Способ нанесения наночастиц гексагонального нитрида бора на поверхность филаментов синтетических волокон Российский патент 2024 года по МПК D06M11/80 B82Y30/00 

Изобретение относится к текстильной промышленности и нанотехнологиям и может быть использовано в производстве синтетической ткани, в том числе, из крученых нитей, с улучшенными физико-химическими свойствами за счет нанесения гексагонального нитрида бора (h-BN), обладающего высокими термостабильностью – на воздухе до 1276 K, стойкостью к агрессивным воздействиям, теплопроводностью – до 1000 Вт/(м×К), электрическим сопротивлением – 10¹² ÷ 10¹⁴ Ом × см, термоударной прочностью – объемный модуль Юнга – 36,5 ГПа, износостойкостью, уменьшающей трение на 89%.

Патент RU2732255 от 30.08.2016 «Способ получения полимеров, содержащих гексагональный нитрид бора» на способ получения полимерной композиции содержащей эксфолированный (расслоенный) гексагональный нитрид бора в полимерных матрицах из полиэтилентерефалате, полиамиде, полиимиде, полиуретане или поликарбонате для изготовления объемных емкостей. Расслоение нитрида бора достигалось ультразвуковым диспергированием, измельчением в шаровой мельнице, алмазным клином как по отдельности, так и в комплексном применении. При такой многоэтапной и длительной обработке минимальное число монослоев в единичных случаях снижено только до 5. При создании полимерной композиции с использованием широкого класса полимерных матриц путем введения в их расплав или порошковую суспензию, или раствор (на основе олигомерного реагента горючего вещества 3-го класса опасности) нанопорошков многослойного пластинчатого h-BN требуется многостадийная высокотехнологичная, сопряженная с необходимостью контроля, управления и поддержания на требуемом уровне многих параметров и режимов полимеризации смесей. Использование в таких условиях наноразмерных порошков h-BN с высоким уровнем поверхностной энергии неизбежно сопряжено с агрегированием, а значит снижением их физико-химических свойств.

Аналогом может служить US6284358B1 от 4 сентября 2001 «Textile preforms sheathed in a boron nitride coating, composites field of search corporating them and their preparation», в котором на поверхности огнеупорных текстильных материалов из углеродных и керамических волокон карбидного, нитридного или оксидного типа получены покрытия толщиной от 0,1 мкм до 1,2 мкм из наночастиц BN с размерами от 40 до 50 нм. Поверхность неорганических волокон подвергалась обработке высоколетучим токсичным прекурсором боразином (с температурой кипения 55° С), вызывающей ячеистое структурирование и аморфизацию наночастиц нитрида бора, что снижает как механическую прочность изделий из таких волокон, так и потерю некоторых уникальных свойств характерных для гексагонального нитрида бора.

В качестве прототипа принят способ US5007962 от 16 апреля 1991 года «Boron Nitride Coatings» использования композиции из частиц нитрида бора BN с размерами от 100 нм до 50 мкм в количестве с относительным весом от 3 до 3.9%, а также порошков близких по размерам из AlN, TiB₂, B₄C, B₂O₃, дополнительно усиливающих то или иное свойство, к примеру, электросопротивление или теплопроводность, диспергированные в растворы типа метилхлороформа до 50%, этанола до 6%, метанола до 4% и других легколетучих канцерогенных жидкостей и наносимых в виде пленочных покрытий методом аэрозольного распыления с помощью газового пропеллента из пропана или изобутана на подложках из графита, бумаги, металла, керамики и т.п., для последующего применения при защите от электродуговой сварки, создании антикоррозийных, теплопроводящих и электроизоляционных покрытий.

Недостатками существующего прототипа являются отсутствие учета полиморфизма присущего нитриду бора: гексагонального – h-BN, кубического – c-BN и аморфного – α-BN, физико-химические свойства которых резко отличаются и наиболее высокие из них характерны для h-BN, многоэтапность необходимость использования при создании композиций горючих и канцерогенных растворителей 3-го класса опасности и введения дополнительных порошков для достижения заданных свойств без последовательного соблюдения соответствия и большой разброс их размеров, что может вызывать их агрегирование, аэрозольный способ распыления готовой композиции с использованием взрывоопасных газов, отсутствие данных о сплошности и однородности формируемых пленочных покрытий по толщинам, достигающим 254 мкм, при которой влияние гетерофазности порошков нитрида бора не позволяет в полной мере использовать присущие уникальные физико-химические свойства, присущие именно для h-BN.

Техническим результатом в заявляемом изобретении явилась разработка способа закрепления на поверхности филаментов синтетических волокон (ФСВ) многослойных (до 10 слоев монослоев при толщине каждого 0,34 нм и с латеральными размерами до нескольких микрон) наночастиц гексагонального нитрида бора – h-BN.

Задачей изобретения являлось создание нанопленок из h-BN на поверхностях филаментов, входящих в состав полиамидных волокон, используемых в текстильной промышленности для производства синтетических тканей.

Техническая задача достигалась тем, что филаменты отдельно и в составе синтетических волокон, погруженные в раствор наночастиц h-BN в дистиллированной воде, подвергались ультразвуковой обработке не вызывающей химических изменений состава полимера, наночастиц h-BN и всех применяемых функциональных включений, но обусловливающей дополнительное развитие, имеющихся на поверхности филаментов технологических полос, рост латеральных размеров пластинчатых гексагональных структур и последовательное расслоение и закрепление наночастиц h-BN на поверхностях филаментов за счет как ван-дер-ваальсовых, так и ионно-ковалентных связей, возникающих в результате наведенной анизотропии.

На Фиг.1 схематично представлен способ, иллюстрирующий закрепление наночастиц h-BN на поверхностях филаментов. Показан источник ультразвукового излучения 1 с излучателем 2, погруженным в раствор 3 с наночастицами h-BN 8. Излучение 4 воздействует на условно показанные несколько филаментов 5, входящих в волокна синтетической ткани. На одном из филаментов выделен участок поверхности 6, содержащий технологические полосы 7 и наночастиц h-BN 8, что условно проиллюстрировано на вставке. к Фиг. 1. Существование 7 продемонстрированы конфокальным микроскопическим изображением Фиг. 2 и изображениями филамента в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) до – и после ультразвуковой обработки (УО) в растворе дистиллированной воде 3 с наночастицами h-BN 8 (Фиг. 3) и (Фиг. 4) соответственно. Из сравнения Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 4 заметны изменения морфологии поверхности 5 и увеличение характерных размеров 7.

По СЭМ изображению пучка филаментов 5 в составе синтетического волокна после УО 4 (Фиг. 5) был проведен энергодисперсионный элементный анализ и построены картированные элементные распределения на поверхностях филаментов 5 бора (Фиг. 6) и азота (Фиг. 7), которые также подтверждены Фиг. 8 с распределением элементов в закрепленных ультразвуковой обработкой 4 наночастицах h-BN 8 на отдельном филаменте 5, полученные на просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ). Равномерность распределения бора и азота на поверхностях филаментов свидетельствовала о высоком уровне сплошности пленок, формируемых при УО 4, в соответствии с предлагаемым способом (Фиг.1). В наклонном состоянии филамента 5 (под углом до 45°) с пленкой после УО 4 на СЭМ изображении видны два слоя из наночастиц h-BN 8 с толщинами 220 и 340 нм (Фиг. 9). Фактически пленки на поверхностях филаментов были сформированы из образований размерами до 200 нм с характерной гексагональной формой 8, как это условно проиллюстрировано на Фиг. 1 и подтверждено ее типичным СЭМ изображением, приведенным на (Фиг. 10).

Непосредственное доказательство закрепления наночастиц h-BN 8 на поверхности филаментов 5 после УО (Фиг. 1) было получено в режиме высокого разрешения на ПЭМ (Фиг. 11). Период структур на ПЭМ изображении наночастицы h-BN 7 совпал с расстоянием между плоскостями (002) его кристаллической структуры. На Фиг. 12 приведена электронограмма для этой же структуры, идентификация которой полностью отвечала всем дифракционным рефлексам от атомных плоскостей h-BN: 3,33 Å (002), 2,14 Å (100), 2,06 Å (101), 1,828 Å (102), 1,68 Å (004), 1,22 Å (110), 1,16 Å (112) в соответствии с «Powder Diffraction File, Joint Committee on Powder Diffraction Standards, ASTM, Philadelphia, PA, 1967, Card 9-12». Этот же вывод подкрепляется рентгенограммой кристаллической структуры от наночастиц h-BN 8 (Фиг. 13), закрепленных на филаментах 5 после ультразвуковой обработки предлагаемым способом (Фиг. 1). Представленные на вставке к Фиг. 13 в таблице значения углов 2θ, индексы Миллера с их идентификацией полностью соответствовали гексагональной структуре, что указывало на отсутствие структурной перестройки под воздействием используемой УО 4. Расчетная величина области когерентности по наиболее характерной линии 2θ = 26,85° на Cu K_α λ = 0,1541 нм для β = 0,44 по уровню 0,5 по формуле Дебая-Шеррера:

L = 0.9λ/(βcosθ) (1)

согласно (1) составила  ~ 0,35 нм, то есть соответствовал толщине одного слоя h-BN, определенного с помощью ПЭМ высокого разрешения  – 0,33 нм (Фиг. 11) и «Enhanced microwave absorption properties of graphite nanoflakes by coating hexagonal boron nitride nanocrystals // Applied Surface Science. 2017. 420. 858–867».

В спектре (Фиг. 14) комбинационного (рамановского) рассеяния света (КРС) для наночастиц h-BN 7 чётко наблюдалась характерная линия 1362,8 см^–1, которая ответственна за внутриплоскостные сдвиговые колебания в них «Raman signature and phonon dispersion of atomically thin boron nitride. Nanoscale 2017, 9, 3059–3067». Это возбуждение и его интенсивность были положены в основу методики определения эффективного времени закрепления наночастиц h-BN 7 на поверхности филаментов 5 в процессе УО 4 в предлагаемом способе (Фиг. 1). На Фиг. 14 показаны спектры КРС в окрестности линии 1362,8 см^–1 от поверхности филамента 5 после его ультразвуковой обработки 4 в растворе дистиллированной воде 3 с наночастицами h-BN 8 в течение 4, 5, 7 и 9 минут и без 4. Наибольшая интенсивность I_h-BN на линии 1362,8 см^–1 была зафиксирована при УО в течение 7 минут. Методом КРС был подтвержден высокий уровень сплошности формируемых на поверхности филаментов 5 пленок из наночастиц h-BN 8. В спектре КРС было также обнаружено возбуждение в низкочастотной области на линии 52,5 см^–1 (Фиг. 15). Возбуждения на этой линии обусловлены вне плоскостными сдвиговыми колебаниями. «Low frequency Raman spectroscopy of few-atomic-layer thick hBN crystals // 2D Mater. 2017, 4, 031003», что подтверждало многослойность формируемых нанопленок h-BN 8. В спектре инфракрасной спектроскопии наблюдались колебания внутриплоскостные B – N на линии 762,9 см ^–1 (за счет sp²-гибридизированных электронов) и внеплоскостные B – N – B (за счет sp-гибридизированных электронов) – 1339,6 см^–1 (Фиг. 16). «Нормальные решеточные колебания и кристаллическая структура анизотропных модификаций нитрида бора // Физика и техника полупроводников. 1998. 98(9). 1033 – 1042». Интенсивность обеих линий с ростом времени УО 4 заметно возрастала, происходило формирование наведенной анизотропии как наночастиц h-BN 8, так поверхности и филаментов 5 с развитием технологических полос 7, что дополнительно доказывало многослойность нанопленок h-BN 8 и способствовало реализации уникальных свойств, характерных h-BN.

Предлагаемый способ нанесения наночастиц гексагонального нитрида бора на поверхность филаментов синтетических волокон проиллюстрирован следующими графическими материалами.

Фиг. 1. Схематичная иллюстрация способа закрепления наночастиц h-BN на поверхностях филаментов: 1 – и 2 – источник и излучатель ультразвука, 3 – раствор наночастиц h-BN, 4 – излучение, 5 – филаменты, 6 – фрагмент участка поверхности филамента, 7 – технологические полосы, 8 – наночастицы h-BN.

Фиг. 2. Оптическое изображение поверхности филамента с технологическими полосами в конфокальном микроскопе.

Фиг. 3  Изображение поверхности филамента с технологическими полосами в сканирующем электронном микроскопе.

Фиг. 4. Изображение поверхности филамента в сканирующем электронном микроскопе после ультразвуковой обработки.

Фиг. 5. Изображение пучка филаментов в сканирующем электронном микроскопе после ультразвуковой обработки.

Фиг. 6. Картированное распределение бора по поверхностям филаментов в пучке.

Фиг. 7. Картированное распределение азота по поверхностям филаментов в пучке.

Фиг. 8. Распределение элементов в наночастице h-BN, закрепленной на поверхности филамента в просвечивающем электронном микроскопе.

Фиг. 9. Два слоя из наночастиц на наклонной поверхности среза филамента в сканирующем электронном микроскопе.

Фиг. 10. Гексагональность формы отдельной наночастицы h-BN, закрепленной на поверхности филамента в сканирующем электронном микроскопе.

Фиг. 11. Атомные плоскости в наночастице h-BN, закрепленной на поверхности филамента в просвечивающем электронном микроскопе в режиме высокого разрешения.

Фиг. 12. Электронограмма от наночастицы h-BN, закрепленной на поверхности филамента в просвечивающем электронном микроскопе в режиме высокого разрешения.

Фиг. 13. Рентгеновская дифрактограмма от наночастиц h-BN, закрепленных на поверхности филаментов.

Фиг. 14. Изменения интенсивности внутриплоскостных сдвиговых колебаний на линии 1362,8 см^–1 в спектрах комбинационного (рамановского) рассеяния света на филаменте с наночастицами h-BN в зависимости от времени ультразвуковой обработки.

Фиг. 15. Внеплоскостные сдвиговые колебания на линии 52,5 см^–1 в наночастицах h-BN, закрепляемых на филаменте после ультразвуковой обработки.

Фиг. 16. Внутриплоскостные B – N на линии 762,9 см ^–1 и внеплоскостные B – N – B на линии 1339,6 см^–1 колебания ИК-спектре в наночастицах h-BN, закрепляемых на филаменте после ультразвуковой обработки.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Предварительно готовится раствор порошка наночастиц h-BN 8 в дистиллированной воде с использованием ультразвуковой обработки 4 в течение 60 минут, при которой достигается расслоение пластинчатых наночастиц h-BN. Далее с этим раствором и используемыми в производстве замасливателем и минеральными добавками готовится смесь. Синтетические нити помещаются в емкость с приготовленной смесью и подвергаются ультразвуковой обработке в течение 7 минут. После обработки синтетические нити вытягиваются и подвергаются кручению с термофиксацией для придания потребительских свойств. Нитрид бора, закрепленный на поверхности, уменьшит сопротивление трущихся филаментов на нитепроводящей гарнитуре и внутри нити при их производстве. Гексагональный нитрид бора, закрепленный на поверхности нитей, обладая свойственными ему низкой фрикционностью, механотермической прочностью, термостабильностью к термическому окислению, реакционной инертностью и высокой теплопроводностью потенциально способен повышать сопротивляемость трению филаментов внутри нити при ее изготовлении, а также в производстве из нее тканей.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать модифицированные нити с внедрением гексагонального нитрида бора и изготовлять полотна и изделия с улучшенными электромагнитными и теплопроводящими качествами.

Ниже приведены примеры реализации способа.

Пример 1

Предварительно создавали раствор из порошка наночастиц h-BN 8 в деионизированной воде, когда с помощью ультразвуковой обработки 4 в течение 60 минут, достигалось их расслоение до десятков монослоев. Выделяли из синтетического волокна филаменты 5 длиной не менее 20 мм. Жестко их закрепляли и погружали в раствор, состоящий из 50 мг h-BN и 100 мл 11%-ой препарации замасливателя нитей 3. В течение не менее 2 и не более 9 минут проводили ультразвуковую обработку 4. Образцы филаментов после ультразвуковой обработки сушили. Регистрировали и анализировали спектры комбинационного (рамановского) рассеивания света обработанных образцов филаментов 5 с нанесенными наночастицами 8. На Фиг. 14 приведены фрагменты из типичных полученных спектров от образцов филаментов 5 после ультразвуковой обработки 4 в течение 4, 5, 7 и 9 минут, а также без нее «Без УО» в окрестности характерной для h-BN линии 1362,8 см^–1. Интенсивность I_h-BN внутриплоскостных сдвиговых колебаний в спектрах на линии 1362,8 см^–1 была наибольшей при УО в течение 7 минут. Результаты анализов элементного состава поверхностей филаментов 5 (Фиг. 6 – 8), их структуры (Фиг. 9 – 12), фазового состава (Фиг. 13) свидетельствовали полном соответствии сформированных пленочных структур на поверхности отдельных филаментов закрепленным наночастицам h-BN с сохранением их исходной наноструктуры.

Пример 2

Предварительно создавали раствор из порошка наночастиц h-BN 8 в деионизированной воде, когда с помощью ультразвуковой обработки 4 в течение 60 минут, достигалось их расслоение до десятков монослоев. Выделяли из синтетического волокна филаменты 5 длиной не менее 20 мм. Жестко их закрепляли и погружали в раствор, состоящий из 30 мг  h-BN, 50 мл деионизированной воды  и 50 мл 11%-ой препарации замасливателя 3. В течение не менее 2 и не более 9 минут проводили ультразвуковую обработку 4. Спектры комбинационного рассеивания света полученных образцов, также как и результаты анализов элементного состава поверхностей филаментов 5 (Фиг. 6 – 8), их структуры (Фиг. 9 – 12), фазового состава (Фиг. 13) подтверждали вывод о полном соответствии сформированных пленочных структур на поверхности отдельных филаментов закрепленным наночастицам h-BN с сохранением их исходной наноструктуры.

Пример 3

Предварительно создавали раствор из порошка наночастиц h-BN 8 в деионизированной воде, когда с помощью ультразвуковой обработки 4 в течение 60 минут, достигалось их расслоение до десятков монослоев. Выделяли из синтетического волокна филаменты 5 длиной не менее 20 мм. Жестко их закрепляли и погружали в раствор, состоящий из 20 мг  h-BN, частицы которого легко растворимы в суспензии из 10 мл деметилформамида и 10 мл 11%-ой препарации замасливателя. В течение не менее 2 и не более 9 минут проводили ультразвуковую обработку 4. Спектры комбинационного рассеивания света от полученных образцов, также как и результаты анализов элементного состава поверхностей филаментов 5 (Фиг. 6 – 8), их структуры (Фиг. 9 – 12), фазового состава (Фиг. 13) подтверждали вывод о полном соответствии сформированных пленочных структур на поверхности отдельных филаментов закрепленным наночастицам h-BN с сохранением их исходной наноструктуры.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать синтетические волокна с закрепленными наночастицами гексагонального нитрида бора с уникальным комплексом физико-химических характеристик и вполне применим в условиях промышленного производства синтетических волокон с учетом их обработки кручением и термофиксацией.

Изобретение относится к текстильной промышленности и может быть использовано для производства модифицированной ткани. Способ нанесения наночастиц гексагонального нитрида бора (h-BN) на поверхность филаментов полиамидных волокон включает ультразвуковую обработку филаментов полиамидных волокон в смеси дистиллированной воды с наночастицами h-BN и препарации замасливателя с минеральными добавками. Ультразвуковую обработку проводят в течение не менее 2 и не более 9 минут. Раствор наночастиц h-BN готовят предварительно в дистиллированной воде с использованием ультразвуковой обработки в течение 60 минут, при которой достигается расслоение пластинчатых наночастиц h-BN. Изобретение позволяет улучшить закрепление на поверхности филаментов синтетических волокон наночастиц гексагонального нитрида бора. 16 ил., 3 пр.

Способ нанесения наночастиц гексагонального нитрида бора (h-BN) на поверхность филаментов полиамидных волокон, характеризующийся тем, что предварительно готовят раствор наночастиц h-BN в дистиллированной воде с использованием ультразвуковой обработки в течение 60 минут, при которой достигается расслоение пластинчатых наночастиц h-BN до десятков монослоев, выделяют из полиамидного волокна филаменты длиной не менее 20 мм, жестко их закрепляют и погружают в смесь дистиллированной воды, предварительно расслоенных наночастиц h-BN и препарации замасливателя с минеральными добавками, проводят ультразвуковую обработку в течение не менее 2 и не более 9 минут, после ультразвуковой обработки филаменты сушат.