СПОСОБ ЗАПОЛНЕНИЯ НАНОТРУБОК ТУГОПЛАВКИМИ МАЛОРАСТВОРИМЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ Российский патент 2015 года по МПК C01F5/00 B82B3/00 B82Y30/00 C01B33/20 

Описание патента на изобретение RU2569693C1

Изобретение относится к области нанотехнологии, а также радиационной и электромагнитной безопасности, может использоваться для придания веществам с нанотрубчатой структурой новых функциональных свойств, в частности радиационно-защитных.

Открытие нанотрубчатых структур и исследование их физико-механических характеристик способствовало прорыву во многих отраслях науки и техники. В частности, наличие возможности заполнения нанотрубок различными химическими соединениями позволяет не только получить материал с уникальным сочетанием физико-механических и других полезных свойств, но и придать веществу-наполнителю совершенно новые характеристики.

Известен способ заполнения углеродных нанотрубок водородом [патент РФ №2379228], заключающийся в усовершенствовании методики заполнения водородом углеродных нанотрубок, прошедших термохимическую активацию в парах сульфида цинка.

К недостаткам данного способа следует отнести использование повышенного давления (до 80 атм), а также то, что он применим только для газообразного водорода, ввиду его высокой диффузионной активности и способности проникать сквозь стенки закрытых углеродных нанотрубок.

Известен способ [патент WO №200610371 Process of filling nanotube structures, in particular carbon nanotubes], который заключается в том, что нанотрубчатые структуры смешиваются с растворителем, в котором растворено вещество-наполнитель, далее система замораживается, после чего производится сублимация растворителя и следует стадия промывки.

Недостатками данного способа являются использование в технологии варьирования в сторону уменьшения как температур, так и давления, а также ограниченность ряда вводимых соединений ввиду того, что многие известные вещества практически нерастворимы в большинстве используемых растворителей.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ направленного заполнения одностенных углеродных нанотрубок тугоплавкими полупроводниковыми соединениями путем проведения химической реакции в каналах нанотрубок [патент РФ на изобретение №2397946]. Указанный способ заключается в последовательной обработке углеродных нанотрубок в расплавах галогенидов металлов и халькогенов с капиллярным внедрением галогенидов в каналы нанотрубок и последующим проведением химической реакции, результатом которой является заполнение нанотрубок халькогенидами металлов. Полученный с помощью данного способа материал предполагает его практическое применение в радиотехнической области. Однако описанный способ имеет возможность более широкого применения.

Недостатками данного способа являются технологическая сложность его осуществления, заключающаяся в необходимости запаивания рабочей смеси веществ в кварцевой ампуле под вакуумом, а также ограниченность ряда вводимых соединений, обусловленная высокой температурой плавления большинства известных неорганических соединений. Помимо того отсутствует возможность использования получаемого продукта для обеспечения радиационной защиты.

Задачей настоящего изобретения является разработка простого и эффективного способа, позволяющего получить нанокомпозит на основе нанотрубок путем их заполнения тугоплавкими малорастворимыми соединениями, наделяющими нанокомпозит необходимыми, в зависимости от требований, свойствами.

Техническим результатом изобретения является получение нанокомпозита, обладающего высокими радиационно-защитными свойствами.

Поставленная задача достигается тем, что способ заполнения нанотрубок тугоплавкими малорастворимыми соединениями осуществляется путем проведения химической реакции в каналах нанотрубок с последующим формированием нанокомпозита. Данный способ заключается в том, что используются гидросиликатные нанотрубки (ГСНТ) со структурой хризотила, которые предварительно заполняются раствором вольфрамата калия K2WO4 с последующим удалением из него растворителя, после чего обрабатываются раствором ацетата свинца Pb(CH3COO)2.

В результате между K2WO4 и Pb(CH3COO)2 в каналах ГСНТ протекает химическая реакция с осаждением вольфрамата свинца PbWO4.

Использование ГСНТ со структурой хризотила обусловлено высокими показателями их механических и термических свойств, радиационной стойкости, низкой стоимости сырья.

Использование PbWO4 для заполнения ГСНТ обусловлено высоким общим содержанием в данном соединении свинца и вольфрама (86 мас. %) и высокой плотностью (до 8,4 г/см3), что позволяет использовать его для эффективной защиты от фотонной радиации. Для заполнения ГСНТ вольфраматом свинца PbWO4 могут использоваться растворы вольфрамата калия K2WO4 и ацетата свинца Pb(CH3COO)2, ввиду высокой растворимости этих солей.

В качестве растворителя для приготовления растворов K2WO4 и Pb(CH3COO)2 может использоваться смесь воды и этанола, для повышения степени заполнения ГСНТ.

При сопоставлении с прототипом можно сделать вывод, что заявленный способ отличается тем, используются ГСНТ со структурой хризотила, которые предварительно заполняются раствором K2WO4 с последующим удалением из него растворителя, после чего обрабатываются раствором Pb(CH3COO)2. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

В качестве источника ГСНТ использовался мелкодисперсный природный хризотил-асбест, также возможно использование синтетического нанотрубчатого хризотила. Для достижения нанодисперсности и удаления примесей природный хризотил-асбест подвергается мокрому расщеплению в вибромельнице, после чего проводится его обработка в растворе 0,1 М CH3COOH при 80-90°C в течение 1 ч, причем количество раствора не должно превышать 80-100 мл на 1 г хризотил-асбеста. После этого производится промывка материала от продуктов реакции кипячением в дистиллированной воде и сушка.

Далее производится тщательное смешивание подготовленных ГСНТ с насыщенным при 25°C водным раствором K2WO4, взятым в количестве, не превышающем 5-10 мл на 1 г ГСНТ. После производится добавление в полученную смесь 40%-ного этанола в количестве 50-60% от исходного объема раствора K2WO4 при постоянном перемешивании. Добавление в смесь этанола производится для улучшения смачиваемости и увеличения степени заполнения ГСНТ. Полученная смесь выдерживается при температуре 90°C до полного удаления жидкости.

Обезвоженная смесь измельчается, затворяется дистиллированной водой в количестве 65-75% от исходного объема раствора K2WO4 и центрифугируется для отделения жидкости. Далее производится промывка полученного продукта в трех равных порциях дистиллированной воды либо 40%-ного водного раствора этанола общим объемом 30-100 мл на 1 г ГСНТ с последующей фильтрацией и сушкой при температуре до 90°C. В зависимости от объема промывочной жидкости далее возможно получение нанокомпозита с содержанием до 30 мас. % PbWO4, сосредоточенного преимущественно в каналах ГСНТ.

После сушки полученный продукт тщательно измельчается и смешивается с насыщенным водным раствором Pb(СН3СОО)2, взятым в количестве, не превышающем 3-4 мл на 1 г ГСНТ, проводится выдержка при стандартной температуре в течение 30 мин, после чего следует центрифугирование для отделения жидкости и промывка полученного нанокомпозита в дистиллированной воде с последующей фильтрацией и сушкой при температуре 90°С.

Осуществление способа в несколько промежуточных этапов способствует достижению более высокого качества полученного нанокомпозита.

Последовательность обработки растворами соединений-реагентов определялась следующим уравнением реакции, в результате которой в каналах ГСНТ происходит кристаллизация PbWO4:

Предлагаемый способ заполнения нанотрубок не ограничивается теми компонентами, которые были приведены в описании процесса, и может быть распространен на заполнение нанотрубок различными тугоплавкими малорастворимыми соединениями, которые могут быть получены путем химической реакции между хорошо растворимыми соединениями.

Данное изобретение поясняется графическим материалом, где на фиг. 1 представлена микрофотография структуры полученного нанокомпозита на основе ГСНТ, заполненных PbWO4.

В табл. 1 приводится сравнение технологических параметров осуществления заявленного способа и способа, взятого как прототип.

Сопоставление данных параметров позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ имеет более высокую технологичность по сравнению с прототипом. Кроме того, для заявленного способа не имеет значения температура плавления и термическая устойчивость исходных соединений, что позволяет расширить ряд вводимых веществ.

Полезность полученного нанокомпозита на основе ГСНТ, заполненных PbWO4, обуславливается совокупностью его физико-механических, термических свойств и особенностью химического состава, что позволяет использовать полученный материал в качестве сравнительно недорогого наполнителя для повышения прочности на изгиб, ударной вязкости, трещиностойкости, комплексных радиационно-защитных свойств от различных видов ионизирующих излучений, радиационной стойкости композиционных материалов.

В табл. 2 приведен химический состав полученного нанокомпозита на основе ГСНТ, заполненных PbWO4.

Полученный нанокомпозит, применяемый как армирующий наполнитель в неорганических и полимерных матрицах, позволяет повысить конструкционную прочность композита, коэффициент ослабления по фотонному и нейтронному ионизирующему излучению, снизить общую массу конструкции, что особенно важно для радиационно-защитных материалов, устанавливаемых на космических аппаратах.

Похожие патенты RU2569693C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОДИСПЕРСНОГО НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА 2015
  • Павленко Вячеслав Иванович
  • Соколенко Игорь Владимирович
  • Ястребинский Роман Николаевич
RU2577581C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ВОЛЬФРАМАТА ДВУХВАЛЕНТНОГО МЕТАЛЛА 2004
  • Громов Олег Григорьевич
  • Локшин Эфроим Пинхусович
  • Кузьмин Анатолий Павлович
  • Калинников Владимир Трофимович
  • Куншина Галина Борисовна
  • Савельев Юрий Алексеевич
  • Бурачас Станислав Феликсович
RU2268859C1
Способ получения вольфрамата свинца из водных растворов 2016
  • Кочкаров Жамал Ахматович
  • Сокурова Залина Аслановна
RU2643547C2
Способ получения чистого вольфрамата свинца в ионных расплавах 2016
  • Кочкаров Жамал Ахматович
  • Сокурова Залина Аслановна
RU2629292C1
СПОСОБ НАПРАВЛЕННОГО ЗАПОЛНЕНИЯ ОДНОСТЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ТУГОПЛАВКИМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ ПУТЕМ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ В КАНАЛАХ НАНОТРУБОК 2007
  • Елисеев Андрей Анатольевич
  • Киселев Николай Андреевич
  • Киселева Екатерина Анатольевна
  • Чернышева Марина Владимировна
  • Жигалина Ольга Михайловна
RU2397946C2
СПОСОБ ЗАПОЛНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОЛОСТИ НАНОТРУБОК ХИМИЧЕСКИМ ВЕЩЕСТВОМ 2012
  • Фастов Илья Сергеевич
  • Фастов Сергей Анатольевич
  • Бокарев Валерий Павлович
  • Бокарева Ольга Михайловна
RU2511218C1
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ВОЛЬФРАМСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА 2006
  • Громов Олег Григорьевич
  • Кузьмин Анатолий Павлович
  • Куншина Галина Борисовна
  • Локшин Эфроим Пинхусович
RU2314259C1
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ НА РАЗРЫВ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА С ПОМОЩЬЮ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПРОПИТКИ УГЛЕВОЛОКОН 2018
  • Ромашкин Алексей Валентинович
  • Стручков Николай Сергеевич
  • Левин Денис Дмитриевич
  • Поликарпов Юрий Александрович
  • Комаров Иван Александрович
  • Калинников Александр Николаевич
  • Нелюб Владимир Александрович
  • Бородулин Алексей Сергеевич
RU2703635C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА PBWO 2001
  • Громов О.Г.
  • Куншина Г.Б.
  • Кузьмин А.П.
  • Локшин Э.П.
RU2206509C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА 2002
  • Девицин Е.Г.
  • Заднепровский Б.И.
  • Козлов В.А.
  • Нефёдов В.А.
  • Полянский Е.В.
  • Поташов С.Ю.
  • Теркулов А.Р.
RU2202011C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 569 693 C1

Реферат патента 2015 года СПОСОБ ЗАПОЛНЕНИЯ НАНОТРУБОК ТУГОПЛАВКИМИ МАЛОРАСТВОРИМЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

Изобретение относится к области нанотехнологии, радиационной и электромагнитной безопасности и может использоваться для придания веществам с нанотрубчатой структурой радиационно-защитных свойств. Cпособ заполнения нанотрубок тугоплавкими малорастворимыми соединениями осуществляют путем проведения химической реакции в каналах нанотрубок с последующим формированием нанокомпозита. В качестве нанотрубок используют гидросиликатные нанотрубки со структурой хризотила, обладающие высокими механическими, термическими свойствами и радиационной стойкостью, которые заполняют раствором вольфрамата калия K2WO4. Затем удаляют растворитель и проводят обработку ацетатом свинца Pb(СН3СОО)2. Способ получения нанокомпозита прост и эффективен. 1 ил., 2 табл.

Формула изобретения RU 2 569 693 C1

Способ заполнения нанотрубок тугоплавкими малорастворимыми соединениями, осуществляемый путем проведения химической реакции в каналах нанотрубок с последующим формированием нанокомпозита, отличающийся тем, что используются гидросиликатные нанотрубки со структурой хризотила, предварительно заполненные раствором вольфрамата калия K2WO4 с последующим удалением из него растворителя, после чего обработанные раствором ацетата свинца Pb(CH3COO)2.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2015 года RU2569693C1

СПОСОБ НАПРАВЛЕННОГО ЗАПОЛНЕНИЯ ОДНОСТЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ТУГОПЛАВКИМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ ПУТЕМ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ В КАНАЛАХ НАНОТРУБОК 2007
  • Елисеев Андрей Анатольевич
  • Киселев Николай Андреевич
  • Киселева Екатерина Анатольевна
  • Чернышева Марина Владимировна
  • Жигалина Ольга Михайловна
RU2397946C2
Пломбировальные щипцы 1923
  • Громов И.С.
SU2006A1
KR 2013023657 A, 08.03.2013
Пломбировальные щипцы 1923
  • Громов И.С.
SU2006A1
СПОСОБ ЗАПОЛНЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ВОДОРОДОМ 2008
  • Колесников Николай Николаевич
  • Кведер Виталий Владимирович
  • Борисенко Дмитрий Николаевич
RU2379228C1
СПОСОБ ЗАПОЛНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОЛОСТИ НАНОТРУБОК ХИМИЧЕСКИМ ВЕЩЕСТВОМ 2012
  • Фастов Илья Сергеевич
  • Фастов Сергей Анатольевич
  • Бокарев Валерий Павлович
  • Бокарева Ольга Михайловна
RU2511218C1
KR 867137 B1, 06.11.2008
CN 1704376 A, 07.12.2005.

RU 2 569 693 C1

Авторы

Павленко Вячеслав Иванович

Соколенко Игорь Владимирович

Едаменко Олег Дмитриевич

Ястребинский Роман Николаевич

Куприева Ольга Валерьевна

Даты

2015-11-27Публикация

2014-05-29Подача