СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕТОНАЦИОННЫХ НАНОАЛМАЗОВ Российский патент 2008 года по МПК C01B31/08 B01J3/06 B28B3/00 

Область техники

Изобретение относится к промышленной технологии получения сверхтвердых материалов, а именно высокодисперсных искусственных алмазов, или детонационных наноалмазов (ДНА), получаемых из углерода молекул взрывчатых веществ (ВВ) в результате их детонации. Использование ДНА: получение абразивов, различных высокопрочных и износостойких композиций и покрытий, биологически активных композиций, адсорбентов, полупроводников.

Предшествующий уровень техники

Физика и различные технологии получения ДНА подробно описаны в книгах В.В.Даниленко «Синтез и спекание алмазов взрывом» (М., Энергоатомиздат, 2003, 271 с.), В.Ю. Долматова «Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза» (Санкт-Петербург, изд-во СПбГПУ, 2003, 344 с.) и А.Л.Верещагина «Детонационные наноалмазы» (Барнаул, изд. Алтайского гос. технич. университета, 2001, 176 с.), а также во многих журнальных статьях, начиная с 1988 г.

Условия образования ДНА в детонационной волне: начальные значения давления более 20 ГПа и температуры 3500 - 4000 К при использовании ВВ с отрицательным кислородным балансом (при этом углерод молекул ВВ выделяется в свободном виде). Сохранение ДНА обеспечивается за счет детонации зарядов в герметичной взрывной камере (локализаторе взрывов) и за счет быстрого охлаждения ДНА. Охлаждение обеспечивается одним из следующих способов: инертной газовой атмосферой во взрывной камере с достаточно большой теплоемкостью, например в углекислом газе (Лямкин А.И., Петров Е.А., Ершов А.П. и др. Получение алмазов из взрывчатых веществ. ДАН СССР, 1988, т.302, с.611-613; Петров Е.А., Сакович Г.В., Брыляков П.М. Условия сохранения алмазов в процессе детонационного получения. ДАН СССР, 1990, т.313, №4, с.862-864), водно-капельной атмосферой, создаваемой в камере (Даниленко В.В., Трефилов В.И., Даниленко В.Н. патент SU 1813293 A3; Коробов Д. Ю., Коробов Ю.А., патент RU 2049723; Мисоночников А.Л., Румянцев Б.В., патент RU №2036835) взрывом зарядов в водной пене, в водной или ледяной оболочке (упомянутый патент SU 1813293 A3, а также Аверин А.Н., Филатов Л.И., Алексеев А.В. и др., патент RU 2078661 С1). По способу, описанному в пат. США №5353708 (авторы Ставрев С.Ю., Лазарев С.Б., Стоев К.Л. и др.), для получения ДНА взрываемый заряд погружают в любое количество воды во взрывной камере.

Исторически при открытии в 1963 году синтеза ДНА использовался способ охлаждения ДНА за счет заключения заряда в оболочку из воды или из различных металлов (Волков К.В., Даниленко В.В., Елин В.И. Синтез алмаза из углерода продуктов детонации ВВ. ФГВ, 1990, №3, с.123-125). Экспериментально найдено, что по сравнению со способом за счет взрывов в инертной атмосфере использование водной или ледяной оболочек увеличивает выход ДНА примерно вдвое, до 10-12% от массы взрываемого заряда из сплава тротила с гексогеном с содержанием тротила 40%.

В статье Выскубенко Б.А., Даниленко В.В., Лиин Э.Э. и др. «Влияние масштабного фактора на размеры и выход алмазов при детонационном синтезе». ФГВ, 1992, №2, с.108-109 показано, что выход ДНА растет с увеличением массы водяной оболочки, достигая максимума при массе воды, равной десяти массам взрываемого заряда. Причем выход ДНА не уменьшается с увеличением массы заряда.

В качестве наиболее близкого аналога был выбран способ промышленного синтеза ДНА, описанный в статье Пост Г. и др. «Промышленный синтез детонационных ультрадисперсных алмазов и некоторые области их применения», ЖПХ, т.75, вып.5, 2002, стр.773-778. Наибольший выход ДНА относительно массы взрываемого заряда достигается при заключении заряда взрывчатого вещества в массивную оболочку из воды или льда.

Для промышленных масштабов производства объем синтезируемого ДНА превышает 1 тонну ДНА в год. В известных технологиях синтез ДНА проводится подрывом зарядов массой 1-2 кг. При выходе ДНА 10% от массы заряда для производства, например, 1 тонны ДНА в год потребуется изготовить и взорвать в камере 10000 зарядов или 40 взрывов в день, что практически невозможно сделать. Реально осуществимо производство 1 тонны ДНА в год с использованием зарядов массой 20 кг (2 взрыва в день). Однако для таких зарядов для обеспечения выхода ДНА, равного 10%, необходимы оболочки из воды или льда массой 200 кг, что создает большие трудности в проведении взрывных работ. Кроме того, требуется изготовление одноразовых емкостей для воды (что загрязняет ДНА и требует дополнительных затрат на химическую очистку ДНА) или 400 кг льда в день (что требует значительных затрат электроэнергии и времени).

Таким образом, известные способы синтеза ДНА малопригодны для промышленного производства ДНА.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом настоящего изобретения является создание промышленной технологии производства ДНА, обладающей высокой производительностью, снижающей стоимость ДНА, что обеспечивается возможностью проведения многократных взрывов зарядов из сплава тротила с гексогеном или октогеном большой массы (20-40 кг) с охлаждением ДНА водой, но без изготовления массивных водяных или ледяных оболочек вокруг зарядов.

Это достигается за счет взрывов в центре герметичной взрывной камеры зарядов из сплава тротила с гексогеном или октогеном, причем в камере перед взрывом создается множество струй воды, направленных радиально от стенок камеры к заряду, а взрыв заряда производится после того, как сталкивающиеся струи образуют вокруг заряда водяную оболочку с массой не менее десяти масс заряда. Кроме того, движущиеся к центру камеры струи заполняют весь объем камеры и дополнительно охлаждают ДНА, а также снижают нагрузки на стенки камеры, так как энергия продуктов взрыва расходуется на гашение кинетической энергии струй и их дробление. В результате существенно снижаются скорости и давления взаимодействия воды и продуктов детонации с ДНА с поверхностью стальных стенок камеры, что приводит к снижению содержания в ДНА окислов металлов, которые являются основным содержанием несгораемых примесей (зольности) в ДНА. Промежуток времени между началом движения струй в камере и подрывом заряда для данной камеры и данного заряда определяется экспериментально.

Пример.

Взрывная камера объемом 350 м³ имеет в стенках 128 труб диаметром 2", оси которых направлены в центр камеры. Одни торцы труб открыты и расположены заподлицо с внутренней поверхностью камеры, а другие торцы установлены в герметическом баке с водой. В центре камеры подвешен заряд из сплава тротила с гексогеном (ТГ40/60) массой 30 кг. За 3 с перед взрывом в бак подается сжатый воздух с давлением 10-15 атм, который вытесняет воду в трубы и создает в камере 128 радиальных струй, сталкивающихся вокруг заряда. В момент взрыва общая масса воды в камере составляет 900 кг. После взрыва суспензия ДНА в воде откачивается насосом из камеры в конический отстойник. После 30 мин отстаивания осадок из отстойника подается самотеком в центрифугу или в вакуумный фильтр, где основная часть воды отделяется от ДНА. Затем влажные ДНА подвергаются различного вида очистке от неалмазного углерода и окислов металлов или высушиваются.

Сопоставимый анализ изобретения с прототипом показывает, что заявляемый способ промышленного производства ДНА имеет новые признаки, обеспечивающие повышение производительности и качества ДНА, а также снижающие стоимость ДНА.

Промышленная применимость

Данное изобретение найдет применение в производстве более 1 тонны ДНА в год взрывом в водяной оболочке цилиндрических зарядов из сплава тротил - гексоген (ТГ40/60) массой 20-40 кг с выходом ДНА 10-12% от массы заряда.

Изобретение предназначено для промышленного производства порошков детонационных наноалмазов (ДНА), которые могут быть использованы при получении абразивов, полирующих составов, прочных и износостойких композиций и покрытий, адсорбентов, биологически активных композиций, полупроводников. Сущность изобретения: заряд (массой 20-40 кг) из сплава тротила с гексогеном или октогеном взрывают в центре герметичной взрывной камеры, в которой перед взрывом создается множество водяных струй, движущихся радиально от стенок камеры к заряду. Взрыв производят в момент, когда сталкивающиеся вокруг заряда струи образуют водяную оболочку с массой не менее десяти масс заряда. После взрыва полученную суспензию наноалмазов в воде откачивают из камеры в отстойник, после отстоя осадок отжимают на центрифуге и подвергают очистке от окислов металлов и неалмазного углерода или сушат. Способ обладает высокой производительностью, снижающей стоимость ДНА с охлаждением их водой, но без изготовления массивных водяных или ледяных оболочек вокруг зарядов.

Способ промышленного получения детонационных наноалмазов взрывом в центре герметичной взрывной камеры в водяной оболочке зарядов из сплава тротила с гексогеном или октогеном, отличающийся тем, что в камере перед взрывом создают множество водяных струй, движущихся радиально от стенок камеры к заряду, причем взрыв производят в момент, когда сталкивающиеся вокруг заряда струи образуют водяную оболочку с массой не менее десяти масс заряда.