полиамидоимидная пленка - композиция из фуллеренопироуглеродного с кварцевым наполнителем материала - полиамидоимидная пленка -указанная композиция - полиамидоимидная пленка, а при необходимости, крайние с обеих сторон материала полиамидоимидные пленки выбирают из такого же материала, но армированного в своей структуре упрочняющей сеткой (капроновой или из углеродного волокна).

Такое осуществление разработанного способа позволяет получить фуллеренсодержащий материал в виде ленты, или в виде отдельного листа, или в виде рулонного и т.п. материала, удобного в использовании, высокоэффективного по своим физико-химическим свойствам и физико-механическим характеристикам материала при его работе с жидкими, газообразными и парогазовыми средами.

Осуществление способа получения фуллеренсодержащего материала раскрывается более полно на примерах его реализации, включая получение фуллеренсодержащего материала и его использование по прямому назначению - в технологии обработки жидкой среды.

Пример 1. Берут фуллерены C₆₀, С₇₀, С₈₄, предварительно проверив их чистоту по ИК, ЯМР или МСМ, принимая во внимание, что установленная в настоящее время чистота фуллеренов: C₆₀, С₇₀ и С₈₄ должна быть не менее соответственно 94,0, 95,0 и 97,0%. Количество фуллеренов по весу берут: С₆₀-10,0 г, С₇₀-2 г, С₈₄-0,1 г; всего смесь фуллеренов составила 12,1 г. Берут 84,7 г пироуглерода. Смешивают фуллерены и пироуглерод до получения однородной смеси фуллеренопироуглерода. После этого берут кварцевый песок фракции 0,5 мм весом 300 г и кварцевый порошок фракции 0,05 мм весом 700 г. Вводят в фуллеренопироуглерод кварцевый наполнитель и перемешивают до получения однородной смеси, выдерживая ее абсолютную влажность в пределах 12-15%. Эту приготовленную композицию наносят на подложку, в качестве которой берут полиамидоимидную пленку толщиной 0,6 мм, слой композиции наносят толщиной 1,2 мм, при этом одновременно прогревают поверхность пленки до температуры 210°С. Затем подложку с нанесенным на нее композиционным материалом покрывают другой такой же пленкой и прокатывают между валками, выполненными в виде полых герметизированных цилиндров, заполненных рабочей жидкостью и имеющих в своей полости нагревательный элемент, обеспечивающий на поверхности валков температуру 200-250°С, что обеспечивает прогрев этого слоеного материала до температуры 200-220°С (при прокатке со скоростью продвижения материала между валками 10 см/мин; при скорости 5-7 см/мин прогрев доходит до 250°С) при наложении давления от валков на прокатываемый слоеный материал в пределах 0,2-0,5 кгс/см².

Полученную ленту фуллеренсодержащего материала далее обрабатывают с помощью игл, которыми перфорируют (наносят множество отверстий) полиамидоимидные пленки с обеих сторон материала, диаметром отверстий 0,5-1,0 мм глубиной, превышающей толщину пленки на 0,1 ее толщины, чтобы обеспечить гарантию прокола пленки без прокола находящегося между пленками композиционного материала. Это условие выполняют и за счет несовмещения осей игл и перфораций между собой на разных сторонах фуллеренсодержащего материала (ленты).

Полученный фуллеренсодержащий материал используют по прямому назначению, преимущественно, для обработки (очистки, разделения) жидких, газожидкостных, газообразных веществ. При этом, если процесс связан со значительными механическими нагрузками на полученный материал, то его выполняют многослойным, чередуя, как указано, пленки с композиционным материалом между ними, а крайние, с обеих сторон пленки выбирают из пленки армированной в своей структуре с помощью упрочняющей сетки. Если использование полученного фуллеренсодержащего материала требует промежуточного, перед использованием, хранения, то обе его поверхности покрывают защитной пленкой.

Пример 2. Полученный фуллеренсодержащий материал используют для очистки углеводородной жидкости (типа ТС) от посторонних загрязнений (включений): ацетальдегида, метилацетата, метанола, изопропанола, изобутилацетата. Берут один литр такой жидкости с начальным содержанием указанных примесей соответственно 5,2, 6,1, 6,4, 4,8, 5,5 мг/л. Колонку оснащают фильтром, выполненным из полученного фуллеренсодержащего материал, который набирают в виде мембран. Через этот фильтр пропускают указанную жидкость и выполняют анализ очищенной жидкости методом МСМ (массспектрометрии). Показатели очищенной жидкости по остаточному содержанию примесей: ацетальдегида, метилацетата, матанола, изопропанола, изобутилацетата соответственно 1,14, 1,22, 1,25, 0,94, 1,06 мг/л. Такая высокая степень очистки получена благодаря составу и конструкции фуллеренсодержащего слоеного материала, обладающего очень высокой сорбционной способностью. Если требуется более высокая степень очистки, то процесс или повторяют, подавая еще раз жидкость на фильтр, или используют многослойный, как указано выше, фуллеренсодержащий материал, позволяющий довести очистку почти до абсолютной чистоты (со следами включений).

Таким образом, способ получения фуллеренсодержащего материала отвечает современным требованиям к материалам такого рода, как высокоэффективным в использовании и технологически легко совместимым с процессами обработки различных сред, надежным в практическом применении материалом, легко монтируемом в системах очистки.

Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано при обработке и разделении углеводородных жидкостей, водных растворов, суспензий. Готовят смесь фуллеренов С₆₀:С₇₀:С₈₄=10:2:0,1 по весу. Добавляют пироуглерод. Соотношение смесь фуллеренов: пироуглерод = (1:5)÷(1:10) по весу. Смешивают до получения однородной фуллеренопироуглеродной композиции. В полученную смесь вводят кварцевый наполнитель - смесь кварцевого песка фракции 0,1-1,0 мм с кварцевым порошком с размером частиц 0,001-0,1 мм в соотношении (1:1)÷(1:5) по весу соответственно. Соотношение фуллеренопироуглеродной композиции к кварцевому наполнителю (1:10)÷(1:20) по весу. Перемешивают до получения однородной смеси. Полученную смесь наносят с помощью целевого сопла на подложку - полиамидоимидную пленку толщиной 0,1-1,0 мм. Толщина слоя 0,2-2,0 мм. Одновременно с нанесением смеси поверхность пленки прогревают до 200-220°С. Затем накрывают такой же пленкой. Прокатывают полученный слоеный материал между валками при давлении 0,2-0,5 кгс/см² с одновременным прогревом до 200-250°С. На полученном эластичном фуллеренсодержащем материале выполняют перфорации с обеих сторон с помощью игл на глубину, составляющую 1,1 толщины пленки. Перфорации выполняют таким образом, чтобы не допустить образования сквозных отверстий и совпадения перфораций с разных сторон материала. На обе стороны полученного материала наносят защитную пленку или воскованную бумагу. Можно изготовлять несколько слоев такого материала. При этом наружные полиамидоимидные пленки армируют упрочняющей сеткой. Это позволяет эффективно очищать жидкости, содержащие углеводороды, при использовании материала по изобретению в качестве фильтрующего. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ получения фуллеренсодержащего материала, включающий приготовление смеси фуллеренов С₆₀, С₇₀, С₈₄, введение в полученную смесь кварцевого наполнителя и нанесение полученной смеси на подложку, отличающийся тем, что смесь фуллеренов берут в соотношении С₆₀:С₇₀:С₈₄ 10:2:0,1 по весу, после чего в нее добавляют пироуглерод при соотношении смесь фуллеренов : пироуглерод 1:5-1:10 по весу, смешивают до получения однородной фуллеренопироуглеродной композиции, в качестве кварцевого наполнителя используют смесь кварцевого песка фракции 0,1-1,0 мм и кварцевого порошка с размером частиц 0,001-0,1 мм в соотношении кварцевый песок : кварцевый порошок 1:1 - 1:5 по весу, причем соотношение фуллеренопироуглеродной композиции и кварцевого наполнителя выбирают в пределах 1:10 - 1:20 по весу, перемешивают до получения однородной смеси, а в качестве подложки используют полиамидоимидную пленку толщиной 0,1-1,0 мм, наносят на поверхность пленки с помощью щелевого сопла слой указанной последней однородной смеси толщиной 0,2-2,0 мм, одновременно прогревая поверхность пленки до 200-220°С, эту пленку с нанесенным на нее слоем накрывают другой такой же пленкой и прокатывают этот слоеный материал между валками, одновременно прогревая его до температуры 200-250°С при давлении валков на пленки 0,2-0,5 кгс/см², после этого полученный эластичный фуллеренсодержащий материал подвергают воздействию игл, которыми наносят перфорации на обе пленки глубиной, превышающей толщину пленки на 0,1 часть ее толщины и без образования сквозных отверстий в фуллеренопироуглеродной с кварцевым наполнителем композиции, расположенной между пленками, причем перфорации на обе пленки наносят, не допуская совпадения осей игл и перфораций между собой на разных сторонах указанного фуллеренсодержащего материала.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученный фуллеренсодержащий материал до использования укрывают с обеих сторон путем нанесения на них защитной пленки или воскованной бумаги.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполняют несколько слоев фуллеренсодержащего материала, чередуя его в следующей последовательности: полиамидоимидная пленка - композиция из фуллеренопироуглерода с кварцевым наполнителем - полиамидоимидная пленка - указанная композиция - полиамидоимидная пленка, а, при необходимости, крайние с обеих сторон материала полиамидоимидные пленки выбирают из такого же материала, но армированного в своей структуре упрочняющей сеткой.