Способ получения углеродных металлсодержащих наноструктур

Изобретение относится к области каталитической и коллоидной химии и может быть использовано при получении эффективных добавок, улучшающих свойства материалов.

Известен способ получения металлсодержащих углеродных наноструктур из органического соединения с добавками неорганических солей (патент RU 2221744, МПК С01В 31/02, дата публикации 20.01.2004) в котором используют смеси поливинилового спирта с хлоридом меди (I) или (II), взятые в мольных соотношениях поливиниловый спирт: хлорид меди (20-1):1, нагреваемые до 300°C. Исходную смесь поливинилового спирта и хлорида меди (II) готовят смешением растворов указанных соединений с последующим ее высушиванием до получения геля.

Недостатком данного способа является использование дорогостоящих компонентов, невозможность промывания системы для полного удаления хлоридов, которые мешают процессу деструкции полимера в процессе нагревания и, как следствие, нестабильность качества конечного продукта - металлсодержащих углеродных наноструктур.

Известен способ получения углеродных наноструктур из органического соединения и металлсодержащих веществ (заявка на изобретение RU 2006130921, дата публ. 10.03.2008), включающий механохимическую обработку реакционной смеси из металлургической пыли, содержащей оксиды кобальта, никеля, меди, взятой в смеси с 5-10% раствором поливинилового спирта в мольных соотношениях 1:(1-4) с последующим ступенчатым нагревом в интервале температур 50-400°C.

Недостатком известного способа является получение углеродных наноструктур нестабильно низкого качества. Так как реакционная смесь включает металлургическую пыль, качественный и количественный состав которой варьируется в широких пределах.

Наиболее близким техническим решением, взятым в качестве прототипа, к заявленному решению является способ получения углеродных металлсодержащих наноструктур (патент RU 2393110, МПК С01В 31/02, дата публ. 27.06.2010), взаимодействием органического вещества и металлургической пыли, содержащей оксиды 3d-металлов, включающий механохимическую обработку их смеси и последующий ступенчатый нагрев реакционной смеси без доступа воздуха в интервале температур 100-400°C, в котором используют металлургическую пыль, содержащую оксиды железа или никеля, в качестве органического вещества используют отходы полимерного производства, включающие карбоцепные полимеры с боковыми функциональными группами, такие, как вторичные поливинилхлорид или поливинилацетат. В исходную смесь компонентов, содержащую вторичный поливинилхлорид, добавляют соляную кислоту. Осуществляют ступенчатый нагрев смеси компонентов, полученный нанопродукт в виде нанопленок с металлсодержащими наночастицами на поверхности обрабатывают щелочью.

Недостатком известного способа является нестабильность качественного и количественного состава отходов металлургического и полимерного производств, что не позволяет получать углеродные металлсодержащие наноструктуры постоянного качественного состава. Известный способ может быть использован только в лабораторных условиях и не может быть применим в производственных целях, что снижает его функциональные возможности.

Задача изобретения состоит в расширении функциональных возможностей способа получения качественных углеродных металлсодержащих наноструктур путем промышленного применения.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи заключается в повышении качества получаемых углеродных металлсодержащих наноструктур.

Технический результат достигается тем, что в способе получения углеродных металлсодержащих наноструктур, взаимодействием органического вещества и металлсодержащего вещества, включающем механическую обработку их смеси и последующий ступенчатый нагрев реакционной смеси без доступа воздуха в интервале температур 100-400°C, согласно изобретению, в качестве металлсодержащего вещества используют оксиды таких 3d-металлов как медь, железо или никель, в качестве органического вещества используют органические вещества циклического и ациклического строения с боковыми функциональными группами, перед ступенчатым нагревом смеси механическую обработку смеси производят перетиранием, после ступенчатого нагрева смеси производят механическое измельчение смеси до размеров частиц в пределах 10-500 нм.

Использование в способе в качестве металлсодержащего вещества оксидов таких 3d-металлов как медь, железо или никель позволяет повысить качество, стабильность получаемых наноструктур.

Технический результат достигается также тем, что в качестве органического вещества используют вещества циклического и ациклического строения с боковыми функциональными группами, такие как полиэтиленполиамин, изометилтетрагидрофталевый ангидрид, диглицидиловый эфир этиленгликоля, что позволяет получить углеродные металлсодержащие наноструктуры высокого качества с функциональными группами на поверхности. Данный факт необходим для реакционной способности наноструктур в модифицируемой среде.

Введение в способ получения углеродных металлсодержащих наноструктур перед ступенчатым нагревом смеси действия механической обработки оксидов 3d-металлов с органическим веществом посредством перетирания, а после ступенчатого нагрева смеси действия механического измельчения смеси до размеров частиц 10-500 нм, позволяет повысить качество получаемого продукта, обеспечить получение углеродных металлсодержащих наноструктур определенной (заданной) дисперсности.

Получение предложенным способом наноструктур размером частиц от 10 до 500 нм позволяет максимально быстро обеспечить взаимодействие между углеродными металлсодержащими структурами и модифицируемой средой (данный эффект основан на том что скорость гетерогенной реакции напрямую зависит от площади соприкосновения между реагирующими веществами, поэтому чем меньше дисперсность порошка, тем быстрее будет скорость реакции). Размер частиц менее 10 нм физически не удается получить. При размере частиц более 500 нм углеродные металлсодержащие наноструктуры агломерируют в кластеры, при этом скорость реакции взаимодействия между наноструктурами и средой резко падает.

Нижняя и верхняя границы температурного интервала нагрева реакционной смеси определены соответственно началом разложения органического вещества и началом разрушения углеродных структур.

Наличие указанных признаков позволяет сделать вывод о новизне заявленного способа получения углеродных металлсодержащих наноструктур.

Сравнение заявленного решения с прототипом и другими решениями в данной области техники показывает, что изложенная совокупность признаков решения не известна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о соответствии заявленного решения критерию изобретения «изобретательский уровень».

Соответствие заявленного решения критерию изобретения «промышленная применимость» показано на примерах конкретного выполнения способа получения углеродных металлсодержащих наноструктур.

Приводимые ниже примеры позволяют проиллюстрировать изобретение, однако не ограничивают его.

Пример 1.

Для осуществления предложенного способа получения углеродных металлсодержащих наноструктур с целью модификации, например отвердителя для производства арматуры стеклокомпозитной был использован следующий способ на основе оксида 3d-металла меди и изометилтетрагидрофталевого ангидрида.

Реакционную смесь готовили следующим образом:

механическое перетирание оксида 3d-металла меди с изометилтетрагидрофталевым ангидридом, которое производили с помощью механической ступки-мельницы;

- измельчение смеси оксида 3d-металла меди и изометилтетрагидрофталевого ангидрида с помощью ступки-мельницы до требуемого значения степени дисперсности (частицы не более 1 мкм);

- соотношение компонентов смеси подбирали в строго стехиометрическом соотношении оксида 3d-металла меди, исходя из координационной способности меди.

Подготовленную реакционную смесь подвергали термической обработке при температурах 150-400°C. Проводили ступенчатый нагрев реакционной смеси в данном интервале температур с отпуском через каждые 50 градусов в течение 10 минут. Далее полученную смесь измельчали с помощью ступки-мельницы для создания порошка с размером частиц от 10-500 нм.

Конечный продукт представляет собой мелкодисперсный порошок в виде наносфер темно-коричневого цвета.

Пример 2.

Для осуществления предложенного способа получения углеродных металлсодержащих наноструктур с целью модификации эпоксидной смолы был использован следующий способ на основе оксида 3d-металла железа(II,III) и диглицидилового эфира этиленгликоля.

Реакционную смесь готовили следующим образом:

- механическое перетирание оксида 3d-металла железа (II,III) с диглицидиловым эфиром этиленгликоля, которое производили с помощью механической ступки-мельницы;

- измельчение смеси с помощью ступки-мельницы до требуемого значения степени дисперсности - частицы не более 1 мкм;

соотношение компонентов смеси подбирали в строго стехиометрическом соотношении оксида 3d-металла железа (исходя из координационной способности железа).

Подготовленную реакционную смесь подвергали термической обработке при температурах 150-400°C. Проводили ступенчатый нагрев реакционной смеси в данном интервале температур с отпуском через каждые 30 градусов в течение 7 минут с последующим измельчением с помощью ступки-мельницы для создания порошка с размером частиц от 10-500 нм.

Конечный продукт представляет собой мелкодисперсный порошок темно-серого цвета в виде наносфер.

Кристаллическая структура наночастиц, наличие в нанопродукте углерода и частиц металла подтверждено данными просвечивающей электронной микроскопии и электронной дифракции.

Таким образом, предложенный способ получения углеродных металлсодержащих наноструктур позволяет повысить качество получаемого продукта, его стабильность, позволяет использовать данный способ в промышленном производстве.