НАНОАЛМАЗ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК C01B31/06 B01J3/08 B82B1/00 B82B3/00 

Настоящее изобретение относится к области неорганической химии углерода, а именно к алмазной модификации углерода - наноалмазам, обладающим свойствами сверхтвердого материала, и способу их получения, в частности, с помощью детонационного синтеза из углеродсодержащих взрывчатых смесей с последующим выделением наноалмаза с помощью химических методов.

Предшествующий уровень техники

Известны различные композиционные материалы, получаемые способами детонационного синтеза из углеродсодержащих взрывчатых веществ и содержащие углерод в различных фазах.

Наноалмаз образуется при детонации углеродсодержащих взрывчатых веществ с отрицательным кислородным балансом в специальной среде в условиях, позволяющих ему сохраниться.

Наноалмаз представляет собой индивидуальные частицы размером от 2 до 20 нм, агрегатированные, как правило, в более крупные ансамбли частиц. Вследствие своих наноразмеров наноалмаз имеет высокую дисперсность, наличие дефектов поверхностных структур частицы и, как следствие вышеперечисленного, активную поверхность. Эти характеристики могут варьироваться в достаточно широких пределах в зависимости от условий получения наноалмаза.

Специалистам в области химии углерода широко известен уже более 20-ти лет композиционный материал наноалмаз классического элементного состава, содержащий в основном углерод в кубической алмазной фазе при следующем содержании элементов, мас.%: углерод - 72-90; водород - 0,6-1,5; азот - 1,0-4,5 и кислород - 4-25; и способы его получения (Волков К.В., Даниленко В.В., Елин В.И. Синтез алмаза из углерода продуктов детонации ВВ. Физика горения и взрыва. 1990, т.26, №3, с.123-125; Лямкин А.И., Петров Е.А., Ершов А.П. и др. Получение алмазов из взрывчатых веществ, ДАН СССР, 1988, т.302, с.611-613; Greiner N.R., Phillips D.S.. Johnson F.J.D. Diamonds in detonation soot. Nature, 1988, vol. 333, p.440-442; Петров B.A., Сакович Г.В., Брыляков П.М. Условия сохранения алмазов в процессе детонационного получения, ДАН СССР, 1990, т.313, №4, с.862-864; В.Ю. Долматов. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза: свойства и применение. Успехи химии, 2001, т.70 (7), с.687-708; В.Ю. Долматов. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза, Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2003, 344 с.).

Свойства классического наноалмаза достаточно полно описаны (В.Ю. Долматов. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза: свойства и применение. Успехи химии, 2001, т.70 (7), с.687-708; В.Ю. Долматов. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза, Санкт-Петербург, СПбПУ, 2003, 344 с.; ЕР, 1288162, А2,).

Специалистам в области химии углерода известен также конденсированный углерод (далее КУ), представляющий собой композиционный углеродный материал, содержащий углерод в различных модификациях и при этом, в зависимости от условий детонации углеродсодержащих взрывчатых веществ, содержащий или не содержащий углерод в кубической алмазной фазе.

Такой КУ может быть получен при детонации углеродсодержащих взрывчатых веществ с отрицательным кислородным балансом в специальной среде в условиях, позволяющих сохранить конденсированные углеродные продукты взрыва (Лямкин А.И., Петров Е.А., Ершов А.П. и др. Получение алмазов из взрывчатых веществ, ДАН СССР, 1988, т.302, с.611-613; Greiner N.R., Phillips D.S., Johnson F.J.D. Diamonds in detonation soot. Nature, 1988, vol. 333, p.440-442; Петров В.А., Сакович Г.В., Брыляков П.М. Условия сохранения алмазов в процессе детонационного получения, ДАН СССР, 1990, т.313, №4, с.862-864; В.Ю. Долматов. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза: свойства и применение. Успехи химии, 2001 т.70 (7), с.687-708; В.Ю. Долматов. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза, Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2003, 344 с.).

Известно, что способ получения КУ может включать подрыв заряда углеродсодержащего взрывчатого вещества в различной среде, например:

- в газовой среде, инертной к углероду, например, в среде азота, углекислого газа, газообразных продуктов предыдущих подрывов (US, 5916955, C1);

- в водяной пене (Петров В.А., Сакович Г.В., Брыляков П.М. Условия сохранения алмазов в процессе детонационного получения, ДАН СССР, 1990, т.313, №4, с.862-964);

- при орошении заряда водой (RU, 2036835, C1);

- в водяной оболочке (US, 5353708, C1);

- во льду (RU, 2230702, C1).

Из существующих способов подрыва углеродсодержащих взрывчатых веществ наиболее эффективным с точки зрения выхода КУ и собственно алмазной модификации является подрыв заряда в водяной или ледяной оболочке (В.Ю. Долматов. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза, Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2003, 344 с.; RU, 2230702, С).

При этом полученный КУ представляет собой нанодисперсный углеродсодержащий порошок, обладающий специфическими свойствами и структурой. Например, КУ отличается высокой дисперсностью, большой удельной поверхностью, наличием образовавшихся дефектных углеродных структур, повышенной реакционной способностью.

Известен синтетический алмаз-углеродный материал (US, 5861349, А), состоящий в основном из сгруппированных круглых и неправильной формы частиц в диапазоне диаметров, не превышающем 0,1 μ, в котором:

a) элементный состав, мас.%: углерод от 75,0 до 90,0; водород от 0,8 до 1,5; азот от 0,8 до 4,5; кислород - до баланса;

b) фазовый состав, мас.%; аморфный углерод от 10 до 30, алмаз кубической модификации - до баланса;

c) пористая структура материала, имеющая поры объемом 0,6-1,0 см³/грамм;

d) поверхность материала с наличием на 10-20% поверхности метильных, нитритных, первичных и вторичных гидроксильных групп, имеющих различные химические сдвиги в области спектра ядерного магнитного резонанса и одну или более оксикарбоксильных функциональных групп, выбранных из группы, состоящей из карбонильных групп, карбоксильных групп, гуиноновых групп, гидропероксидных групп и лактоновых групп на 1-2% поверхности материала, связанных с атомами углерода некомпенсированными связями; и

e) специальная поверхность от 200 до 450 gM²/g.

При этом указанный материал получают способом детонационного синтеза в закрытом объеме взрывчатого заряда, содержащего в основном углеродсодержащее взрывчатое вещество или смесь таких веществ, имеющего отрицательный кислородный баланс, при этом детонация заряда инициируется в присутствии частиц углерода в концентрации от 0,01 до 0,015 kg/m³ в среде, состоящей из кислорода от около 0,1 до 6% по объему и газа, инертного к углероду, при температуре от 303 до 363 К. (US, 5861349, А). Способ осуществляют в камере давления с зарядом, имеющим отрицательный кислородный баланс и состоящим в основном из, по меньшей мере, одного углеродсодержащего твердого взрывчатого вещества.

На 10-20% поверхности материала находятся метил-, нитрил-, первичная и вторичная гидроксильная группа, а также оксикарбоксильная и функциональные группы общей формулы O.dbd.R, где R - этот.dbd.COH,.dbd.COOH,.dbd.C.положение 6Н. положение.4 или другие их комбинации, кроме того, 1-2% поверхности материала занято углеродными атомами с некомпенсированными связями.

При этом параметр - постоянная кристаллической решетки - составляет а₀=0,3562±0,0004 нм, содержание несгораемых примесей составляет от 0,1 до 5,0 мас.%.

При этом в полученном материале рентгеноаморфная фаза полученного материала не содержит графита.

Кислородсодержащие функциональные группы, как правило, являются производными более разнообразных поверхностных углеродных структур, включая алифатические, алициклические и ароматические. На поверхности полученного материала были идентифицированы как лактон.dbd.COOCO^-, хинон.O.dbd.C пол.6H.перол.4H.dbd.O, так и гидропероксид.dbd.COOOH группы. Общее количество кислородсодержащих поверхностных групп заняло от 10 до 20% поверхности образца.

Однако указанный выше способ получения алмаз-углеродного материала имеет низкий выход алмаз-углеродного материала - 3,1-5,1 мас.% и при этом не позволяет получить материал с высокой эффективностью высокого качества, так как из-за низкого содержания важнейшего в алмаз-углеродном материале элемента - углерода - получаемый продукт содержит большое количество гетероатомов, в основном, кислорода, присутствующего в виде лактонных, эфирных и альдегидных групп, что приводит к слишком высокой химической активности алмаз-углеродного материала. Это обстоятельство увеличивает вероятность деструктивных процессов в композициях с использованием алмаз-углеродного материала, например, в полимерных и масляных композициях, особенно при повышенных рабочих температурах.

Низкое (от 9.1 до 58,4 мас.%) содержание в получаемом конденсированном углероде основного компонента наноалмаза - алмаза кубической модификации - усложняет последующую химическую очистку наноалмаза. При этом свойства наноалмазов ухудшены из-за значительного, ˜2,3 мас.%, количества несгораемых примесей в химически очищенном наноалмазе.

Кроме того, в указанном выше патенте (US, 5861349, А) приведен способ получения материала с использованием только одного состава взрывчатого вещества - смеси тротил с гесксогеном в соотношении 60/40 соответственно, что не позволяет оценить все преимущества описанного выше способа получения алмаз-углеродных материалов.

Известен способ очистки наноалмазов, полученных способом детонационного синтеза с последующей очисткой от примесей (RU, 2109683, А) путем двухстадийной обработки продуктов детонации водным раствором азотной кислоты: сначала 50-99%-ной азотной кислотой при 80-180°С, затем 10-40%-ной азотной кислотой при 220-280°С. Жидкофазное протекание процесса обеспечивается давлением. Однако осуществление такого способа не находит широкого применения из-за высокой агрессивности и коррозионной активности используемой концентрированной азотной кислоты, большом расходе последней, сложности утилизации и обезвреживания газовых и жидких отходов.

Ближайшим аналогом предлагаемого способа очистки является способ очистки наноалмазов, описанный в литературе (Губаревич Т.М., Долматов В.Ю. Химическая очистка ультрадисперсных алмазов пероксидом водорода. Журнал прикладной химии, 1992, т.65, №11, с.2512-2516). Способ состоит в обработке продуктов детонации, содержащих наноалмаз, окислительной смесью, включающей перекись водорода, азотную кислоту или соль металла переменной валентности.

Недостатком способа является использование сравнительно дорогого и дефицитного окислителя - перекиси водорода, опасность работы с таким легко разлагающимся соединением, как перекись водорода, постоянно выделяющим слишком активный окислитель - атомарный кислород.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является разработка способа получения наноалмаза, - способа безопасного, надежного, характеризуемого улучшенными техническими, экономическими и экологическими параметрами и дающего возможность организовать на его основе широкомасштабное производство наноалмазов, обладающих прогнозируемыми свойствами и прогнозируемым элементным составом при высоком содержании углерода в желаемых фазовых состояниях.

При создании изобретения была поставлена задача разработки способа получения наноалмаза, имеющего высокую концентрацию углерода желаемых модификаций и желаемого фазового состава, из углеродсодержащего материала с помощью детонационного синтеза в условиях, препятствующих окислению поверхности наноалмаза и обеспечивающих сохранность полученной алмазной фазы.

Поставленная задача была решена получением наноалмаза, содержащего углерод, водород, азот и кислород, отличающегося тем, что материал содержит углерод в виде алмазной кубической модификации и в рентгеноаморфной фазе в соотношении (82-95):(18-5) по массе углерода соответственно, и при этом содержит, мас.%:

Углерод90,2-98,0Водород0,1-5,0Азот1,5-3,0Кислород0,1-4,5.

Поставленная задача была также решена разработкой способа получения наноалмаза, включающего детонацию углеродсодержащего взрывчатого вещества с отрицательным кислородным балансом в замкнутом объеме в газовой среде, инертной к углероду, в окружении конденсированной фазы и последующую химическую очистку, отличающегося тем, что осуществляют детонацию углеродсодержащего взрывчатого вещества, помещенного в оболочку из конденсированной фазы, содержащей восстановитель при количественном соотношении массы восстановителя в конденсированной фазе к массе используемого углеродсодержащего взрывчатого вещества не менее 0,01:1, химическую очистку проводят путем обработки продуктов детонации 2-40%-ной водной азотной кислотой совместно с кислородом сжатого воздуха при температуре 200-280°С и давлении 5-15 МПа, и при этом получают наноалмаз, содержащий, мас.%:

Углерод90,2-98,0Водород0,1-5,0Азот1,5-3,0Кислород0,1-4,5

и при этом в массе углерода содержащий углерод алмазной кубической модификации и углерод в рентгеноаморфной фазе в соотношении (82-95):(18-5) мас.% соответственно.

При этом согласно изобретению целесообразно в качестве восстановителя использовать неорганическое или органическое соединение, предпочтительно не содержащее атомов кислорода и галогенов.

В дальнейшем настоящее изобретение поясняется примерами его осуществления, однако не ограничивающими варианты осуществления способа и не выходящими за рамки патентных притязаний.

Лучший вариант осуществления изобретения

Процесс образования наноалмаза способом согласно изобретению, включающим детонацию углеродсодержащего взрывчатого вещества с отрицательным кислородным балансом, окруженного конденсированной фазой, содержащей восстановитель, можно разделить на четыре стадии.

1. Первая стадия детонационного превращения углеродсодержащего взрывчатого вещества при его взрыве в основном происходит в пределах объема заряда, ограниченном его наружными поверхностями, и особенности среды, окружающей заряд, не оказывают влияния на процесс превращения.

Как показали исследования, выбор состава взрывчатых веществ с отрицательным кислородным балансом приводит к образованию «лишнего» углерода, который остается в конденсированном виде. Часть этого «лишнего» углерода при взрыве превращается в алмаз кубической модификации.

Размещение заряда в окружении среды в жидком или твердом агрегатном состоянии, например, при подрыве в бассейне, наполненном водой или льдом, препятствующими разлету продуктов детонации, создает условия для повышения длительности существования образующегося при детонации комплекса сверхвысокого давления и высокой температуры, являющихся областью существования жидкого углерода и алмаза.

Размещение заряда внутри оболочки, содержащей конденсированную фазу в жидком или твердом агрегатном состоянии, например в виде воды, льда, позволяет также более продолжительное время удерживать продукты детонации в объеме исходного заряда, что приводит к более продолжительному существованию плазмы, содержащей продукты детонации, и способствует более полному переходу «лишнего» углерода в алмазную фазу.

2. Во второй стадии превращения, наступающей после завершения процесса детонации, очень важным является обеспечение быстрого газодинамического охлаждения продуктов детонации для сохранения алмазов кубической модификации, образовавшихся в зоне химических превращений.

Известно, что при взрыве в вакууме вследствие высоких скоростей разлета наблюдается наиболее быстрое газодинамическое охлаждение продуктов детонации. Однако при последующем ударе продуктов детонации о стенки взрывной камеры их кинетическая энергия переходит в тепловую энергию и температура в камере быстро растет, достигая очень высоких значений, и после затухания всех ударных волн в полости камеры устанавливается температура - 3500К, близкая к температуре детонации. А поскольку давление в камере падает во много раз быстрее, чем температура, алмазы кубической модификации полностью превращаются (переходят) в графит. Затем при длительном воздействии высоких температур весь КУ газифицируется. Именно поэтому при взрыве в вакууме алмазы кубической модификации не сохраняются.

Наиболее медленное газодинамическое охлаждение наблюдается при разлете продуктов детонации, окруженных массивными водяными или ледяными оболочками. При этом максимальная установившаяся температура продуктов детонации не превышает 500-800К из-за эффективного отбора энергии водой (RU, 2230702, С; В.А.Мазанов. Макрокинетика сохранения конденсированного углерода и детонационного наноалмаза в герметичной взрывной камере. Физика твердого тела, 2004, т.46, вып.4, с.614-620).

Взрыв в среде инертного газа по интенсивности газодинамического охлаждения занимает промежуточное положение между взрывом в вакууме и взрывом в оболочке из конденсированной фазы в виде воды или льда, так как скорость разлета продуктов детонации в газовой среде меньше, чем в вакууме, но больше, чем при наличии водной оболочки или ледяной оболочки.

Поскольку существование КУ в значительной степени определяется остаточной температурой во взрывной камере, - чем меньше температура, тем выше выход алмаз-углеродного материала, - то оптимальным является использование конденсированных оболочек вокруг заряда, создающих наибольшее охлаждение.

3. Третья стадия детонационного синтеза алмаз-углеродного материала наступает после отражения ударных волн от стенок камеры: происходит циркуляция ударных волн, распространяющихся со сверхзвуковой скоростью, сопровождающихся процессами резкого увеличения плотности вещества, давления и температуры, и турбулентное перемешивание продуктов детонации со средой в полости камеры.

Максимально установившаяся температура среды в полости камеры зависит от отношения масс взрывчатых веществ и от состава газовой среды, то есть химической активности среды и теплоемкости газов.

4. На четвертой стадии процесса детонационного синтеза среда, нагретая взрывом углеродсодержащего взрывчатого вещества и ограниченная холодной оболочкой, интенсивно охлаждается. После взрыва и высвобождения продуктов детонации в камере, кроме разного вида газообразных продуктов (СО₂, СО, O₂, Н₂, N₂, СН₄, NO, NO₂, NH₃, Н₂О), также находится высокодисперсная взвесь частиц КУ, которые обладают большой излучающей способностью. Поэтому процесс охлаждения такой среды характеризуется совместным переносом тепла конвекцией и излучением.

Известно, что с помощью использования метода измерения профиля электропроводности в детонационной волне было установлено, что время образования алмазной кубической модификации не превышает 0,2-0,5 мкс, что соответствует ширине зоны химической реакции в смесевых композициях взрывчатых веществ тринитротолуол-гексоген, как в литьевых, так и в прессованных (Ставер А.М., Ершов А.П., Лямкин А.И. Исследование детонационного превращения конденсированных взрывчатых веществ методом электропроводности. Физика горения и взрыва, 1984, т.20, №3, С.79-82).

Поскольку часть образовавшихся на первой стадии детонации твердых частиц КУ превращается в газы под воздействием образующихся при взрыве газообразных окислителей: СО₂, Н₂О, СО, O₂, N₂О₃, NO₂, то можно говорить о «сохранившихся частицах» КУ, которые не успели газифицироваться, в том числе из-за недостатка количества этих газообразных окислителей.

Так как любые не прореагировавшие твердые частицы углерода КУ имеют покров из функциональных групп, то взаимодействие поверхностных функциональных групп с газообразными окислителями способно изменить первичные функциональные группы, в том числе не содержащие кислорода, на кислородсодержащие группы, так как все окислители имеют в своем составе кислород.

При этом использование важной функции восстановителя - связать окислитель, предотвращая окисление углерода, создает условия для препятствия окислению поверхности углеродных частиц. Это создает условия для существенного увеличения содержания углерода в наноалмазе. Это увеличение достигается как раз за счет уменьшения содержания кислорода, так как исследования показывают, что содержание водорода и азота меняется мало.

Следует отметить, что высокое содержание кислорода в наноалмазе препятствует его эффективному использованию в ряде технологий. Например, при его использовании в качестве присадок к техническим маслам наличие большого количества кислорода увеличивает окислительную способность материала.

Известно, что при подрыве углеродсодержащего взрывчатого вещества в газовой среде в условиях установившейся в полости камеры температуры 1500±150К выход КУ максимален и равен ˜12%. С увеличением температуры в полости камеры до 3000-3500К выход КУ падает практически до нуля (В.А.Мазанов. Макрокинетика сохранения конденсированного углерода и детонационного наноалмаза в герметичной взрывной камере. Физика твердого тела, 2004, т.46, вып.4, с.614-620).

Возможности сохранения полученных алмазов кубической модификации и элементный состав наноалмазов зависят от интенсивности протекания в полости камеры гетерофазных эндотермических реакций газификации КУ диоксидом углерода (1) и водяным паром (2), которые можно представить единой брутто-реакцией (3):

При высокой температуре в полости камеры происходят 2 конкурирующих процесса: газификация КУ - в первую очередь, не алмазного углерода как более активного и графитизация образовавшихся алмазов кубической модификации.

Поэтому авторы сочли целесообразным разработать условия проведения синтеза, которые обеспечивали бы минимальные возможности влияния продуктов детонации на полученный при детонации продукт и максимально возможную скорость охлаждения продукта для исключения его газификации.

Согласно изобретению введение восстановителя в состав окружающей заряд конденсированной оболочки позволяет достичь нескольких эффектов:

1. Восстановитель препятствует окислению поверхности углеродных частиц на третьей стадии детонационного процесса, связывая окислители как наиболее химически активные вещества в полости камеры. При этом содержание главного мешающего последующему использованию КУ гетероатома - кислорода резко падает до 0,1%, а его место занимает достаточно инертный и ничему не мешающий водород. Содержание углерода соответственно увеличивается до 95,2%.

2. За счет частичного разложения восстановителя при высоких температурах происходит падение температуры в камере, что, в свою очередь, уменьшает процесс газификации (реакции 1-3) и «замораживает» фазовый переход алмаза в графит.

Таким образом, введение восстановителя позволяет увеличить выход наноалмазов в 1,7-2,6 раза по сравнению с выходом наноалмазов 3,1-5,1% по известной технологии (US, 5681459, A).

В качестве восстановителя могут быть использованы любые неорганические или органические соединения, обладающие свойствами восстановителя, преимущественно, не содержащие кислорода и галогенов и проявляющие выраженные восстановительные свойства.

Полученный в результате детонационного синтеза промежуточный продукт представляет собой высокодисперсный конденсированный углерод (далее КУ), содержащий не только наноалмазы, но и неалмазный углерод в высокореактивной форме, подвергают химической обработке согласно изобретению.

По отношению к неалмазному углероду азотная кислота является достаточно активным окислителем.

Интервал используемых для очистки концентраций азотной кислоты 2-40 мас.% был установлен экспериментально исходя из технологически приемлемых скоростей реакции. Снижение концентрации ниже 2% приводит к уменьшению производительности. Повышение концентрации азотной кислоты выше 40% нецелесообразно, так как при этом возрастает количество кислотных отходов и коррозионная активность среды.

Если обработать КУ только азотной кислотой концентрации 2-40 мас.% при соблюдении прочих условий технологии (t=200-280°С и Р=5-15 МПа), то качество очистки будет очень низким, и чистота полученного наноалмаза не превысит 85%.

При концентрации азотной кислоты 2 мас.% следует поддерживать температуру 280°С, давление 12-15 МПа за счет сжатого воздуха (собственное давление 2%-ной азотной кислоты соответствует 6,5 МПа). Время выдержки 1 час. Чистота полученного продукта наноалмаза составляет 98,7%.

При концентрации азотной кислоты 40 мас.% достаточно поддерживать температуру 200°С и давление 5 МПа за счет сжатого воздуха (собственное давление 40%-ной азотной кислоты соответствует 2,9 МПа). Время выдержки 40 мин. Чистота полученного продукта составляет 99,2%.

Сжатый воздух обеспечивает в системе избыточное давление и сверхравновесное содержание кислорода, а также высокую скорость регенерации азотной кислоты.

Величина избыточного давления 2-9 МПа, созданная сжатым воздухом, обеспечивает как физические кондиции (жидкофазность системы), так и сложный материальный баланс между газообразными и конденсированными компонентами системы. Интервал общего давления системы 5-15 МПа представляет собой экспериментально установленную область стабильного протекания процесса.

Введение в окислительную систему кислорода сжатого воздуха создает оптимальные условия для протекания окислительного процесса. Продукты окисления неалмазного углерода - CO₂, NO₂ и NO - выделяются в газовую фазу. Одновременно при избытке кислорода сжатого воздуха в растворе и газовой фазе протекают процессы регенерации азотной кислоты по схеме:

2NO+O₂2NO₂N₂O₄

4NO+3O₂+2Н₂O4HNO₃

4NO₂+O₂+2Н₂O4HNO₃

Вновь образующая азотная кислота снова вступает в реакцию с неалмазным углеродом.

Кроме неалмазного углерода рассматриваемая окислительная система способна окислять и растворять основные неуглеродные примеси в КУ - железо, медь, их оксиды и некоторые карбиды.

Настоящее изобретение может быть проиллюстрировано примерами осуществления способа получения наноалмаза согласно изобретению, включающего получение конденсированного углерода (КУ) и последующую его химическую обработку с получением наноалмаза с улучшенными свойствами.

Обычно для синтеза КУ используют смесевые углеродсодержащие взрывчатые вещества, например, смесь тринитротолуола с гексогеном или октогеном при содержании тринитротолуола от 30 до 70%. Возможно использование тринитротриаминобензола в смеси с октогеном, гексогеном или тринитротолуолом.

Для испытаний в качестве углеродсодержащих взрывчатых веществ были выбраны:

- заряды из смеси тринитротолуола с гексогеном, сформированные прессованием при давлении прессования 1500 кг/см² в соотношении 50/50 (примеры 1-18) и плавлением в соотношении 65/35 (примеры 19,20);

- заряды из смеси тринитротолуола и октогена, сформированные прессованием при давлении прессования 1500 кг/см² в соотношении 60/40 (пример 21);

- заряды из смеси триаминотринитробензола с октогеном, сформированные прессованием при давлении прессования 1500 кг/см² в соотношении 50/50 (пример 22).

При этом форма заряда была выбрана традиционная, в виде сплошного цилиндра, диаметр цилиндрической шашки 48,5 мм, длина заряда 167,1 мм.

Подрыв заряда осуществляли с помощью электродетонатора, размещенного с торца заряда внутри него.

Заряд углеродсодержащего взрывчатого вещества помещали в оболочку их конденсированной фазы, представляющую собой раствор восстановителя в воде в жидком агрегатном состоянии (примеры 1-16, 18, 19, 21, 22) или в состоянии льда (пример 20), или в оболочку, представляющую собой бронировку заряда, выполненную из прессованного твердого восстановителя (пример 17). При этом масса оболочки составляла от 4,0 до 6,0 кг, и оболочки, имеющие жидкое агрегатное состояние конденсированной фазы, представляли собой цилиндрические мешки из полиэтилена, наполненные конденсированной фазой раствора восстановителя, и заряд подвешивали (размещали) в центре мешка. В случае твердого агрегатного состояния оболочки с использованием в качестве восстановителя адамантана оболочка имела вид наружной бронировки заряда по всем поверхностям.

В качестве восстановителей были использованы диметилгидразин (примеры 1-5, 19), уротропин (примеры 6-10, 20-22), аммиак (примеры 11-13), мочевина (примеры 14-16), адамантан (пример 17), ацетонитрил (пример 18) при различных, в диапазоне (0,01-10,0):1,0, соотношениях массы используемого восстановителя и массы используемого углеродсодержащего взрывчатого вещества соответственно.

Испытания проводили следующим образом: заряд в оболочке помещали через верхний люк во взрывную камеру, выполненную из нержавеющей стали, объемом 1 м³, заполненную газообразными продуктами предыдущего подрыва, камеру закрывали, и заряд подрывали.

Через 3 минуты после подрыва осуществляли разгрузку полученной водной суспензии продукта через нижний клапан в приемную емкость. Водную суспензию пропускали затем через сито с размером ячейки 200 мкм и высушивали. Высушенный продукт дробили и просеивали через сито с размером ячейки 80 мкм. Затем полученный продукт подвергали химической очистке согласно изобретению.

Полученный продукт помещали в титановый автоклав, содержащий 56%-ную азотную кислоту из расчета на 1 вес.ч. Полученного продукта 20 вес.ч. кислоты. Автоклав нагревали до 513К и выдерживали при этой температуре 30 мин. Затем автоклав охлаждали, газы стравливают, суспензию продукта в отработанной слабой азотной кислоте извлекали. Затем наноалмазы отмывали дистиллированной водой до рН 6-7 и сушили на воздухе при температуре 423К в течение 5-х часов.

Образцы полученного продукта подготавливали способом подготовки согласно изобретению для проведения последующих исследований их элементного состава.

С помощью исследований было установлено, что КУ содержит от 8 до 14 мас.% летучих примесей (в основном, воду, окислы азота и углерода). Удаление таких примесей, прочно связанных адсорбционными силами в микропорах, обычным нагревом на воздухе при температуре 120-125°С невозможно. Повышение температуры прогрева до более высоких температур на воздухе опасно из-за разложения, возможности воспламенения и возгорания частиц неалмазного углерода.

Для полного удаления летучих примесей следует применять вакуум при остаточном давлении 0,01-10,0 Па. При этом температуру необходимо поддерживать в диапазоне 120-140°С.

При вакууме 0,01 Па достаточно поддерживать температуру 120°С, а при давлении 10,0 Па - 140°С. Давление менее 0,01 Па поддерживать нецелесообразно по экономическим причинам, а выше 10,0 Па - из-за возможного неполного удаления летучих примесей. Повышение температуры свыше 140°С может вызвать распад части нестойкого неалмазного углерода. Время прогрева в течение 3-5 часов гарантирует также полное удаление летучих примесей. При давлении 0,01 Па и 120°С достаточно 3-х часов выдержки, а при 10,0 Па и 140°С целесообразнее выдерживать 5 часов.

Для определения элементного состава наноалмаза обычно используют стандартную методику органической химии: температура нагрева в токе кислорода 850-900°С в течение 5 с. Однако наноалмаз сильно отличается по своей стойкости к окислению от любых органических соединений. Поэтому указанных выше условий недостаточно для полного окисления элементов, составляющих наноалмаз. Температура, обеспечивающая полное сгорание (окисление) наноалмаза, составляет 1050-1200°С, при этом время прогрева должно составлять 40-50 секунд. Эти условия достижимы, например, на приборе №185 фирмы "Hewlett Packard" (США).

Образцы выдерживали при температуре 120-140°С под вакуумом 0,01-10,0 Па в течение 3-5 часов и затем подвергали обработке при температуре 1050-1200°С потоком кислорода со скоростью, обеспечивающей его сжигание в течение 40-50 секунд.

Подготовленные описанным выше способом образцы продуктов синтеза были подвергнуты следующим исследованиям:

- исследованию с помощью метода малоуглового рассеяния для определения количественного распределения частиц материала по их размерам;

- исследованию с помощью полярографического титрования для определения наличия и состава поверхностных кислородсодержащих, аминных и амидных функциональных групп. При этом гидроксильные, карбоксильные, аминные и амидные группы идентифицируются по значениям соответствующих восстановительных потенциалов, а также по данным ИК-спектроскопии;

- исследованию с помощью газохроматографического анализа наличия поверхностных метильных групп, идентифицируемых по составу выделенных газов при нагревании при температуре 663-673К в течение 3 часов, по количеству выделенного метана. При этом полученные продукты перед газохроматографическим анализом были прогреты при 473К в вакууме (0,1 Па) до получения продукта постоянного веса (в течение 24 часов), при этом адсорбированные ранее поверхностью полученного продукта летучие продукты, в том числе газы, были удалены, и выделяющиеся при газохроматографическом анализе газы СН₄, H₂, CO₂, СО, O₂, N₂ и NH₃ являлись газами, образующимися при разрушении химически связанных с КУ поверхностных групп;

- исследованию с помощью рентген-фотоэлектронной спектроскопии (XPES) для анализа распределение углеродных форм в полученном продукте;

- исследованию с помощью метода малоуглового рассеяния (Свергун Д.И., Фейгин Л.А. Рентгеновское и нейтронное малоугловое рассеяние. М.: Наука, 1986, 280 с.);

- исследованию с помощью метода определения удельной поверхности порошков путем низкотемпературной сорбции азота (далее БЭТ) (Герасимов Я.И. и др. Курс физической химии. T.1, издание 2-ое., М.: Химия, 1969, стр.592). Результаты испытаний приведены в Таблице.

Таблица
Получение наноалмаза согласно изобретению способом согласно изобретениюКомпоненты способа получения№ п/п№ примера Параметры12А. Взрывчатое веществоtСоставТринитротолуол / Гексоген, 50/50, прессованныйТринитротолуол / Гексоген, 50/50 прессованный2Масса, кг0,50,53Плотность, г/см³1,621,62Б.4ВосстановительдиметилгидразиндиметилгидразинОболочка5Соотношение массы восстановителя к массе взрывчатого вещества0,32:1,000,01:1,006Растворительводавода7Агрегатное состояние оболочкижидкостьжидкость8Масса, кг4,04,0В. Полученный продукт9Выход наноалмаза, % от веса взрывчатых веществ9,17,010Элементный состав, мас.%:
[С]
[Н]
[N]
[О]
несгораемые примеси96,1
1,0
2,2
0,4
0,390.2
5,0
1,5
3,2
0,111Фазовый состав наноалмаза, масс.%:
- алмаз кубической модификации,
- рентгеноаморфная углеродная фаза    9185    91512Содержание наноалмаза в КУ60,058,0

Продолжение 1 таблицы  3456А.1Тринитротолуол /Гексоген, 50/50, прессованныйТринитротолуол / Гексоген, 50/50, прессованныйТринитротолуол / Гексоген, 50/50, прессованныйТринитротолуол / Гексоген, 50/50, прессованный20,50,50,50,5 31,621,621,621,62Б.4диметилгидразиндиметилгидразиндиметилгидразинуротропин50,16:1,00,64: 1,0010,0: 1,00,01:1,006водаводаВодаВода7жидкоежидкоежидкоеЖидкое84,04,04,06,0В.99,510,18,68,31093,994,298,092,31.62,91,12,12,52,91,72,31,20,10,11,80,80,90,11,511889195861295141268,0636166

Продолжение 2 таблицы №78910А.1Тринитротолуол / Гексоген, 50/50, прессованныйТринитротолуол /Гексоген, 50/50, прессованныйТринитротолуол / Гексоген, 50/50, прессованныйТринитротолуол / Гексоген, 50/50, прессованный20,50,50,50,531,621,621,621,62Б4уротропинуротропинуротропинуротропин50,25:1,00,50:1,001,0:1,010,0:1,006водаводаводавода7жидкоежидкоежидкоесуспензия86,06,06,06,0В910,411,512,011,21094,995,296,097,01,11,00,40,72,52,22,62,0  1,41,50,70,10,10,10,30,21190929195108951271747569

Продолжение 3 таблицы №11121314А1Тринитротолуол / Гексоген, 50/50, прессованныйТринитротолуол /Гексоген, 50/50, прессованныйТринитротолуол / Гексоген, 50/50, прессованныйТринитротолуол / Гексоген, 50/50, прессованныйБ20,50,50,50,531,621,621,621,624аммиакаммиакаммиакмочевина50,01:1,00,50:1,001,0:1,010,0:1,006водаводаводавода7жидкоежидкоежидкоежидкое85,05,05,05,0В96,06,86,47,5 1091,492,792,192,82,92,42,91,82,82,93,02,22,01,31,22,10,90,70,81,1 11868991881411912 1252514958

Продолжение 4 таблицы №15161718А1Тринитротолуол / Гексоген, 50/50, прессованныйТринитротолуол / Гексоген, 50/50, прессованныйТринитротолуол / Гексоген, 50/50, прессованныйТринитротолуол /Гексоген, 50/50, прессованный 20,50,50,50,5 31,621,621,621,62Б4мочевинамочевинаадамантанацетонитрил 50,4:1,010,0:1,001,4:1,02,0:1,00 6водавода-вода 7жидкоежидкоепрессованное твердоежидкое 85,05,0бронировка заряда5,0В99,05,412,68,0 1091,690,897,295,3  1,81,40,21,2  2,53,52,12,2  3,04,50,20,9  1,10,30,30,4 1186859593141557 1261408056

Продолжение 5 таблицы №19202122А1Тринитротолуол / Гексоген, 65/35, плавленыйТринитротолуол / Гексоген, 65/35, плавленый Тринитротолуол / Октоген, 60/40, прессованныйТриаминотринитробензол / Октоген, 50/50, прессованный 20,510,510,510,53 31,641,641,651,71Б диметилгидразинуротропинуротропинуротропин 50,64:1,000,5:1,00,5:1,00,5:1,0 6водаводаводавода 7жидкоеледжидкоежидкое 84,06,06,06,0В911,712,913,36,8 1094,895,295,992,01,21,10,22,32,92,02,12,60,21,10,82,30,90,61,00,8 119294938686714 1269787952

В результате исследований было установлено, что полученный способом согласно настоящему изобретению наноалмаз представляет собой порошок от светло-серого до серого цвета.

По данным полярографического, хроматографического и ИК-спектроскопического анализа состав поверхностных функциональных групп следующий: гидроксильные, карбонильные, карбоксильные, нитрильные, амидные и метильные группы были обнаружены во всех образцах, полученных в процессе, проведенном способом согласно изобретению.

На рентгенограммах полученного указанным способом наноалмаза (Cu К_α) были отмечены широкие симметричные, хорошо описываемые лоренцовскими контурами дифракционные максимумы при углах 2θ=43,9; 75,3 и 91,5°, соответствующие (111)-, (220)- и (311)-отражениям от решетки алмаза кубической модификации с параметром решетки а_о=3,565±0,002 Å. Средний размер полученных наночастиц 4,0-5,0 nm указывает на то, что уширение дифракционных максимумов связано, в основном, не с внутренними напряжениями, а с малым размером частиц.

В диапазоне 2θ=16°-37° наблюдается сильное локализованное гало, характерное для дифракции на неупорядоченных аморфных структурах, свидетельствующая о наличии рентгеноаморфной фазы углерода. Оценка толщины этих структур по полуширине гало дает 2-4 Å, что составляет 5-18 мас.% от веса наноалмаза. Кроме того, количество аморфной фазы было определено из уменьшения интенсивности отражения до 220 наноалмаза по настоящему изобретению по сравнению с образцом чистого кубического алмаза природного происхождения (Якутия-Саха, пос. Мирный, Россия). Расчетное количество рентгеноаморфной фазы составляет от 5 до 18 мас.%.

Наличие ˜2,5 мас.% азота в аморфной фазе определяли следующим образом.

Навеску наноалмаза, полученного способом согласно настоящему изобретению, прогревали при температуре 473К в течение 20 часов при вакууме в 0,1 Па до постоянного веса. Затем разные части этой навески наноалмаза подвергали по очереди глубокой экстракции различными растворителями при температурах 473-573К под давлением в течение 30 минут. Использовали растворители: нормального строения - гептан, декан; ароматических - бензол, толуол, и алициклических - циклогексан-углеводородов, гидронафталинов - тетралин и декалин. После такой обработки соотношение алмазной фазы углерода, которая при этих условиях не меняется, и аморфной фазы, которая уменьшилась, изменилось. Вес образцов наноалмаза уменьшился на ˜5 мас.%. В раствор вышеназванных растворителей перешли только азотсодержащие гетероциклические ароматические соединения с числом циклов от 1 до 4-х и с содержанием азота в кольцах от 1 до 2-х. Никаких других гетероатомов ни в каком виде в экстрактах обнаружено не было. В наноалмазе после экстракции ИК-спектры показали те же поверхностные кислород-, водород- и азотсодержащие группировки, которые были до экстракции. Таким образом, азот в виде гетероциклических соединений был практически наверняка поставлен из промежуточного слоя - из рентгеноаморфной фазы углерода.

Более того, сложность строения рентгеноаморфной фазы углерода в наноалмазе демонстрирует и тот факт, что, когда аналогично приготовленные образцы наноалмаза согласно изобретению (режим: 473К, 20 часов, 0,1 Па) подвергли термодесорбции в мягких условиях (режим: 573К, 2 часа, 0,001 Па), состав продуктов десорбции был очень разнообразен: ацетонитрил, нитрометан, бутанон-1-он и бутанон-2-он, тетрагидрофуран, этилацетат, бензол и гомологи, алкилбензол (С₉ и С₁₀), алканы (С₇-С₁₁), алкены (С₇- C₁₀), терпен (С₁₀) и нафталин (С₁₀).

При 573К происходит частичная деструкция внешних функциональных групп с образованием нитрометана, бутанонов, тетрагидрофурана, этилацетата, предположительно ацетонитрила. Однако основное количество идентифицированных соединений: бензол и гомологи, алканы, алкены, терпен и нафталин, - имеющие особый характер их строения, могут образовываться только при деструкции рентгеноаморфной фазы углерода, что подтверждает факт, что убыль веса образцов после термодесорбции составила ˜8 мас.%.

Температура начала окисления наноалмазов на воздухе - температура газификации, измеренная на дериватографе при скорости нагревания 10 град/мин, составляет 473К, и небольшой экзоэффект продолжается до нагрева до 800К. При этом окисляется весь неалмазный - рентгеноаморфный - углерод. Падение веса образца при этом составляет 5-18 мас.%, что соответствует количеству рентгеноаморфного углерода в наноалмазе.

После нагрева свыше 800К начинается сильный экзоэффект, свидетельствующий о реакции кислорода воздуха с собственно алмазным ядром наноалмаза, которая завершается при температуре 1050К полным окислением (выгоранием) наноалмаза. Максимальное выделение тепла (максимальное окисление) происходит в диапазоне температур 930-990К.

Для сравнения были проведены исследования кристаллических алмазов статического синтеза (далее АСМ), раздробленных до частиц размером 2-100 нм (при среднем диаметре 20 нм), помещенных в аналогичные условия. Исследования показали, что температура начала окисления алмазного кристалла составляет 785К, а температура максимального окисления составляет 890К. Процесс полного окисления АСМ завершается при температуре 1060К.

Таким образом, устойчивость к окислению собственно алмаза и у наноалмаза согласно настоящему изобретению и у классических синтетических алмазов практически одинакова.

У наноалмаза, полученного способом согласно ближайшему аналогу, окисление алмазного ядра начинается уже при температуре 703К.

Каждая частица НА по данному изобретению представляет собой сложное структурное образование, включающее в качестве обязательных составляющих элементов:

- ядро из углеродных атомов sp³-гибридизированных, связанных в кубическую кристаллическую структуру, характерную для алмазов; ядро охватывает 82-95% углеродных атомов и имеет по данным рентгенографии размер 40-50 Å; ядро имеет ˜2,5 мас.% азота, в основном, в виде атомов замещения;

- переходную углеродную оболочку вокруг ядра, состоящую из рентгеноаморфных структур углерода толщиной 2-4 Å, в которую может входить 5-18% углеродных атомов частицы. Оболочка, состоящая из углерода в sp²-гибридизации, неоднородна. Внутренний слой этой оболочки, непосредственно примыкающий к ядру, составляют непрерывные слои углерода луковичной формы («onion-like carbons»), над ними находятся фрагментарные графитоподобные монослои («ароматические кластеры»).

Эта аморфная углеродная оболочка имеет пористую структуру, содержит многочисленные дефекты, включает в себя небольшое количество гетероатомов (в первую очередь, ˜2,5 мас.% азота), вошедших в структуру оболочки в ходе детонационного синтеза;

- поверхностные слои, включающие, кроме углеродных атомов, и другие гетероатомы, образующие спектр разных функциональных групп (гидроксил-карбонил-, карбоксил-, нитрил- и метильные группы). Общее количество гетероатомов в частице - азот, водород и кислород - составляет от 2,0 до 9,8 мас.%.

Таким образом, было установлено, что частицы наноалмаза не являются чисто углеродным материалом, причем сам углерод находится в продукте одновременно в нескольких модификациях, и только одна их них соответствует структуре алмаза.

Внешняя оболочка частицы наноалмаза определяет ее взаимоотношения с окружающей средой. Именно она формирует границу раздела фаз и участвует во взаимодействии с ней. Наличие на поверхности высокополярных и реакционноспособных группировок, сосредоточенных в малом объеме, определяет достаточную активность воздействия частиц наноалмаза на окружающую среду.

Полученные по данному изобретению наноалмазы являются уникальным материалом в силу их переходного характера от неорганического продукта к органическому и именно этим определяется их особое положение среди ультрадисперсных материалов.

Промышленная применимость

Полученный способом согласно изобретению наноалмаз позволяет использовать его в качестве наноразмерного компонента высокоэффективных композиционных материалов, в виде добавок, улучшающих эксплуатационные свойства конструкций - износостойкость, прочность, ресурс - больше, чем при использовании наноалмазов, известных из описанного выше предшествующего уровня техники.

Наноалмазы согласно изобретению могут найти широкое применение в различных технологиях, например, в полировально-финишных композициях, пленочных покрытиях, в составе радиационно-стойких материалов.

Наноалмазы согласно изобретению могут быть получены способом согласно изобретению, который может быть осуществлен с использованием имеющегося технологического оборудования и известных взрывчатых веществ.

Изобретение относится к химии углерода и может быть использовано при изготовлении полировально-финишных композиций, пленочных покрытий, радиационно-стойких материалов. Углеродсодержащее взрывчатое вещество с отрицательным кислородным балансом помещают в оболочку из конденсированной фазы, содержащей восстановитель. Массовое соотношение восстановителя и углеродсодержащего взрывчатого вещества не менее 0,01:1. Осуществляют детонацию в замкнутом объеме в газовой среде, инертной к углероду. Продукт детонации обрабатывают 2-40%-ной водной азотной кислотой совместно с кислородом сжатого воздуха при температуре 200-280°С и давлении 5-15 МПа. Полученный наноалмаз содержит углерод в виде алмазной кубической модификации и в рентгеноаморфной фазе в соотношении (82-95):(18-5) мас.% соответственно. Элементный состав наноалмаза, мас.%: углерод 90,2-98,0; водород 0,1-5,0; азот 1,5-3,0; кислород 0,1-4,5. Изобретение позволяет повысить безопасность процесса, получить наноалмаз с прогнозируемыми свойствами в промышленном объеме. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 табл.

1. Наноалмаз, содержащий углерод, водород, азот и кислород, отличающийся тем, что содержит углерод в виде алмазной кубической модификации и углерод в рентгеноаморфной фазе в соотношении (82-95):(18-5) мас.% по массе углерода соответственно, и при этом содержит, мас.%:

Углерод90,2-98,0Водород0,1-5,0Азот1,5-3,0Кислород0,1-4,5

Углерод90,2-98,0Водород0,1-5,0Азот1,5-3,0Кислород0,1-4,5

и при этом в массе углерода содержащий углерод алмазной кубической модификации и углерод в рентгеноаморфной фазе в соотношении (82-95):(18-5) мас.% соответственно.