Mehanizem vpliva enostenskih ogljikovih nanocevk na polimere. Elektrofizikalne lastnosti modificiranih ogljikovih nanocevk. Ogljikove nanocevke: uporaba

· Uporaba · Toksični učinek · Sorodni članki · Komentarji · Opombe · Literatura · Uradna spletna stran ·

Sheme strukture različnih modifikacij ogljika
a: diamant, b: grafit, c: lonsdaleite
d: fuleren - buckyball C 60, e: fuleren C 540, f: fuleren C 70
g: amorfni ogljik, h: ogljikove nanocevke

Več podrobnosti: Alotropija ogljika

Kristalni ogljik

• diamant
• Grafen
• grafit
• Carbin
• lonsdaleite
• Nanodiamant
• fulereni
• Fullerit
• Ogljikova vlakna
• Ogljikova nanovlakna
• Ogljikove nanocevke

Amorfni ogljik

• Aktivno oglje
• Oglje
• Fosilni premog: antracit itd.
• Premogov koks, naftni koks itd.
• Steklasti ogljik
• Ogljikova črna
• Ogljikova nanopena

V praksi so običajno zgoraj navedene amorfne oblike kemične spojine veliko ogljika namesto čiste alotropne oblike ogljika.

Oblike grozdov

• Astralens
• Dicarbon
• Ogljikovi nanokonusi

Struktura

Elektronske orbitale ogljikovega atoma imajo lahko različne geometrije, ki temeljijo na stopnji hibridizacije njegovih elektronskih orbital. Obstajajo tri osnovne geometrije ogljikovega atoma.

• tetraedrski, nastane z mešanjem enega s- in treh p-elektronov (sp 3 hibridizacija). Atom ogljika se nahaja v središču tetraedra in je povezan s štirimi enakovrednimi vezmi z ogljikom ali drugimi atomi na ogliščih tetraedra. Ogljikovi alotropni modifikaciji diamant in lonsdaleit ustrezata tej geometriji ogljikovega atoma. Ogljik kaže takšno hibridizacijo na primer v metanu in drugih ogljikovodikih.
• trigonalni, nastane z mešanjem ene s- in dveh p-elektronskih orbital (sp 2 hibridizacija). Ogljikov atom ima tri enakovredne -vezi, ki se nahajajo v isti ravnini pod kotom 120° druga na drugo. P-orbitala, ki ni vključena v hibridizacijo in se nahaja pravokotno na ravnino -vezi, se uporablja za tvorbo -vezi z drugimi atomi. Ta geometrija ogljika je značilna za grafit, fenol itd.
• digonalni, nastane z mešanjem enega s- in enega p-elektrona (sp-hibridizacija). Poleg tega sta dva elektronska oblaka podolgovata vzdolž iste smeri in izgledata kot asimetrični uteži. Druga dva p elektrona tvorita -vezi. Ogljik s tako atomsko geometrijo tvori posebno alotropsko modifikacijo - Carbyne.

Leta 2010 so raziskovalci Univerze v Nottinghamu Stephen Liddle in sodelavci dobili spojino (monomerni dilitio metandij), v kateri so vezi štirih ogljikovih atomov v isti ravnini. Možnost "ploščatega ogljika" je za snov že prej napovedal Paul von Schleyer, vendar ni bila sintetizirana.

Grafit in diamant

Glavni in dobro raziskani alotropski modifikaciji ogljika sta diamant in grafit. V normalnih pogojih je termodinamično stabilen le grafit, medtem ko so diamant in druge oblike metastabilne. pri atmosferski tlak in temperaturah nad 1200 K se diamant začne spreminjati v grafit; nad 2100 K se transformacija zgodi v nekaj sekundah. H 0 prehod - 1,898 kJ/mol. Pri normalnem tlaku ogljik sublimira pri 3780 K. Tekoči ogljik obstaja samo pri določenem zunanjem tlaku. Trojne točke: grafit-tekočina-para T = 4130 K, r= 10,7 MPa. Neposredni prehod grafita v diamant se pojavi pri 3000 K in tlaku 11-12 GPa.

Pri tlakih nad 60 GPa se domneva nastanek zelo goste modifikacije C III (gostota je 15-20% večja od gostote diamanta), ki ima kovinsko prevodnost. Pri visokih pritiskih in relativno nizke temperature(cca. 1.200 K) iz visoko orientiranega grafita nastane heksagonalna modifikacija ogljika s kristalno mrežo wurtzitnega tipa - lonsdaleit (a = 0,252 nm, c = 0,412 nm, prostorska skupina). P6 3 /mmc), gostota 3,51 g/cm, kar je enako gostoti diamanta. Lonsdaleit najdemo tudi v meteoritih.

Ultradisperzni diamanti (nanodiamanti)

V osemdesetih letih prejšnjega stoletja V ZSSR so ugotovili, da lahko v pogojih dinamične obremenitve materialov, ki vsebujejo ogljik, nastanejo diamantom podobne strukture, imenovane ultrafini diamanti (UDD). Danes se vedno pogosteje uporablja izraz »nanodiamanti«. Velikost delcev v takih materialih je nekaj nanometrov. Pogoji za nastanek UDD se lahko uresničijo med detonacijo eksplozivov s precejšnjim negativnim ravnovesjem kisika, na primer mešanice TNT s heksogenom. Takšne razmere se lahko uresničijo tudi pri udarcih nebesnih teles na površje Zemlje v prisotnosti materialov, ki vsebujejo ogljik (organske snovi, šota, premog itd.). Tako so na območju, kjer je padel Tunguški meteorit, v gozdnih tleh odkrili UDA.

Carbin

Kristalna modifikacija ogljika heksagonalnega sistema z verižno strukturo molekul se imenuje Carbyne. Verige imajo poliensko strukturo (-CC-) ali polikumulensko strukturo (=C=C=). Poznamo več oblik karbina, ki se razlikujejo po številu atomov v enotski celici, velikosti celic in gostoti (2,68-3,30 g/cm). Karbin se v naravi pojavlja v obliki minerala kaoita (bele žile in vključki v grafitu) in se pridobiva umetno - z oksidativno dehidropolikondenzacijo acetilena, z delovanjem laserskega sevanja na grafit, iz ogljikovodikov ali CCl 4 v nizkotemperaturni plazmi.

Carbin je drobnokristaliničen črn prah (gostota 1,9-2 g/cm) in ima lastnosti polprevodnika. Pridobljeno pod umetnimi pogoji iz dolgih verig ogljikovih atomov, položenih vzporedno drug z drugim.

Carbyne je linearni polimer ogljika. V molekuli karbina so atomi ogljika povezani v verige izmenično s trojnimi in enojnimi vezmi (polienska struktura) ali trajno z dvojnimi vezmi (polikomulenska struktura). To snov so prvi pridobili sovjetski kemiki V.V.Sladkov, V.I.Kusatochkin in Yu.P. na Inštitutu za organoelementne spojine Akademije znanosti ZSSR. Karbin ima polprevodniške lastnosti, pod vplivom svetlobe pa se njegova prevodnost močno poveča. Prvi temelji na tej lastnosti praktična uporaba- v fotocelicah.

Fulereni in ogljikove nanocevke

Ogljik poznamo tudi v obliki grozdnih delcev C 60, C 70, C 80, C 90, C 100 in podobnih (fuleren), poleg tega pa še grafene, nanocevke in kompleksne strukture- astraleni.

Amorfni ogljik (struktura)

Struktura amorfnega ogljika temelji na neurejeni strukturi monokristalnega (vedno vsebuje primesi) grafita. To so koks, rjavi in ​​črni premog, saje, saje, aktivno oglje.

Grafen

Več podrobnosti: Grafen

Grafen je dvodimenzionalna alotropna modifikacija ogljika, ki jo tvori en atom debela plast ogljikovih atomov, povezanih preko sp vezi v heksagonalno dvodimenzionalno kristalno mrežo.

Ogljikove nanocevke - jutri inovativne tehnologije. Proizvodnja in uvedba nanotubulenov bo izboljšala kakovost blaga in izdelkov, znatno zmanjšala njihovo težo in povečala njihovo trdnost ter jim zagotovila nove lastnosti.

Ogljikove nanocevke ali cevasta nanostruktura (nanotubulen) so umetno ustvarjene v laboratorijskih eno- ali večstenskih votlih cilindričnih strukturah, pridobljenih iz ogljikovih atomov in imajo izjemne mehanske, električne in fizikalne lastnosti.

Ogljikove nanocevke so narejene iz ogljikovih atomov in so oblikovane kot cevi ali valji. So zelo majhni (na nanometru), s premerom od enega do nekaj deset nanometrov in dolžino do nekaj centimetrov. Ogljikove nanocevke so sestavljene iz grafita, vendar imajo druge značilnosti, ki niso značilne za grafit. V naravi ne obstajajo. Njihov izvor je umeten. Telo nanocevk je sintetično, ustvarili so ga ljudje neodvisno od začetka do konca.

Če pogledate milijonkrat povečano nanocevko, lahko vidite podolgovat valj, sestavljen iz enakostraničnih šesterokotnikov z atomi ogljika na svojih vrhovih. To je grafitna ravnina, zvita v cev. Kiralnost nanocevke določa njene fizikalne značilnosti in lastnosti.

Milijonkrat povečana nanocevka je podolgovat valj, sestavljen iz enakostraničnih šesterokotnikov z atomi ogljika na svojih vrhovih. To je grafitna ravnina, zvita v cev.

Kiralnost je lastnost molekule, da se v prostoru ne združi s svojo zrcalno sliko.

Da bi bilo bolj jasno, je kiralnost, ko na primer enakomerno prepognete list papirja. Če je poševna, potem je to ahiraličnost. Nanotubuleni imajo lahko enoplastno in večplastno strukturo. Večplastna struktura ni nič drugega kot več enostenskih nanocevk, "oblečenih" ena na ena.

Zgodovina odkritja

Natančen datum odkritja nanocevk in njihov odkritelj nista znana. Ta tema je hrana za razprave in špekulacije, saj obstaja veliko vzporednih opisov teh struktur s strani znanstvenikov iz različne države. Glavna težava pri prepoznavanju odkritelja je v tem, da nanocevke in nanovlakna, ki so prišla v oči znanstvenikom, dolgo niso pritegnila njihove pozornosti in niso bila temeljito raziskana. Obstoječe znanstvena dela dokazujejo, da je bila možnost ustvarjanja nanocevk in vlaken iz materialov, ki vsebujejo ogljik, teoretično dovoljena že v drugi polovici prejšnjega stoletja.

Glavni razlog, zakaj resne študije mikronskih ogljikovih spojin dolgo niso bile izvedene, je ta, da takrat znanstveniki niso imeli dovolj močne znanstvene baze za raziskovanje, namreč ni bilo opreme, ki bi lahko povečala predmet proučevanja. v zahtevani meri in osvetli njihovo strukturo.

Če dogodke pri preučevanju nanoogljikovih spojin uredimo v kronološkem vrstnem redu, potem prvi dokazi izhajajo iz leta 1952, ko sta sovjetska znanstvenika Raduškevič in Lukjanovič opozorila na nanovlakneno strukturo, ki nastane med termično razgradnjo ogljikovega monoksida ( rusko ime- oksid). Struktura, opazovana z opremo za elektronsko mikroskopijo, je imela vlakna s premerom približno 100 nm. Na žalost zadeva ni šla dlje od popravljanja nenavadne nanostrukture in nadaljnje raziskave niso sledile.

Po 25 letih pozabe so se od leta 1974 v časopisih začele pojavljati informacije o obstoju mikrometrskih cevastih struktur iz ogljika. Tako je skupina japonskih znanstvenikov (T. Koyama, M. Endo, A. Oberlin) med raziskavami v letih 1974–1975. Širši javnosti so bili predstavljeni rezultati številnih njihovih raziskav, ki so vsebovale opis tankih cevi s premerom manj kot 100 Å, ki so bile pridobljene iz hlapov med kondenzacijo.

Tudi nastanek votlih struktur z opisom strukture in mehanizma nastajanja, pridobljenega s preučevanjem lastnosti ogljika, so leta 1977 opisali sovjetski znanstveniki z Inštituta za katalizo Sibirske podružnice Akademije znanosti ZSSR.

Å (Agstrom) je enota za merjenje razdalje, ki je enaka 10−10 m. V sistemu SI je enota, ki je po velikosti blizu angstromu, nanometer (1 nm = 10 Å).

Fulereni so votle sferične molekule v obliki žoge ali žoge za ragbi.

In šele potem, ko ga uporabite v svojem znanstveno raziskovanje Z najnovejšo opremo, ki omogoča natančen pregled in osvetlitev ogljikove strukture nanocevk, je japonski znanstvenik Sumio Iijima leta 1991 opravil prve resne študije, s katerimi je bilo mogoče eksperimentalno pridobiti ogljikove nanocevke in jih podrobno preučiti.

Profesor Ijima je v svoji raziskavi uporabil razelektritev električnega obloka za izdelavo prototipa. Prototip je bil natančno premerjen. Njegove dimenzije so pokazale, da premer niti (okvirja) ne presega več nanometrov, dolžine pa od enega do nekaj mikronov. S preučevanjem strukture ogljikove nanocevke so znanstveniki ugotovili, da ima predmet, ki ga proučujemo, lahko od ene do več plasti, sestavljenih iz grafitne šesterokotne mreže, ki temelji na šesterokotnikih. V tem primeru so konci nanocevk strukturno podobni polovici molekule fulerena, prerezani na dva dela.

V času zgornjih študij so že obstajala dela tako znanih znanstvenikov na svojem področju, kot je Jones, L.A. Chernozatonsky, M.Yu. Kornilov, ki je napovedal možnost nastanka te alotropne oblike ogljika, pri čemer je opisal njegovo zgradbo, fizikalne, kemijske in druge lastnosti.

Večplastna struktura nanocevke ni nič drugega kot več enostenskih nanotubulenov, "oblečenih" ena na ena po principu ruske lutke.

Elektrofizikalne lastnosti

Elektrofizikalne lastnosti ogljikove nanocevke so pod natančnim preučevanjem znanstvenih skupnosti po vsem svetu. Z oblikovanjem nanocevk v določenih geometrijskih razmerjih jim je mogoče dati prevodne ali polprevodne lastnosti. Na primer, diamant in grafit sta ogljik, vendar imata zaradi razlik v molekularni zgradbi različne in v nekaterih primerih nasprotne lastnosti. Takšne nanocevke imenujemo kovinske ali polprevodniške nanocevke.

Nanocevke, ki prevajajo električni tok tudi pri absolutni ničelni temperaturi so kovinski. Ničelna prevodnost električnega toka pri absolutni ničli, ki narašča z naraščajočo temperaturo, kaže na znak polprevodniške nanostrukture.

Glavna klasifikacija je razdeljena glede na metodo zgibanja grafitne ravnine. Metoda zgibanja je označena z dvema številkama: "m" in "n", ki določata smer zgibanja vzdolž vektorjev grafitne mreže. Lastnosti nanocevk so odvisne od kotalne geometrije grafitne ravnine; na primer kot zasuka neposredno vpliva na njihove električne lastnosti.

Glede na parametre (n, m) so nanocevke: ravne (ahiralne), nazobčane (»stol«), cik-cak in spiralne (kiralne). Za izračun in načrtovanje električne prevodnosti uporabite formulo za razmerja parametrov: (n-m)/3.

Pri izračunu pridobljeno celo število označuje prevodnost kovinske nanocevke, delno število pa prevodnost polprevodnika. Na primer, vse cevi za fotelje so kovinske. Kovinske ogljikove nanocevke prevajajo električni tok pri absolutni ničli. Nanotubuleni polprevodniškega tipa imajo ničelno prevodnost pri absolutni ničli, ki se povečuje z naraščajočo temperaturo.

Nanocevke s kovinsko prevodnostjo lahko preidejo približno milijardo amperov na kvadratni centimeter. Baker, ki je eden najboljših kovinskih prevodnikov, je v teh indikatorjih več kot tisočkrat slabši od nanocevk. Ko je meja prevodnosti presežena, pride do segrevanja, ki ga spremlja taljenje materiala in uničenje molekularne mreže. To se pri nanotubulenih pod enakimi pogoji ne zgodi. To je razloženo z njihovo zelo visoko toplotno prevodnostjo, ki je dvakrat večja od diamanta.

Tudi po trdnosti nanotubulen pušča daleč za seboj druge materiale. Je 5–10-krat močnejši od najmočnejših jeklenih zlitin (1,28–1,8 TPa po Youngovem modulu) in ima 100-tisočkrat večjo elastičnost kot guma. Če primerjamo kazalnike natezne trdnosti, presegajo podobne lastnosti trdnosti visokokakovostnega jekla za 20–22-krat!

Kako dobiš ZN?

Nanocevke se proizvajajo z visokotemperaturnimi in nizkotemperaturnimi metodami.

Visokotemperaturne metode vključujejo lasersko ablacijo, solarno tehnologijo ali razelektritev z električnim oblokom. Nizkotemperaturna metoda vključuje kemično obarjanje iz parne faze s katalitično razgradnjo ogljikovodikov, katalitske rasti v plinski fazi iz ogljikovega monoksida, proizvodnje z elektrolizo, toplotne obdelave polimerov, lokalne nizkotemperaturne pirolize ali lokalne katalize. Vse metode so težko razumljive, visokotehnološke in zelo drage. Proizvodnjo nanocevk si lahko privošči le veliko podjetje z močno znanstveno bazo.

Poenostavljeno je postopek izdelave nanocevk iz ogljika z obločno metodo naslednji:

Plazmo vbrizgamo v reaktor, segret na določeno temperaturo, z zaprto zanko preko injekcijskega aparata. plinasto stanje. V reaktorju so v zgornjem in spodnjem delu nameščene magnetne tuljave, od katerih je ena anoda, druga pa katoda. V magnetne tuljave se dovaja konstanten električni tok. Plazma v reaktorju je izpostavljena električnemu obloku, ki se vrti in magnetno polje. Pod delovanjem visokotemperaturnega elektroplazemskega obloka se ogljik izhlapi ali "izluži" s površine anode, ki je sestavljena iz materiala, ki vsebuje ogljik (grafita), in kondenzira na katodi v obliki ogljikovih nanocevk, ki jih vsebuje depozit. Da se ogljikovi atomi lahko kondenzirajo na katodi, se temperatura v reaktorju zniža. celo kratek opis Ta tehnologija omogoča ovrednotenje kompleksnosti in stroškov pridobivanja nanotubulenov. Preteklo bo še veliko časa, preden bosta proizvodnja in postopek uporabe dostopna večini podjetij.

Fotogalerija: Shema in oprema za proizvodnjo nanocevk iz ogljika

Naprava za sintezo enostenskih ogljikovih nanocevk z metodo električnega obloka Znanstvena naprava nizke moči za pridobivanje cevastih nanostruktur
Nizkotemperaturna proizvodna metoda

Naprava za proizvodnjo dolgih ogljikovih nanocevk

Ali so strupeni?

Vsekakor da.

V procesu laboratorijskih raziskav so znanstveniki prišli do zaključka, da ogljikove nanocevke negativno vplivajo na žive organizme.

Študije so pokazale, da neposredna interakcija ogljikovih nanocevk z živimi celicami povzroči njihovo smrt. Zlasti enostenske nanocevke imajo močno protimikrobno delovanje. Znanstveniki so začeli izvajati poskuse na razširjeni kulturi kraljestva bakterij (Escherichia coli) E-Coli. Med raziskavo so uporabili enostenske nanocevke s premerom od 0,75 do 1,2 nanometra. Kot so pokazali poskusi, je posledica vpliva ogljikovih nanocevk na živa celica pride do mehanskih poškodb celičnih sten (membran).

Nanocevke, proizvedene z drugimi metodami, vsebujejo veliko število kovine in druge strupene nečistoče. Številni znanstveniki menijo, da sama toksičnost ogljikovih nanocevk ni odvisna od njihove morfologije, ampak je neposredno povezana z nečistočami, ki jih vsebujejo (nanocevke). Vendar pa je delo Yale znanstvenikov na področju raziskav nanocevk pokazalo, da imajo številne skupnosti napačne predstave. Da, bakterije coli(E-Coli) med raziskavo eno uro obdelali z enostenskimi ogljikovimi nanocevkami. Zaradi tega je večina E-Coli umrla. Te študije na področju nanomaterialov so potrdile njihovo toksičnost in negativne učinke na žive organizme.

Znanstveniki so ugotovili, da so enostenske nanocevke najbolj nevarne, kar je posledica sorazmernega razmerja med dolžino ogljikove nanocevke in njenim premerom.

Različne študije o vplivu ogljikovih nanocevk na človeško telo so pripeljale znanstvenike do zaključka, da je učinek enak učinku azbestnih vlaken, ki vstopajo v telo. stopnja negativen vpliv azbestna vlakna so neposredno odvisna od njihove velikosti: manjša je, močnejši je negativni vpliv. In v primeru ogljikovih nanocevk ni dvoma o njihovem negativnem vplivu na telo. Ko vstopi v telo skupaj z zrakom, se nanocevka usede skozi poprsnico v prsnem košu in s tem povzroči resne zaplete, zlasti rakave tumorje. Če nanotubuleni pridejo v telo s hrano, se usedejo na stene želodca in črevesja ter povzročijo razne bolezni in zapleti.

Trenutno znanstveniki izvajajo raziskave o biološki združljivosti nanomaterialov in iščejo nove tehnologije za varno proizvodnjo ogljikovih nanocevk.

Obeti

Ogljikove nanocevke imajo širok spekter uporabe. To je posledica dejstva, da imajo molekularno strukturo v obliki ogrodja, kar jim omogoča, da imajo drugačne lastnosti od diamanta ali grafita. To je zahvaljujoč njihovim značilne značilnosti(trdnost, prevodnost, upogib) se ogljikove nanocevke uporabljajo pogosteje kot drugi materiali.

Ta ogljikov izum se uporablja v elektroniki, optiki, strojništvu itd. Ogljikove nanocevke se uporabljajo kot dodatki k različnim polimerom in kompozitom za povečanje trdnosti molekularnih spojin. Navsezadnje vsi vedo, da ima molekularna mreža ogljikovih spojin neverjetno moč, zlasti v čisti obliki.

Ogljikove nanocevke se uporabljajo tudi pri izdelavi kondenzatorjev in različnih vrst senzorjev, anod, ki so potrebne za izdelavo baterij, kot absorber elektromagnetnega valovanja. Ta ogljikova spojina se pogosto uporablja v proizvodnji telekomunikacijskih omrežij in zaslonov s tekočimi kristali. Nanocevke se uporabljajo tudi kot ojačevalec katalitičnih lastnosti pri proizvodnji svetlobnih naprav.

Komercialna aplikacija

trg	Aplikacija	Lastnosti sestavkov na osnovi ogljikovih nanocevk
Avtomobili	Deli sistema za gorivo in cevi za gorivo (konektorji, deli črpalke, O-obročki, cevi), zunanji deli karoserije za elektrobarvanje (odbijači, ohišja ogledal, pokrovi rezervoarjev za gorivo)	Izboljšano ravnotežje lastnosti v primerjavi s sajami, možnost recikliranja velikih delov, odpornost na deformacije
elektronika	Procesna orodja in oprema, kasete za rezine, tekoči trakovi, povezovalni bloki, oprema za čiste prostore	Povečana čistost mešanic v primerjavi z ogljikovimi vlakni, nadzor upornost površine, obdelovalnost za ulivanje tankih delov, odpornost proti deformacijam, uravnotežene lastnosti, alternativne zmogljivosti plastičnih mešanic v primerjavi z ogljikovimi vlakni

Ogljikove nanocevke niso omejene na določene aplikacije v različnih industrijah. Material je bil izumljen relativno nedavno, zato se trenutno pogosto uporablja v znanstveni razvoj in raziskave v številnih državah po svetu. To je potrebno za podrobnejšo študijo lastnosti in značilnosti ogljikovih nanocevk, pa tudi za vzpostavitev obsežne proizvodnje materiala, saj trenutno zavzema precej šibek položaj na trgu.

Ogljikove nanocevke se uporabljajo za hlajenje mikroprocesorjev

Zaradi dobrih prevodnih lastnosti je uporaba ogljikovih nanocevk v strojništvu široka. Ta material se uporablja kot hladilne naprave za velike enote. To je predvsem posledica dejstva, da imajo ogljikove nanocevke visoko specifično toplotno prevodnost.

Uporaba nanocevk v razvoju računalniška tehnologija igra pomembno vlogo v elektronski industriji. Zahvaljujoč uporabi tega materiala je bila vzpostavljena proizvodnja dokaj ravnih zaslonov. To prispeva k proizvodnji računalniške opreme kompaktnih velikosti, hkrati pa se tehnične lastnosti elektronskih računalnikov ne izgubijo, ampak celo povečajo. Uporaba ogljikovih nanocevk v razvoju računalniške tehnologije in elektronske industrije bo omogočila proizvodnjo opreme, ki bo večkrat boljša v tehnične specifikacije trenutni analogi. Na podlagi teh študij že nastajajo visokonapetostne slikovne cevi.

Prvi procesor za ogljikove nanocevke

Težave z uporabo

Ena od težav pri uporabi nanocevk je negativen vpliv na živih organizmih, kar vzbuja dvom o uporabi tega materiala v medicini. Nekateri strokovnjaki menijo, da lahko v procesu množične proizvodnje ogljikovih nanocevk obstajajo necenjena tveganja. To pomeni, da bo zaradi širitve področij uporabe nanocevk obstajala potreba po njihovi proizvodnji v velikem obsegu in posledično bo nastala nevarnost za okolje.

Znanstveniki predlagajo iskanje načinov za rešitev tega problema z uporabo okolju prijaznejših metod in metod za proizvodnjo ogljikovih nanocevk. Predlagano je bilo tudi, da proizvajalci tega materiala resno pristopijo k vprašanju "čiščenja" posledic procesa CVD, kar lahko posledično vpliva na povečanje stroškov proizvedenih izdelkov.

Fotografija negativnega vpliva nanocevk na celice: a) celice E. coli pred izpostavljenostjo nanocevkam; b) celice po izpostavljenosti nanocevkam

IN sodobni svet Ogljikove nanocevke pomembno prispevajo k razvoju inovativnih tehnologij. Strokovnjaki napovedujejo povečanje proizvodnje nanocevk v prihodnjih letih in znižanje cen teh izdelkov. To pa bo razširilo uporabo nanocevk in povečalo povpraševanje potrošnikov na trgu.

Kot je znano, ogljikove nanocevke (CNT) zaradi svoje nenavadnosti fizikalne in kemijske lastnosti zelo obetaven za različne aplikacije. to nov material je dokazal svojo učinkovitost kot vir oddajanja hladnih elektronov, kot osnova za nove materiale s povečano mehanske lastnosti, kot sorbent za plinaste in tekoče snovi itd. Vendar novi materiali in naprave, ki temeljijo na CNT, še niso razširjeni, kar je posledica visoki stroški in nizka produktivnost obstoječih metod za proizvodnjo CNT v makroskopskih količinah. Za te metode, ki temeljijo na površinskih postopkih termičnega izhlapevanja grafita ali nanosa hlapov ogljik vsebujočih spojin na površino kovinskega katalizatorja, je značilna omejena produktivnost, ki je sorazmerna z aktivno površino. Znatno povečanje produktivnosti sinteze CNT je mogoče doseči s prehodom na množično sintezo. V tem primeru je produktivnost procesa sinteze sorazmerna ne s površino, temveč z volumnom reakcijske komore in lahko znatno presega vrednost, značilno za tradicionalne metode sinteze CNT. Takega prehoda se je nedavno lotila skupina zaposlenih na eni od kanadskih univerz (Université de Sherbrooke), ki je s toplotno plazmo visokofrekvenčnega plazmatrona proizvedla CNT v makroskopskih količinah iz fino razpršenega ogljika.

Namestitev je komercialno izdelan indukcijski plazemski gorilnik, ki ga napaja vir AC moč 60 kW, ki deluje na frekvenci 3 MHz. Plazemski gorilnik vključuje: plazemsko komoro z notranjim premerom 5 cm, reaktor dolžine 50 cm in notranjim premerom 15 cm, komoro za hitro hlajenje, sestavljeno iz dveh dvostenskih cilindričnih segmentov dolžine 20 in 30 cm in notranjega premera. od 15 cm. V območje plazemskega gorilnika se dovajajo trije neodvisni plinski tokovi - aksialni, periferni in nosilni prah. Prvi tok dobi rotacijsko gibanje, ki zagotavlja stabilizacijo plazemskega gorilnika, drugi, laminaren, pa služi za zaščito sten reaktorja pred vročim plinom. Filtrirni sistem, ki služi za ločevanje materiala, ki vsebuje CNT, od hlapnih komponent, ima tri filtrske elemente s premerom 6 cm in dolžino 85 cm na osnovi porozne keramike s premerom por 2,8 mikronov. Ni delci velikosti< 1 мкм, Co размером < 2 мкм, CeO 2 и Y 2 O 3 , подмешиваемые в различных пропорциях при суммарной концентрации на уровне порядка 1 ат % к мелкодисперсному графиту. В качестве буферного газа использовали смесь He-Ar различного состава при полном давлении около 500 Торр. Порошок подавали в плазму со скоростями 1,2 - 2 г/мин. Каждый эксперимент продолжался 20 мин., хотя система допускала непрерывную эксплуатацию в течение 9 часов. В экспериментах использовали 3 типа углеродного порошка различной степени измельченности с размером частиц 75, 45 и 16 нм. Исследования, выполненные методами термогравиметрии и спектроскопии комбинационного рассеяния, показали, что в оптимальных условиях производительность синтеза порошка, содержащего до 40% однослойных УНТ, достигает 100 г/час. При этом оптимальные условия соответствуют чистому гелию, частицам углерода размером 75 нм и скорости их подачи 1,5-2 г/мин. Приведенные показатели заметно превышают результаты, достигнутые при использовании электродугового и лазерного методов синтеза УНТ, при этом нанотрубки по своему качеству лишь немного уступают синтезируемым лазерным методом. Следует отметить, что мелкодисперсный углерод значительно дешевле кристаллического графита, поэтому нанотрубки, полученные в плазме из порошка гораздо дешевле.

A.V.Eletsky

1. K. S. Kim et al. J. Phys. D: 40, 2375 (2007).

Izum se nanaša na tehnologijo ogljikovih nanomaterialov, natančneje na tehnologijo izdelave modificiranih ogljikovih nanocevk.

Ogljikove nanocevke (CNT) se nagibajo k tvorbi aglomeratov, zaradi česar jih je težko porazdeliti v različna okolja. Tudi če so CNT enakomerno porazdeljeni v nekem mediju, na primer z intenzivnim ultrazvokom, po kratkem času spontano tvorijo aglomerate. Za pridobivanje stabilnih CNT disperzij se uporabljajo različni načini modificiranja CNT, ki se izvajajo s pritrjevanjem določenih funkcionalnih skupin na površino CNT, zagotavljanjem združljivosti CNT z okoljem, uporabo površinsko aktivnih snovi in ​​krajšanjem predolgih CNT z različnimi. metode.

V opisu tega izuma izraz »modifikacija« pomeni spremembo narave površine CNT in geometrijskih parametrov posameznih nanocevk. Poseben primer modifikacije je funkcionalizacija CNT, ki je sestavljena iz cepljenja določenih funkcionalnih skupin na površino CNT.

Znana je metoda za modificiranje CNT, ki vključuje oksidacijo CNT pod vplivom različnih tekočih ali plinastih oksidantov (dušikova kislina v obliki tekočine ali pare, vodikov peroksid, raztopine amonijevega persulfata pri različnih pH, ​​ozon, dušik). dioksid in drugi). Obstaja veliko publikacij o tej metodi. Vendar, saj je bistvo različne metode Oksidacija ogljikovih nanocevk je enaka, in sicer oksidacija površine ogljikovih nanocevk s tvorbo površinskih hidroksilnih in karboksilnih skupin, kar daje razlog, da različne opisane metode obravnavamo kot različice ene metode. Tipičen primer je objava Datsyuk V., Kalyva M., Papagelis K., Parthenios J., Tasis D., Siokou A., Kallitsis I., Galiotis C. Chemical oxidation of multiwalled carbon nanotubes //Carbon, 2008, vol.46, str.833-840, ki opisuje več možnosti (z uporabo dušikova kislina, vodikov peroksid in amonijev persulfat).

Skupna bistvena značilnost obravnavane metode in zahtevanega izuma je obdelava ogljikovih nanocevk z raztopino oksidanta.

Za obravnavano metodo je značilna nezadostna učinkovitost za cepitev CNT aglomeratov in doseganje dobre disperzibilnosti oksidiranih CNT v vodi in polarnih organskih topilih. Praviloma so ogljikove nanocevke, oksidirane po znanih metodah, dobro dispergirane v vodi in polarnih organskih topilih (pod vplivom ultrazvoka) le pri zelo nizki koncentraciji nanocevk v tekočini (običajno reda 0,001-0,05% teže) . Ko je mejna koncentracija presežena, se nanocevke zberejo v velike aglomerate (kosmiče), ki se oborijo.

V številnih delih, na primer Wang Y., Deng W., Liu X., Wang X. Electrochemical hydrogen storage properties of ball-mill multi-wall carbon nanotubes //International journal of hydrogen energy, 2009, vol.34 , str. 1437-1443; Lee J., Jeong T., Heo J., Park S.-H., Lee D., Park J.-B., Han H., Kwon Y., Kovalev I., Yoon S.M., Choi J.-Y ., Jin Y., Kirn J.M., An K.H., Lee Y.H., Yu S. Kratke ogljikove nanocevke, proizvedene s kriogenim drobljenjem //Carbon, 2006, vol.44, str.2984-2989; Konya Z., Zhu J., Niesz K., Mehn D., Kiricsi I. Končna morfologija kroglično brušenih ogljikovih nanocevk //Carbon, 2004, vol.42, str.2001-2008, opisuje metodo za spreminjanje CNT s krajšanjem kar dosežemo s podaljšano mehansko obdelavo CNT v tekočinah ali zamrznjenih matricah. Skrajšani CNT imajo boljšo disperzibilnost v tekočinah in boljše elektrokemijske lastnosti.

Skupne bistvene značilnosti obravnavane in predlagane metode so mehanska obdelava CNT, razpršenih v poljubnem mediju.

Slabost obravnavane metode je, da ne zagotavlja funkcionalizacije CNT s polarnimi skupinami, zaradi česar tako obdelane CNT še vedno niso dobro dispergirane v polarnih medijih.

Najbližje predloženemu izumu je metoda, opisana v delu Chiang Y.-C., Lin W.-H., Chang Y.-C. Vpliv trajanja obdelave na večstenske ogljikove nanocevke, funkcionalizirane z oksidacijo H2SO4/HNO3 //Applied Surface Science, 2011, vol.257, str.2401-2410 (prototip). Po tej metodi se modifikacija CNT doseže z njihovo globoko oksidacijo med dolgotrajnim vrenjem v vodni raztopini, ki vsebuje žveplovo in dušikovo kislino. Pri tem na površino CNT najprej cepimo polarne funkcionalne skupine (zlasti karboksilne skupine) in z dovolj dolgim ​​časom obdelave dosežemo skrajšanje nanocevk. Hkrati so opazili tudi zmanjšanje debeline nanocevk zaradi popolne oksidacije površinskih plasti ogljika v ogljikov dioksid. Različice te metode so opisane v drugih virih, na primer v omenjenem članku Datsyuk V., Kalyva M. et al., kot tudi Ziegler K.J., Gu Z., Peng H., Flor E.L., Hauge R.H., Smalley R.E. Kontrolirano oksidativno rezanje enostenskih ogljikovih nanocevk // Journal of American Chemical Society, 2005, številka 5, str. Objavljeni viri kažejo, da imajo skrajšane oksidirane ogljikove nanocevke povečano sposobnost disperzije v vodi in polarnih organskih topilih.

Skupna bistvena značilnost predlagane metode in prototipne metode je obdelava CNT vodna raztopina oksidant. Inventivna in prototipna metoda se ujemata tudi v doseženem rezultatu, in sicer dosežemo cepljenje polarnih funkcionalnih skupin na površino CNT sočasno s krajšanjem dolgih CNT.

Slabosti prototipne metode so potreba po uporabi velikega presežka kislin, kar podraži proces in ustvarja okoljske težave pri odlaganju odpadkov, ter oksidacija dela ogljikovih nanocevk v ogljikov dioksid, kar zmanjša izkoristek končnega produkta (modificiranih ogljikovih nanocevk) in ga podraži. Poleg tega je to metodo težko skalirati. V laboratorijskih pogojih se lahko uporabljajo stekleni instrumenti, vendar je za pilotno proizvodnjo boljša oprema iz nerjavečega jekla. Kuhanje nanocevk v kislinskih raztopinah povzroča problem odpornosti opreme proti koroziji.

Osnova predloženega izuma je naloga odpraviti pomanjkljivosti znane metode z izbiro oksidacijskega reagenta in pogojev oksidacije.

Problem rešuje dejstvo, da po metodi modificiranja ogljikovih nanocevk, ki vključuje obdelavo ogljikovih nanocevk z vodno raztopino oksidanta, poteka obdelava ogljikovih nanocevk z vodno raztopino oksidanta hkrati z mehansko obdelavo. obdelavo, raztopino persulfata ali hipoklorita pri pH nad 10 pa uporabimo kot oksidacijsko sredstvo.

Mehanska obdelava se izvaja z mlinom za kroglice.

Oksidacijsko sredstvo vzamemo v količini, ki ustreza 0,1 do 1 g atoma aktivnega kisika na 1 g ogljikovega atoma nanocevk.

Presežek hipoklorita v reakcijski mešanici pri pH nad 10 odstranimo z dodatkom vodikovega peroksida.

Izvajanje obdelave ogljikovih nanocevk z vodno raztopino oksidanta hkrati z mehansko obdelavo in uporabo raztopine persulfata ali hipoklorita kot oksidanta pri pH nad 10 odpravlja potrebo po uporabi velikega presežka kislin, kar podraži proces in ustvarja okoljske probleme pri odlaganju odpadkov ter izgubo končnega izdelka zaradi oksidacije dela ogljika nanocevk v ogljikov dioksid.

Za mehansko obdelavo lahko uporabimo v stroki znane naprave, kot so biserni mlin, vibracijski mlin, kroglični mlin in druge podobne naprave. Pravzaprav je mlin za kroglice ena najprimernejših naprav za reševanje naloge.

Kot oksidanti se lahko uporabljajo amonijev persulfat, natrijev persulfat, kalijev persulfat, natrijev hipoklorit, kalijev hipoklorit. Najučinkovitejša zahtevana metoda se izvaja pri obdelavi ogljikovih nanocevk z raztopino oksidanta pri pH nad 10. Pri nižjem pH se lahko pojavi korozija opreme in neustrezna razgradnja oksidanta s sproščanjem klora (iz hipoklorita) oz. kisika (iz persulfata). Zahtevano vrednost pH lahko nastavite tako, da raztopini dodate znane snovi, ki imajo alkalno reakcijo, na primer amoniak, natrijev karbonat, kalijev karbonat, natrijev hidroksid, kalijev hidroksid in druge alkalne snovi, ki ne reagirajo z oksidantom pod pogoji obdelave. V tem primeru je treba upoštevati znane podatke, da hipoklorit reagira z amoniakom. Zato amoniaka ni mogoče uporabiti v hipokloritnem sistemu. Pri uporabi persulfata za vzpostavitev alkalnega pH lahko uporabimo vse naštete snovi.

Za izvedbo predlagane metode je optimalna količina oksidanta enaka 0,1 do 1 g atoma aktivnega kisika na 1 g ogljikovega atoma nanocevk. Ko je količina oksidanta manjša od določene spodnje meje, so nastale modificirane ogljikove nanocevke slabše razpršene v vodi in polarnih organskih topilih. Preseganje količine oksidanta nad navedeno zgornjo mejo je neizvedljivo, saj sicer pospeši proces oksidacije nanocevk, vendar ne izboljša koristnega učinka.

Za izvedbo predlagane metode so bili uporabljeni naslednji vhodni materiali in oprema:

Ogljikove nanocevke blagovnih znamk Taunit in Taunit-M proizvaja NanoTechCenter LLC, Tambov.

Amonijev persulfat, analitske stopnje.

Natrijev hipoklorit po GOST 11086-76 v obliki vodne raztopine, ki vsebuje 190 g/l aktivnega klora in 12 g/l prostega natrijevega hidroksida.

Vodna raztopina amoniaka 25 % analitske stopnje.

Brezvodni natrijev karbonat, analitske stopnje.

Destilirana voda.

Dimetilacetamid, analitska stopnja.

Etilni alkohol 96%.

Horizontalni biserni mlin MShPM-1/0,05-VK-04 proizvajalca NPO DISPOD. Kot mletje smo uporabili kroglice iz cirkonijevega dioksida s premerom 1,6 mm.

Ultrazvočna naprava IL-10.

V 4-litrsko posodo iz nerjavečega jekla smo nalili 1460 ml destilirane vode in raztopili 228,4 g amonijevega persulfata, nato pa dodali 460 ml 25% amoniaka. Tej raztopini dodamo 1099 g vodne paste ogljikovih nanocevk Taunit-M (očiščene mineralnih primesi z obdelavo s klorovodikovo kislino), ki vsebuje 5,46 % suhe snovi, in temeljito premešamo, dokler ne nastane homogena suspenzija. Nastalo suspenzijo smo naložili v kroglični mlin s kroglicami cirkonijevega dioksida s premerom 1,6 mm in obdelovali 7 ur. Nato obdelano suspenzijo odstranimo, filtriramo iz kroglic, nakisamo s klorovodikovo kislino do kisle reakcije, filtriramo skozi filter iz netkanega polipropilenskega materiala in izperemo z vodo, dokler izpiralna voda ni bila nevtralna. Izprano usedlino smo odsesali v vakuumu in zapakirali v zaprto plastično posodo. Masna vsebnost suhe snovi (nanocevk) v nastali pasti je bila 8,52 % (ostalo je bila voda). Nastali produkt smo sušili v sušilniku pri 80°C do konstantne teže.

Za testiranje topnosti (disperzibilnosti) smo vzorec CNTM-1 z ultrazvočno obdelavo dispergirali v vodi ali organskih topilih. Poskusi so pokazali, da so CNT-1 dobro topni v vodi, po možnosti pri bazičnem pH (ki ga ustvari dodatek amoniaka ali organskih baz). Dodatek baze spodbuja nastanek stabilne raztopine (disperzije) modificiranih nanocevk, saj vodi do ionizacije površinskih karboksilnih skupin in pojava negativnega naboja na nanocevkah.

Tako smo dobili stabilno vodno raztopino (kot je razvidno iz prosojnosti raztopine in odsotnosti kosmičev), ki je vsebovala 0,5 % CNTM-1 v prisotnosti 0,5 % trietanolamina kot pH regulatorja. Meja topnosti CNTM-1 v tem sistemu je približno 1 %; ko je ta koncentracija presežena, se pojavijo vključki gela.

V dimetilacetamidu (brez tujih dodatkov) smo z ultrazvočno obdelavo dobili stabilne prozorne raztopine CNTM-1 z masnimi koncentracijami 1 in 2%. V tem primeru dimetilacetamid, ki je sam po sebi šibka baza, učinkovito raztopi CNTM-1 brez dodajanja tujih regulatorjev pH. 1 % raztopina je bila med skladiščenjem neomejeno stabilna, po nekaj dneh pa je 2 % raztopina začela kazati znake tiksotropije, vendar brez tvorbe aglomeratov.

V 4-litrsko posodo iz nerjavečega jekla smo nalili 2,7 l destilirane vode, dodali 397,5 g brezvodnega natrijevega karbonata in mešali, dokler se popolnoma ne raztopi. Po raztapljanju natrijevega karbonata smo vlili raztopino natrijevega hipoklorita (0,280 l) in zmes temeljito premešali. Nato postopoma, med mešanjem, dodamo 60 g surovega Taunit-M (ki vsebuje približno 3 mas. % nečistoč katalizatorja, pretežno magnezijevega oksida) in mešamo do homogene suspenzije. To suspenzijo smo naložili v kroglični mlin s kroglicami cirkonijevega oksida premera 1,6 mm in obdelovali 7 ur. Nato obdelano suspenzijo raztovorimo, filtriramo iz kroglic, nakisamo s klorovodikovo kislino do kisle reakcije in pustimo 3 dni pri sobni temperaturi, da se popolnoma raztopijo ostanki katalizatorja in morebitne nečistoče železovih spojin (iz telesa in prstov bidalnega mlina) . Tako so nanocevke sočasno kislinsko očistili nečistoč katalizatorja. Nastalo kislo suspenzijo smo filtrirali skozi filter iz netkanega polipropilenskega materiala in izpirali z vodo, dokler ni bila izpiralna voda nevtralna. Izprano usedlino smo odsesali v vakuumu in zapakirali v zaprto plastično posodo. Masna vsebnost suhe snovi (nanocevk) v nastali pasti je bila 7,33 % (ostalo je bila voda). Nastali produkt smo sušili v sušilniku pri 80°C do konstantne teže.

Če je količina hipoklorita v reakcijski zmesi z nanocevkami prevelika, to pospeši oksidacijo površine nanocevk, vendar ustvari okoljski problem, ker ko je zmes nakisana, nezreagirani hipoklorit sprosti klor, v skladu z reakcijsko enačbo:

2NaOCl+2НCl→2NaCl+Н 2 O+Сl 2

Da nevtraliziramo presežek hipoklorita, reakcijski zmesi dodamo vodikov peroksid pri pH nad 10. Kot smo ugotovili, pride do naslednje reakcije:

NaOCl+H 2 O 2 → NaCl+H 2 O+O 2

Posledično nastanejo neškodljivi produkti.

Za testiranje topnosti (disperzibilnosti) smo vzorec CNTM-1 z ultrazvočno obdelavo dispergirali v vodi ali organskih topilih. Poskusi so pokazali, da so CNTM-1 dobro topni v vodi, po možnosti pri bazičnem pH (ki ga ustvarimo z dodatkom amoniaka ali trietanolamina). Dodatek baze spodbuja nastanek stabilne raztopine (disperzije) modificiranih nanocevk, saj vodi do ionizacije površinskih karboksilnih skupin in pojava negativnega naboja na nanocevkah.

Tako smo dobili stabilno vodno raztopino (kot je razvidno iz prosojnosti raztopine in odsotnosti kosmičev), ki je vsebovala 0,5 % CNTM-1 v prisotnosti 0,5 % trietanolamina kot pH regulatorja. Meja topnosti CNTM-1 v tem sistemu je približno 1 %; ko je ta koncentracija presežena, se pojavijo vključki gela.

V dimetilacetamidu (brez tujih dodatkov) smo z ultrazvočno obdelavo dobili stabilne prozorne raztopine CNTM-1 z masnimi koncentracijami 1 in 2%. V tem primeru dimetilacetamid, ki je sam po sebi baza, učinkovito raztopi CNTM-1 brez dodajanja tujih regulatorjev pH; , vendar brez tvorbe aglomeratov.

Za primerjavo smo proučevali topnost (pod vplivom ultrazvoka pri enakih pogojih) v istih topilih ogljikovih nanocevk Taunit-M, oksidiranih po postopku, podanem v prototipni metodi, z mešanico dušikove in žveplove kisline brez mehanskega delovanja. zdravljenje. Eksperimenti so pokazali, da imajo CNT, oksidirane s presežkom dušikove kisline brez mehanske obdelave, enako topnost kot tiste, pridobljene po predloženem izumu. Vendar je predlagana metoda enostavna za merjenje, ni težav s korozijsko odpornostjo opreme in okoljske težave z nevtralizacijo odpadkov. Postopek mehanokemijske obdelave po zahtevani metodi poteka pri sobni temperaturi. Prototipna metoda zahteva uporabo tako velikega presežka dušikove in žveplove kisline, da je njegovo skaliranje in zagotavljanje okoljske varnosti zelo problematično.

Predstavljeni podatki potrjujejo učinkovitost predlagane metode za proizvodnjo modificiranih CNT. V tem primeru se ne uporabljajo agresivne kislinske raztopine, kot pri prototipni metodi, izguba ogljika iz nanocevk zaradi oksidacije v ogljikov dioksid (karbonat v alkalni raztopini) pa praktično ni.

Tako predlagana metoda omogoča pridobivanje modificiranih ogljikovih nanocevk, ki imajo dobro disperzibilnost v vodi in polarnih organskih topilih, jih je mogoče enostavno povečati in zagotavlja okolju prijazno proizvodnjo.

1. Postopek za modificiranje ogljikovih nanocevk, vključno z obdelavo ogljikovih nanocevk z vodno raztopino oksidacijskega sredstva, označen s tem, da se obdelava ogljikovih nanocevk z vodno raztopino oksidacijskega sredstva izvaja sočasno z mehansko obdelavo in raztopino persulfat ali hipoklorit se uporablja kot oksidacijsko sredstvo pri pH več kot 10, oksidacijsko sredstvo pa se vzame v količini, ki je enaka 0,1 do 1 g-atoma aktivnega kisika na 1 g-atoma ogljikovih nanocevk.

2. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da se mehanska obdelava izvede z uporabo bisernega mlina.

3. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da presežek hipoklorita v reakcijski mešanici pri pH nad 10 odstranimo z dodatkom vodikovega peroksida.

Podobni patenti:

Izum se nanaša na porozni ogljikov kompozitni material. Porozni ogljikov kompozitni material je oblikovan iz (A) poroznega ogljikovega materiala, pridobljenega iz materiala rastlinskega izvora z vsebnostjo silicija (Si) 5 masnih % ali več kot izvorni material, pri čemer ima omenjeni porozni ogljikov material vsebnost silicija 1 masni % ali manj, in (B) funkcionalni material, podprt na poroznem ogljikovem materialu, in ima specifično površino 10 m2/g ali več, ki je določena z adsorpcijo dušika po metodi BET, in prostornino por 0,1 cm3/g ali več, ki se določi z metodo BJH in metodo MP.

Izum se nanaša na kemično industrijo. Ogljikovo-kovinski material v obliki mešanice ogljikovih vlaken in delcev niklja, inkapsuliranih v nestrukturiran ogljik s premerom od 10 do 150 nanometrov, pridobivajo s katalitično pirolizo etanola pri atmosferskem tlaku.

Izum se lahko uporablja pri izdelavi kompozitnih materialov. Začetni ogljikovi nanomateriali, kot so nanocevke, nanofilamenti ali nanovlakna, se obdelajo v mešanici dušika in klorovodikova kislina pri temperaturi 50-100°C vsaj 20 minut, speremo z vodo in posušimo.

Izum se nanaša na področje fizikalne in koloidne kemije in se lahko uporablja pri pripravi polimernih sestavkov. Fino dispergirana organska suspenzija nanostruktur, ki vsebujejo kovino ogljika, je pridobljena z interakcijo nanostruktur in polietilen poliamina.

Izum se nanaša na petrokemično industrijo in plazemsko kemijo in se lahko uporablja za plazemsko obdelavo in odstranjevanje odpadkov iz rafiniranja nafte. Tekoča ogljikovodikova surovina 5 se razgradi z električno razelektritvijo v napravi za razelektritev, ki se nahaja v vakuumski komori 6.

Izum se nanaša na področje nanotehnologije, natančneje na metode polnjenja notranjih votlin nanocevk. kemikalije, in se lahko uporablja za polnjenje notranjih votlin nanocevk s potrebno snovjo pri njihovi uporabi v obliki nanokontejnerjev in za proizvodnjo nanomaterialov z novimi uporabnimi lastnostmi.

Izum se nanaša na elektronsko grafensko napravo. Fleksibilna in raztegljiva elektronska naprava, ki prepušča svetlobo, obsega prvo grafensko elektrodo, drugo grafensko elektrodo, grafenski polprevodnik in kontrolno grafensko elektrodo, nameščeno med prvo in drugo grafensko elektrodo in v stiku z grafenskim polprevodnikom.

Uporaba: za proizvodnjo novih izdelkov nanoelektronike v zaprtem ciklu. Bistvo izuma je v tem, da v nanotehnološkem kompleksu, ki temelji na ionski in sondni tehnologiji, vključuje razdelilno komoro s črpalnimi sredstvi, v kateri je nameščen centralni robotski razdelilnik z možnostjo aksialne rotacije, ki vsebuje prijemalo nosilcev substrata. , medtem ko razdelilna komora vsebuje prirobnice, s katerimi je povezana z nakladalno komoro in modulom za ionsko implantacijo, ima zajem substratnih nosilcev možnost interakcije z nakladalno komoro in modulom za ionsko implantacijo, uveden je bil merilni modul, vključno z vrstični sondni mikroskop in modul ionskega žarka s sistemom plinskih injektorjev, pri čemer sta povezana s prirobnicami razdelilne komore in imata možnost interakcije z zajemom substratnih nosilcev. Organska fotovoltaična naprava, metoda njene izdelave in uporaba modifikatorjev, ki vsebujejo fluor, za izboljšanje lastnosti organskih sončnih celic // 2528416

Izum se nanaša na področje organske elektronike, in sicer na organske fotovoltaične naprave (sončne baterije in fotodetektorje), izdelane z uporabo organskih spojin, ki vsebujejo fluor, kot modifikacijskih dodatkov.

Izum se nanaša na področje kemije, biologije in molekularne medicine, in sicer na metodo za izdelavo nanodimenzionalnega sistema za dostavo nukleozid trifosfatov. Metoda vključuje modificiranje nosilca, ki uporablja amino vsebujoče nanodelce silicijevega dioksida do velikosti 24 nm, tako da slednje obdelamo z N-hidroksisukcinimidnim estrom alifatske azidokisline, nato pa pridobimo modificiran nukleozid trifosfat (pppN) z obdelavo slednjega z mešanico trifenilfosfina/ditiodipiridina, čemur sledi inkubacija nastalega aktivnega derivata pppN s 3-propiniloksipropilaminom in kasnejša imobilizacija modificiranega pppN na nastalih z azidom modificiranih nanodelcih 2-4 ure.

Izum se lahko uporablja v kemični industriji za fino čiščenje plinskih mešanic, ki vsebujejo vodik, iz ogljikovih oksidov s hidrogeniranjem v metan. Izum se nanaša na postopek izdelave katalizatorja za postopek metanacije, ki vključuje impregnacijo nosilca na osnovi aktivnega aluminijevega oksida v obliki granul v raztopini, ki vsebuje nikljev nitrat, čemur sledi sušenje pri temperaturi 100°C - 120°C. C in žganje pri temperaturi 450 ° C-500 ° C impregniranega nosilca, medtem ko se v raztopino nikljevega nitrata vnese modifikacijski dodatek - organska kislina s koncentracijo 0,5-20,0 mas.%, Končni katalizator pa vsebuje Monokristaliti NiO s povprečno velikostjo vzorca v območju 2-3 nanometrov, s koncentracijo NiO 12,0-25,0 mas.% in γ-Al2O3 - ostalo. Tehnični rezultat je ustvarjanje metode za proizvodnjo metanacijskega katalizatorja s povečano zanesljivostjo in aktivnostjo, kar omogoča zmanjšanje stroškov in skrajšanje časa za izvedbo metode. 2 plača datoteke, 1 tabela, 13 pr.

Izum je mogoče uporabiti za proizvodnjo modificiranih ogljikovih nanocevk. Metoda modificiranja ogljikovih nanocevk vključuje obdelavo ogljikovih nanocevk z vodno raztopino oksidanta, ki je raztopina persulfata ali hipoklorita pri pH nad 10, ki se izvaja sočasno z mehansko obdelavo. Izum omogoča pridobivanje modificiranih ogljikovih nanocevk z dobro disperzibilnostjo v vodi in polarnih organskih topilih z majhno porabo reagentov v primerjavi z znanimi metodami. 2 plača f-ly, 2 ave.

Ogljikove nanocevke so znane po svojih edinstvenih mehanskih, električnih in toplotnih lastnostih, primerne za širok spekter uporabe polimerov. Na posamezni konstrukciji sta bila izmerjena Youngov modul 1000 GPa in natezna trdnost 60 GPa. Ti kazalniki so za več vrst velikosti višji od tistih pri običajni inženirski plastiki. Eksperimentalno sta bili ugotovljeni tudi visoki električni in toplotni prevodnosti, katerih vrednosti se približujejo ali presegajo vrednosti kovin. Ta kombinacija lastnosti in oblike izdelka, združljiva s sodobnimi tehnologijami predelave polimerov, zagotavlja ustvarjanje novih konstrukcijskih materialov.

Komercialna aplikacija
Uporaba ogljikovih nanocevk za dodajanje antistatičnih in prevodnih lastnosti polimerom je zdaj komercialna praksa in se širi v industrije, kot sta elektronika in avtomobilska industrija. Slika 1 prikazuje tipično sliko prevodnosti inženirskega termoplasta. Polnjenje za doseganje električnega prenosa v primeru večstenskih ogljikovih nanocevk je lahko 5-10-krat manjše kot pri prevodnih sajah. Podobne primerjave so narejene pri termoreaktivnih smolah, kot je epoksi, vendar pri bistveno nižjem polnjenju. Ta pojav je mogoče razložiti s teorijo perkolacije: pot za pretok elektronov se ustvari, ko so delci zelo blizu drug drugemu ali so dosegli prag perkolacije. Strukture vlaken z visokim razmerjem (dolžina/premer) povečajo število električnih kontaktov in zagotavljajo bolj enotno pot. Geometrično razmerje ogljikovodikovih nanocevk v končnem izdelku (kot so brizgani deli) je običajno večje od 100 v primerjavi s kratkimi ogljikovimi vlakni (<30) и техническим углеродом (>1). To pojasnjuje nižji odmerek, potreben za določeno upornost. Perkolacijsko obnašanje se lahko razlikuje glede na vrsto smole, viskoznost in metodo predelave polimera.

riž. 1. Odvisnost električne prevodnosti od vsebnosti ogljikovih polnil: ogljikove nanocevke, visoko prevodne saje, standardne saje.

Zmanjšana vsebnost polnila lahko zagotovi številne prednosti, kot so izboljšana obdelava, videz površine, zmanjšano povešanje, povečana sposobnost ohranjanje mehanskih lastnosti prvotnega polimera. Te prednosti so omogočile uvedbo večstenskih ogljikovih nanocevk v prevodne polimerne aplikacije, tabela 1. V teh aplikacijah lahko tekmujejo z dodatki, kot so visoko prevodne saje in ogljikova vlakna, na podlagi cene/učinkovitosti ali na podlagi edinstvenega lastnosti, ki jih ni mogoče doseči ali uskladiti s specifikacijami izdelka.

Tabela 1. Komercialne uporabe prevodnih polimerov z večstenskimi ogljikovimi nanocevkami.

trg	Aplikacija	Lastnosti sestavkov na osnovi ogljikovih nanocevk
Avtomobili	Deli sistema za gorivo in cevi za gorivo (konektorji, deli črpalke, O-obročki, cevi), zunanji deli karoserije za elektrobarvanje (odbijači, ohišja ogledal, pokrovi rezervoarjev za gorivo)	Izboljšano ravnotežje lastnosti v primerjavi s sajami, možnost recikliranja velikih delov, odpornost na deformacije
elektronika	Procesna orodja in oprema, kasete za rezine, tekoči trakovi, povezovalni bloki, oprema za čiste prostore	Izboljšana čistost spojin v primerjavi z ogljikovimi vlakni, nadzor površinske upornosti, sposobnost obdelave za ulivanje tankih delov, odpornost proti deformacijam, uravnotežene lastnosti, alternativne zmogljivosti plastičnih spojin v primerjavi z ogljikovimi vlakni

Vključitev večstenskih ogljikovih nanocevk v plastiko ali elastomere temelji na razmeroma standardnih napravah, ki se uporabljajo v gumijastih mešanicah in termoplastih, kot so fini vijačni ekstruderji in zaprti mešalniki gume. Večstenske ogljikove nanocevke Nanocyl so na voljo v obliki prahu (Nanocyl® 7000) ali termoplastičnih koncentratov (PlastiCyl™).

Uporaba kompozitnih materialov za konstrukcijske namene
Izjemna moč ogljikovih nanocevk ima koristne aplikacije pri ustvarjanju različne vrstešportni izdelki na osnovi kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken in epoksi smol. Za lažjo vključitev in izboljšanje vezave z vezivno fazo (kot je epoksi ali poliuretan) so ogljikove nanocevke običajno kemično modificirane na površini. Običajno izboljšanje, izmerjeno na kompozitnem materialu, ojačenem z vlakni, je 10 do 50 % trdnosti in žive obremenitve. Ta stopnja ojačitve je lahko pomembna za določen kompozitni material, običajno omejena z lastnostmi smole.

Nova dogajanja
Mreža izjemno tankih prevodnih struktur, kot so ogljikove nanocevke, ponuja tudi nove priložnosti v tehnologiji tankih filmov, vključno z antistatičnimi prozornimi in prevodnimi premazi s trajno prevodnostjo, izboljšanimi mehanskimi lastnostmi in povečano kemično odpornostjo. Trenutno se razvijajo visoko prevodne tehnologije prozornih filmov, ki bodo v bližnji prihodnosti tekmovale s tehnologijami kovinskega oksida, kot je tehnologija razprševanja z indij-kositrovim oksidom, ki se danes uporablja za izdelavo prozornih elektrod v ploščatih zaslonih in bolj omejenih oblikah, kot so upogljivi zasloni.
Razvita sodobna tehnologija proizvodnja papirja z uporabo večstenskih ogljikovih nanocevk. Tak papir se uporablja za ustvarjanje bolj prožne toplotne zaščitne prevleke za zaščito avtomobilskih ogledal pred zaledenitvijo, talnim gretjem in drugimi grelnimi napravami.
Potekajo raziskave novih lastnosti, pridobljenih z manjšimi dodatki večstenskih ogljikovih nanocevk polimerom, kot sta požarna odpornost in odpornost proti gnitju, kar bi lahko vodilo v razvoj novih izdelkov, ki so bolj skladni s sodobnimi okoljskimi zahtevami in so izboljšani. učinkovitost v primerjavi z obstoječimi materiali, ob upoštevanju prihrankov stroškov.

Ojačani elastomeri
Saje in druga praškasta polnila se pogosto uporabljajo za ojačitev gume v pnevmatikah in drugi industrijski gumi. Sestavek lahko vsebuje visoko obremenitev polnil za povečanje trdnosti in togosti na zahtevano raven (več kot 50 % teže), vendar lahko pri nekaterih aplikacijah manjka elastičnost. Zamenjava 5-10 % polnila z večstenskimi ogljikovimi nanocevkami, kot je Nanocyl® 7000, lahko zagotovi visoko zmogljive elastomere s podobnimi stopnjami trdnosti in togosti z izboljšano elastičnostjo, kar predstavlja novo ravnovesje mehanskih lastnosti, ki ni primerljivo s tradicionalnimi materiali.

Uporaba ogljikovih nanocevk v komercialne namene je zdaj realnost in vzbuja vse večjo pozornost. To pomeni, da jih industrija sprejema kot komponento z dodano vrednostjo, ki tekmuje z drugimi možnostmi, ki jih urejajo industrijski standardi. Trenutno potekajo raziskave novih koristnih in nepredvidljivih lastnosti ogljikovih nanocevk, ki bodo razširile njihov prodor v industrijo polimerov.