СТРУКТУРА ИЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК Российский патент 2016 года по МПК C01B31/02 B82B1/00 B82Y40/00 

Изобретение относится к углеродным волокнистым наноструктурам, которые могут использоваться в качестве добавок в твердые материалы, такие как смола, керамика, металл и другие, а также в качестве добавок в жидкие материалы, такие как топливо, смазочные масла и другие для улучшения физических свойств названных материалов электрических, механических, или термических, поэтому пригодны в различных сферах: от микроэлектроники до сверхпрочного композитного пластика, от новых медикаментов до элементов питания.

По большей части волокнистые углеродные наноструктуры, например нанотрубки, хранятся и используются в форме порошков. Такие порошки чрезвычайно легкие и при манипуляциях с ними могут образовывать взвесь в воздухе, что нежелательно, так как ведет к потерям продукта и засорению окружающего пространства. Более удобно хранить и использовать нанотрубки в форме недиспергированных структур.

Известна углеродная волокнистая структура, представляющая собой трехмерную сеть углеродных нановолокон, каждое из которых имеет внешний диаметр 15-100 нм, причем названные углеродные нановолокна связаны, по меньшей мере, в один узел, образованный таким образом, что углеродные нановолокна выходят из узла вовне, при этом размер узла в 1,3 раза больше, чем внешний диаметр углеродных нановолокон [Патент РФ №2354763, МПК D01F 9/127, В82В 1/00]. Эта углеродная волокнистая структура принята за прототип изобретения.

Она может добавляться к веществу, к примеру, такому как смола, с сохранением ее собственной объемной конфигурации, т.е. структура не распадается на отдельные нановолокна или пучки из них.

В связи с большими перспективами углеродных нанотрубок стоит задача получения волокнистых углеродных наноструктур, состоящих из названных нанотрубок, которые способны при определенных условиях, например в определенных средах, распадаться на отдельные углеродные нанотрубки и пучки из них.

Изобретение решает задачу получения углеродной наноструктуры, состоящей из углеродных нанотрубок, которая была бы способна распадаться на отдельные нанотрубки или пучки из них в различных средах.

Поставленная задача решается тем, что предлагается углеродный материал, включающий пучки одностенных и/или двустенных углеродных нанотрубок, хаотично сцепленых между собой поверхностями и образующих агрегаты в форме отдельных лоскутов площадью до 1 м² и толщиной 1-1000 мкм.

Каждый лоскут в основном содержит не менее 30% масс. углеродных нанотрубок.

Плотность каждого лоскута преимущественно составляет 0.080-0.150 г/см³.

На фиг. 1 показан внешний вид лоскута заявляемого углеродного материала.

На фиг. 2 показана внутренняя структура лоскута заявляемого углеродного материала.

Описанный материал может быть получен путем каталитического разложения газообразных углеводородов. Катализатором в этом случае может быть, например, железо. Реакционную смесь, состоящую из углеводородов, несущего газа, например водорода, и наночастиц железа подают в реакционную камеру. В реакционной камере при высоких температурах происходит разложение углеводородов с образованием углеродных нанотрубок и газообразных продуктов разложения. Углеродные трубки удаляются из реакционной камеры в потоке газообразных продуктов разложения. Выходящий из реакционной камеры поток пропускают через фильтр для разделения его на твердую и газообразную фазы. Газообразные продукты проходят сквозь фильтр, а нанотрубки оседают на фильтре в форме лоскутов углеродного материала, как показано на фиг. 1. Размер лоскутов может иметь совсем небольшую площадь, например 0.5 см², а может иметь площадь 1 м² и толщину 1-1000 мкм. Плотность материала 0.080-0.150 г/см³.

На микроуровне лоскуты представляют собой агрегаты, т.е. пучки нанотрубок, связанных между собой, непрочными связями, которые легко нарушаются при механическом воздействии. Агрегаты состоят, преимущественно, из пучков, в которые собраны одно- и/или двустенные углеродные трубки на первичном уровне. Помимо нанотрубок в состав агрегатов может входить также аморфный углерод и/или наночастицы катализатора, которые, в свою очередь, могут быть покрыты слоями графитизированного углерода. Масса углеродных нанотрубок в агрегатах составляет не менее 30%.

На срезе агрегаты напоминают плотный нетканый материал из множества волокон, в котором поверхности волокон сцеплены друг с другом. Пучки углеродных нанотрубок хаотично сцеплены между собой, как показано на фиг. 2, однако сила сцепления поверхностей нанотрубок невелика, как это присуще агрегатам.

Такое строение обуславливает ряд свойств углеродного материала, например относительную легкость диспергирования в жидкостях и низкую тепло- и электропроводность его на макроуровне при высоких характеристиках на микроуровне.

Следует иметь в виду, что описанный способ получения заявляемого углеродного материала является только примером и не ограничивает собой применение иных способов.

Описанная углеродная наноструктура, включающая нанотрубки, позволяет хранить и использовать нанотрубки в форме агрегатов, представляющих собой лоскуты, что ни в коей мере не ограничивает возможности их применения, поскольку агрегаты могут быть легко диспергированы в различных средах известными способами, например с помощью ультразвука.

Пример 1

Углеродный материал получают путем разложения углеводородов в присутствии катализатора.

Наночастицы железного катализатора с потоком несущего газа подают в узел смешения, куда подают также нагретый до температуры 490°C метан. Из узла смешения полученную в нем рабочую смесь подают в реакционную камеру.

В реакционной камере поддерживают температуру 960°C. При поступлении рабочей смеси в камеру происходит каталитическое разложение метана, сопровождающееся ростом углеродных нанотрубок на наночастицах железного катализатора. Прореагировавшая смесь поступает из реакционной камеры на фильтр, выполненный из металлической сетки, где происходит разделение газообразных и твердых продуктов реакции с образованием лоскута из углеродных нанотрубок. Размер лоскута 80×100 см, толщина - 1000 мкм. Лоскуты представляют собой агрегаты из пучков углеродных нанотрубок одно- и двустенных, плотностью 0.150 г/см³.

Пример 2

Углеродный материал получают путем разложения углеводородов в присутствии катализатора.

Наночастицы железного катализатора с потоком несущего газа подают в узел смешения, куда подают также нагретый до температуры 300°C метан. Из узла смешения полученную в нем рабочую смесь подают в реакционную камеру.

В реакционной камере поддерживают температуру 600°C. При поступлении рабочей смеси в камеру происходит каталитическое разложение метана, сопровождающееся ростом углеродных нанотрубок на наночастицах железного катализатора. Прореагировавшая смесь поступает из реакционной камеры на фильтр из металлической сетки, где происходит разделение газообразных и твердых продуктов реакции с образованием лоскута из углеродных нанотрубок. Размер лоскута 25×47 см, толщина - 15 мкм. Лоскуты представляют собой агрегаты из пучков углеродных нанотрубок одно- и двустенных, плотностью 0.080 г/см³.

Изобретение может быть использовано при изготовлении добавок в смолы, керамику, металлы, смазочные материалы. Сначала смешивают наночастицы катализатора с потоком несущего газа, затем подают нагретый углеводород. Полученную рабочую смесь вводят в реакционную камеру, где углеводород разлагается в присутствии катализатора с образованием углеродного материала, содержащего пучки одностенных и/или двустенных углеродных нанотрубок, хаотично сцепленых между собой поверхностями и образующих агрегаты в форме отдельных лоскутов площадью преимущественно не более 1 м² и толщиной 1-1000 мкм. Каждый лоскут содержит не менее 30 мас.% углеродных нанотрубок. Плотность лоскута 0,080-0,150 г/см³. Полученная структура способна к диспергации нанотрубок в различных средах. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

1. Углеродный материал, включающий протяженные углеродные наноструктуры, отличающийся тем, что он содержит пучки одностенных и/или двустенных углеродных нанотрубок, хаотично сцепленых между собой поверхностями и образующих агрегаты в форме отдельных лоскутов площадью, преимущественно, не более 1 м² и толщиной 1-1000 мкм.

2. Углеродный материал по п. 1, отличающийся тем, что каждый лоскут содержит не менее 30 мас.% углеродных нанотрубок.

3. Углеродный материал по п. 1, отличающийся тем, что плотность лоскута составляет 0,080-0,150 г/см³.