УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2017 года по МПК C01B31/00 B82B3/00 

Предложение относится к химии высокомолекулярных соединений и предназначено для получения новых нанокомпозитных материалов на основе полимерных матриц и наноразмерных наполнителей.

В процессах современной технологии получения нанокомпозитных углеродсодержащих материалов известно использование устройств для реализации таких процессов. Конструктивная схема известных устройств содержит, в качестве основного рабочего агрегата, аппарат для высокотемпературной возгонки исходных материалов за счет нескольких фазовых процессов перехода вещества для получения твердой фракции материала, состоящего из наночастиц. Из известных аналогов можно выделить устройства, содержащие указанный аппарат, оснащенный плазмообразующим или разрядным узлом, обкладки для наложения на обрабатываемый материал статического или бегущего магнитного поля, источник инертного газа, бункеры для аккумулирования и герметизации полученного наноматериала [RU 5328, 10.05.2006; RU 2270802, 27.08.2005; US 5494558, 27.02.1996; JP 10-045407, 17.02.1998; RU 2509721, 20.03.2014].

Последний из указанных - способ и устройство является наиболее близким техническим решением по отношению к предлагаемому устройству.

Существенными и очевидными недостатками указанного прототипа, как и его близких аналогов, является обязательное использование энергетических высокотемпературных аппаратов (3*10³ - 7*10³ град. Цельсия). Это определяет принципиальную невозможность использования пластичных и жидких материалов в процессе получения нанокомпозитных материалов ввиду неизбежной взрывоопасности и разрушения конструкции устройства от прямого воздействия на исходные материалы указанным высокотемпературным полем, приводящим к испарению материала.

Технической задачей и технологическим результатом предлагаемого устройства является поиск процесса и разработка устройства, позволяющего получать нанокомпозитный углеродсодержащий материал, включающий несколько (три и более) исходных компонентов том числе: пластичных и текучих и при осуществлении процесса получения композита при низких температурах, не допускающих произвольного спонтанного разложения компонентов и выхода их из реакционного процесса в рабочих камерах устройства; с получением материала, обладающего высокими физико-механическими показателями: модуль упругости, предел пластичности, прочность на разрыв.

Указанная задача и технический результат достигаются за счет того, что устройство для получения нанокомпозитных углеродсодержащих материалов, характеризуется тем, что оно снабжено реакционной камерой, смесителем компонентов, бункерами с исходными компонентами, сообщенными со смесителем, емкостью, заполненной дистиллированной водой, аппаратом для лиофильной сушки материала, источником инертного газа, камерой для дополнительной обработки композита, емкостью для диспергирования композита, контейнером приема нанокомпозита, сообщенным с щелевой фильерой для нанесения нанокомпозита на подложку, сушильной камерой с вытяжным насосом для термообработки получаемого нанокомпозиционного материала, при этом реакционная камера соединена посредством насоса со смесителем, имеющим излучатель ультразвуковых волн, оснащена дополнительным перфорированным днищем, полость между ее днищами сообщена с источником инертного газа, корпус этой реакционной камеры имеет терморубашку, а сливной патрубок сообщен с емкостью, заполненной дистиллированной водой, полость этой емкости соединена с аппаратом для лиофильной сушки материала, сообщенным с камерой для дополнительной обработки материала, имеющей встроенный излучатель ультразвуковых волн, соединенной с источником инертного газа и имеющей в полости у днища микроячеистую многослойную сетку, полость этой камеры соединена с емкостью для диспергирования нанокомпозита, оснащенной импеллерами и сообщенной с контейнером, имеющим щелевую фильеру для нанесения нанокомпозита на подложку, вводимую в сушильную камеру для обработки получаемого нанокомпозиционного материала.

Устройство характеризующееся тем, что полости контейнеров заполнены исходными компонентами отдельно: фуллеритом, многослойным нановолокном, нанотрубками или наноконусами.

Устройство, характеризующееся также тем, что исходные компоненты вводят в диметилформамид в полости смесителя.

Устройство, характеризующееся также тем, что емкость для диспергирования композита заполнена раствором полиамидокислоты - форполимера поли-4,4'-оксидифениленпиромелметимида.

Конструкция технического решения раскрывается на прилагаемом чертеже, где показан его общий вид.

Устройство содержит: реакционную камеру 1, бункеры 2, 3 и 4 заполненные различными наноматериалами, смеситель 5, сообщенный с полостями этих бункеров, аппарат 6 для лиофильной сушки, емкость 7 с дистиллированной водой, источник 8 сжатого инертного газа, камеру 9 для дополнительной обработки материала, емкость 10 для диспергирования композита, контейнер 11 приема композита, сообщенный с щелевой фильерой 12 для нанесения композита на подложку 13, сушильную камеру 14 с вытяжным насосом 15 для термообработки наноматериала. Реакционная камера 1 оснащена тепловой рубашкой 16, имеет дополнительное перфорированное днище 17, под которым полость 18 соединена со сливным патрубком 19, имеющим дозатор. Реакционная камера имеет отводной патрубок 20 для удаления паровой фазы. Бункеры 2, 3 и 4 соединены посредством дозаторов 21 со смесителем 5, оснащенным излучателем 22 ультразвуковых волн (УЗВ) для обработки материала, подаваемого с помощью насоса 23 в реакционную камеру 1. Камера 9 оснащена излучателем 24 ультразвуковых волн и имеет у дна микроячеистую многослойную сетку 25. Емкость 10 оснащена импеллером 26 для активного перемешивания композита, из которого получают нанокомпозиционный продукт в виде наноструктурной пленки 27, полученной путем синтеза и обработки, в данном устройстве, нескольких нанонаполнителей, в качестве которых используют фуллерит, многослойные нановолокна и нанотрубки или наноконусы, подвергаемой физико-химическому исследованию на ее характеристики, в частности: модуль упругости, предел пластичности, прочность на разрыв, используя для этого стандартную методику испытания образца этого материала.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Бункеры заполняют исходными компонентами: бункер 2 - фуллеритом, бункер 3 - многослойным нановолокном, бункер 4 - нанотрубками (или наноконусами). Смеситель 5 наполняют диметилформамидом, в который вводят исходные компоненты с помощью дозаторов 21, оттарированных на подачу расчетного количества каждого из трех компонентов. Включают излучатель УЗВ - 22, с помощью которого производят равномерную смесь и с помощью насоса 23 подают эту смесь в реакционную камеру 1, где ведут обработку с использованием инертного газа - 8 (Аr) и тепловой рубашки 16 (около 65°С); полученный композит сливают через патрубок 19, имеющим свой дозатор, в емкость 7, заполненную дистиллированной водой. После промывки воду сливают, а композит переводят в аппарат 6 для лиофильной сушки (t≈80°С) - далее - в камеру 9 для дополнительной обработки материала с помощью инертного газа и излучателя 24 УЗВ. После этой обработки материал подают в емкость 10 для диспергирования композита в растворе с помощью импеллера 26; композит подают в контейнер 11 и с помощью щелевой фильеры 12 наносят на подложку 13, которую помещают в сушильную камеру 14, где ведут сушку при t=80°С с периодическим нагревом до 360°С с подъемом температуры около 5 град/мин (два - три цикла нагрева).

Полученный в виде пленки нанокомпозиционный материал подвергают исследованию на однородность состава по всей площади и ведут испытание на получение физико-химических данных. Получены следующие характеристики нанокомпозитного материала: Е, ГПа = 3,19-3,55; σ_п МПа = 110-120; σ_р МПа = 120-135; S_p % = 12-26. Это показывает высокие технические характеристики использования устройства данной конструкции и его прогрессивное техническое решение.

Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений, в частности к устройству для получения новых углеродосодержащих нанокомпозитных материалов на основе полимерных матриц и наноразмерных наполнителей. Устройство содержит реакционную камеру, смеситель компонентов, бункеры с исходными компонентами, емкость с дистиллированной водой, аппарат для лиофильной сушки материала, источник инертного газа, камеру для дополнительной обработки композита, емкость для диспергирования композита, контейнер приема нанокомпозита, сообщенный с щелевой фильерой для нанесения нанокомпозита на подложку, и сушильную камеру с вытяжным насосом для термообработки получаемого нанокомпозиционного материала. При этом бункеры соединены со смесителем, оснащенным излучателем ультразвуковых волн для обработки исходных компонентов, подаваемых с помощью насоса в реакционную камеру. Реакционная камера оснащена тепловой рубашкой и имеет дополнительное перфорированное днище, под которым полость соединена со сливным патрубком, имеющим дозатор, и сообщена с источником инертного газа. Сливной патрубок сообщен с емкостью, заполненной дистиллированной водой, полость которой соединена с аппаратом для лиофильной сушки материала, который, в свою очередь, сообщен с камерой для дополнительной обработки материала. Камера дополнительной обработки материала оснащена встроенным излучателем ультразвуковых волн, соединенным с источником инертного газа, а полость камеры соединена с емкостью диспергирования нанокомпозита и у дна имеет микроячеистую многослойную сетку. Емкость диспергирования композита оснащена импеллером для активного перемешивания композита. Изобретение обеспечивает эффективное контролируемое получение нанокомпозитного материала с высокими физико-механическими характеристиками. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для получения нанокомпозитных углеродсодержащих материалов, характеризующееся тем, что оно снабжено реакционной камерой, смесителем компонентов, бункерами с исходными компонентами, сообщенными со смесителем, емкостью, заполненной дистиллированной водой, аппаратом для лиофильной сушки материала, источником инертного газа, камерой для дополнительной обработки композита, емкостью для диспергирования композита, контейнером приема нанокомпозита, сообщенный с щелевой фильерой для нанесения нанокомпозита на подложку, сушильной камерой с вытяжным насосом для термообработки получаемого нанокомпозиционного материала, при этом реакционная камера соединена посредством насоса со смесителем, имеющим излучатель ультразвуковых волн, оснащена дополнительным перфорированным днищем, полость между ее днищами сообщена с источником инертного газа, корпус этой реакционной камеры имеет терморубашку, а сливной патрубок сообщен с емкостью, заполненной дистиллированной водой, полость этой емкости соединена с аппаратом для лиофильной сушки материала, сообщенным с камерой для дополнительной обработки материала, имеющей встроенный излучатель ультразвуковых волн, соединенной с источником инертного газа и имеющей в полости у днища микроячеистую многослойную сетку, полость этой камеры соединена с емкостью для диспергирования нанокомпозита, оснащенной импеллерами и сообщенной с контейнером, имеющим щелевую фильеру для нанесения нанокомпозита на подложку, вводимую в сушильную камеру для обработки получаемого нанокомпозиционного материала.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что полости контейнеров заполнены исходными компонентами отдельно: фуллеритом, многослойным нановолокном, нанотрубками или наноконусами.

3. Устройство по п. 1 или 2, характеризующееся также тем, что исходные компоненты вводят в диметилформамид в полости смесителя.

4. Устройство по п. 1, характеризующееся также тем, что емкость для диспергирования композита заполнена раствором полиамидокислоты - форполимера поли-4,4'-оксидифениленпиромелметимида.