Способ получения модифицированных углеродных нанотрубок

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для усиления механических свойств композиционных материалов на основе эпоксидных смол, модификации клеевых составов, получения суперконденсаторов. В ультразвуковом концентраторе обрабатывают раствор, содержащий мочевину и/или тиомочевину, воду и концентрированную минеральную кислоту. Затем добавляют фторированные углеродные нанотрубки в количестве, обеспечивающем их концентрацию в растворе 1-2 мг/г. Обработанный раствор разбавляют и фильтруют с промывкой водой до нейтральной кислотности. Отфильтрованные модифицированные углеродные нанотрубки разбавляют водой, обрабатывают в ультразвуковой ванне и снова разбавляют водой. Полученный раствор фильтруют с промывкой ацетоном. Модифицированные мочевиной и/или тиомочевиной углеродные нанотрубки сушат. При необходимости их можно дополнительно функционализировать водорастворимыми эпоксидными смолами, например ДЭГ-1, ТЭГ-1 или эпоксидно-гидантоиновой смолой ЭГ-10. Увеличивается выход конечного продукта, снижаются энергозатраты и сокращается период времени для получения модифицированных углеродных нанотрубок. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к способу получения модифицированных углеродных нанотрубок (УНТ), содержащих мочевину и/или тиомочевину, предназначенных для усиления механических свойств композиционных материалов на основе эпоксидных смол, модификации различных клеевых составов, для получения суперконденсаторов и др.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен способ получения дисперсий УНТ, включающий функционализацию углеродных нанотрубок карбоксильными и/или гидроксильными группами и последующую обработку функционализированных нанотрубок в органическом растворителе ультразвуком. При этом обработку в органическом растворителе ультразвуком ведут в присутствии продуктов реакции тетрабутилтитаната со стеариновой или олеиновой кислотой. (RU 2531172 С2, опубл. 20.10.2014).

Недостатком известного способа получения дисперсий углеродных нанотрубок является высокие энергозатраты и длительность получения дисперсии.

Кроме того, известен способ замещения фтора во фторированных углеродных нанотрубках (F-УНТ) путем химических реакций с различными реагентами, такими как амины, амиды, аминокислоты, аминоспирты и др. (В.Н. Хабашеску, Ковалентная функционализация углеродных нанотрубок: синтез, свойства и применение фторированных производных, Обзор. Успехи химии 80 (8), 2011, с. 739-760, прототип).

Недостатком способа замещения фтора во фторированных углеродных нанотрубках является высокие энергозатраты и длительность получения композитного материала, сшивки трубок полимерными цепями, например, при использовании мочевины.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного изобретения является разработка способа получения модифицированных УНТ при ковалентной функционализации F-УНТ мочевиной и/или тиомочевиной с последующей модификацией этих продуктов водорастворимыми эпоксидными смолами.

Техническим результатом изобретения является снижение энергозатрат и времени получения модифицированных УНТ, при высоком выходе конечного продукта.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ получения модифицированных УНТ включает следующие этапы:

а) Обработка в ультразвуковом концентраторе раствора, содержащего мочевину и/или тиомочевины, воду и концентрированную минеральную кислоту, с добавкой в раствор F-УНТ;

b) Разбавление обработанного раствора, содержащего модифицированные углеродные нанотрубки, и его фильтрование с промывкой водой до нейтральной кислотности;

c) Разбавление водой отфильтрованных модифицированных УНТ с последующей обработкой водного раствора в ультразвуковой ванне;

d) Разбавление водой обработанных модифицированных углеродных нанотрубок, фильтрование водного раствора модифицированных углеродных нанотрубок с промывкой ацетоном и сушка модифицированных углеродных нанотрубок.

Применяют однослойные или многослойный F-УНТ. Концентрация F-УНТ в растворе составляет 1-2 мг/г.

В качестве концентрированных минеральных кислот применяют соляную, серную, азотную кислоты и другие известные минеральные кислоты. Дополнительно осуществляют следующие этапы:

a) Обработка в ультразвуковом концентраторе раствора, содержащего модифицированные мочевиной и/или тиомочевиной УНТ, водорастворимую эпоксидную смолу и воду;

b) Фильтрование обработанного раствора, содержащего модифицированные УНТ, с промывкой водой до исчезновения окраски в фильтрате;

c) Разбавление водой отфильтрованных модифицированных УНТ с последующей обработкой водного раствора в ультразвуковой ванне;

d) Фильтрование водного раствора модифицированных УНТ с промывкой ацетоном и сушка модифицированных углеродных нанотрубок.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в качестве водорастворимых эпоксидных смол применены эпоксидные смолы ДЭГ-1, ТЭГ-1, эпоксидно-гидантоиновая смола ЭГ-10 и другие известные водорастворимые эпоксидные смолы.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения модифицированных УНТ включает следующие этапы:

Приготавливают при комнатной температуре раствор, содержащий 15-80 мас. % мочевины или 5-10 мас. % тиомочевины, 0,5-2 мас. % концентрированной минеральной кислоты и воды - остальное. В качестве концентрированных минеральных кислот применяют соляную, серную, азотную кислоты и другие известные минеральные кислоты. В указанный раствор добавляют F-УНТ, при этом концентрация F-УНТ в растворе составляет 1-2 мг/г.

Затем приготовленный раствор помещают в ультразвуковой концентратор, в котором раствор подвергается звуковой обработке при частоте 5-15 КГц в течение 15-25 мин, в результате которой происходит замещение фтора на мочевину или тиомочевину с получением раствора модифицированных УНТ с мочевиной или тиомочевиной.

После чего, осуществляют разбавление обработанного раствора (10-50 кратный избыток), содержащего модифицированные УНТ, и его фильтрование с промывкой водой до нейтральной кислотности (РН=7).

Затем осуществляют разбавление водой (50-100 кратный избыток) отфильтрованных модифицированных УНТ с последующей обработкой водного раствора в ультразвуковой ванне при частоте 30-50 Гц в течение 10-15 мин для удаления адсорбированных на УНТ мочевины или тиомочевины.

После чего разбавляют водой (10-50 кратный избыток) обработанный водный раствор модифицированных углеродных нанотрубок и осуществляют его фильтрование с промывкой ацетоном с целью полного удаления воды, с последующей сушкой модифицированных углеродных нанотрубок при температуре 120-130°С в течение часа.

В случае применения в растворе смеси мочевины и тиомочевины, при комнатной температуре приготавливают раствор, содержащий в мас. %: мочевина - 10-50, тиомочевина - 5-30, концентрированная минеральная кислота 0,5-2 и вода - остальное. Последовательность операций способа при получении модифицированных УНТ на основе раствора, содержащего смесь мочевины и тиомочевины аналогична вышеописанным. В результате получают модифицированные УНТ, в которых фтор замещается на мочевины и тиомочевины, с получением модифицированных мочевиной и тиомочевиной УНТ.

При необходимости модифицированные мочевиной и/или тиомочевиной УНТ дополнительно подвергают функционализации водорастворимыми эпоксидными смолами. Для этого приготавливают при комнатной температуре раствор, содержащий 5-50 мас. % водорастворимой эпоксидной смолы и воды - остальное. В указанный раствор добавляют модифицированные мочевиной и/или тиомочевиной УНТ, при этом концентрация модифицированные мочевиной и/или тиомочевиной УНТ в растворе составляет 1-2 мг/г.В качестве водорастворимой эпоксидной смолы применены алифатические эпоксидные смолы ДЭГ-1 (продукт конденсации эпихлоргидрина с диэтиленгликолем), ТЭГ-1 (продукт конденсации эпихлоргидрина с триэтиленгликолем) и эпоксидно-гидантоиновая смола ЭГ-10 (продукт взаимодействия эпихлоргидрина и 5,5-диметилгидантоина).

Затем приготовленный раствор помещают в ультразвуковой концентратор, в котором раствор подвергается звуковой обработке при частоте 5-15 КГц в течение 15-25 мин, в результате которой происходит отверждение эпоксидной смолы NH2-группами, связанными ковалентно с УНТ с получением раствора модифицированных мочевиной и/или тиомочевиной УНТ с эпоксидной смолой.

После чего, осуществляют фильтрование обработанного раствора, содержащего модифицированные УНТ, на фильтре в 1 мкн с промывкой водой до исчезновения окраски в фильтрате (например, при наличии в фильтрате ДЭГ-1 цвет желтый).

Затем осуществляют разбавление водой (50-100 кратный избыток) отфильтрованных модифицированных УНТ с последующей обработкой водного раствора в ультразвуковой ванне при частоте 30-50 Гц в течение 10-15 мин для удаления адсорбированных на УНТ эпоксидных смол.

После чего осуществляют фильтрование обработанного водного раствора модифицированных углеродных нанотрубок с промывкой ацетоном с целью полного удаления водорастворимых эпоксидных смол и воды, с последующей сушкой модифицированных углеродных нанотрубок при температуре 120-130°С в течение 0,5-1 часа.

В таблице 1 представлены результаты экспериментов заявленного способа.

При изготовлении композиционного материала на основе двух смол ЭД-20 (70 мас. % от общего содержания двух смол) и ДЭГ-1 (30 мас. % от общего содержания двух смол)-модифицированные эпоксидной смолой и мочевиной и/или тиомочевиной УНТ (концентрация УНТ 0,1 мас. %), среднее значение разрушающей нагрузки при изгибе составляет 1802-1990 Н, среднее значение напряжение при изгибе составляет 472-487 МПа. В случае отсутствия модифицированных УНТ среднее значение разрушающей нагрузки при изгибе составляет 1194 Н, среднее значение напряжение при изгибе составляет 332 МПа.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет снизить энергозатраты и время получения модифицированных УНТ при высоком выходе конечного продукта (модифицированных УНТ), за счет выполнения способа при комнатной температуре и в воде, по сравнению с прототипом, в котором обработку ультразвуком осуществляют при температуре 132°С, например, при использовании мочевины. А использование тиомочевины или гуанидина в растворах диметилформамида ограничено его низким ПДК (ПДК=10 мг/м3) и его канцерогенностью.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

1. Способ получения модифицированных углеродных нанотрубок, включающий следующие этапы:

a) обработка в ультразвуковом концентраторе раствора, содержащего мочевину и/или тиомочевину, воду и концентрированную минеральную кислоту, с добавкой в раствор фторированных углеродных нанотрубок;

b) разбавление обработанного раствора, содержащего модифицированные углеродные нанотрубки, и его фильтрование с промывкой водой до нейтральной кислотности;

c) разбавление водой отфильтрованных модифицированных углеродных нанотрубок с последующей обработкой водного раствора в ультразвуковой ванне;

d) разбавление водой обработанных модифицированных углеродных нанотрубок, фильтрование водного раствора модифицированных углеродных нанотрубок с промывкой ацетоном и сушка модифицированных углеродных нанотрубок.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что применяют однослойные или многослойные фторированные углеродные нанотрубки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что концентрация фторированных углеродных нанотрубок в растворе составляет 1-2 мг/г.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве концентрированных минеральных кислот применяют соляную, серную, азотную кислоты.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют следующие этапы:

a) обработка в ультразвуковом концентраторе раствора, содержащего модифицированные мочевиной и/или тиомочевиной углеродные нанотрубки, водорастворимую эпоксидную смолу и воду;

b) фильтрование обработанного раствора, содержащего модифицированные углеродные нанотрубки, с промывкой водой до исчезновения окраски в фильтрате;

c) разбавление водой отфильтрованных модифицированных углеродных нанотрубок с последующей обработкой водного раствора в ультразвуковой ванне;

d) фильтрование водного раствора модифицированных углеродных нанотрубок с промывкой ацетоном и сушка модифицированных углеродных нанотрубок.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в качестве водорастворимых эпоксидных смол применены эпоксидные смолы ДЭГ-1, ТЭГ-1, эпоксидно-гидантоиновая смола ЭГ-10.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области материаловедения, а именно к технологии получения тонких пленок или контактных микропечатных планарных структур галогенидных полупроводников состава АВХ3, в том числе с органическими катионами, которые могут быть использованы в качестве светопоглощающего слоя в твердотельных, в том числе тонкопленочных, гибких или тандемных солнечных элементах или для создания светоизлучающих устройств.

Изобретение относится к области выращивания моно- и поликристаллов кварца для синтеза оптических и пьезоэлектрических монокристаллов кварца, в том числе допированных германием, для радиоэлектронной, оптоэлектронной и акустоэлектронной техники, и для получения окрашенных монокристаллов и друз для использования в камнерезном и ювелирном деле.

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении суперконденсаторов, топливных элементов, электродов литий-ионных батарей, биотопливных ячеек, светоизлучающих диодов, электро- и фотохромных устройств, фотокатализаторов и устройств для хранения водорода.

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для изготовления электродных материалов химических источников тока. Устройство для получения частиц сферического графита содержит корпус 2 с загрузочным 1 и вызгрузочным 9 устройствами, а также ротор 4.

Изобретение относится к химической промышленности и к нанотехнологии. Композитный материал с размером первичных частиц 0,1-100 мкм содержит оксид графена и 0,1-50 мас.

Изобретение может быть использовано при получении катализаторов для обработки выхлопных газов двигателей. Способ получения улавливающего NOx материала носителя катализатора включает получение первой суспензии, содержащей предшественник гомогенного смешанного оксида Mg/Al, и сушку первой суспензии.

Изобретение относится к устройствам для реализации метода адиабатического сжатия газов и предназначено для получения нанопорошков кремния. Устройство для получения нанопорошков кремния методом адиабатического сжатия моносилана содержит цилиндрический корпус 4 с нагреваемым реакционным объемом 20, герметичной крышкой 18 и поршнем 14 реакционного объема 20 с возможностью возвратно-поступательного движения, а также каналами ввода реакционных смесей 15 и узлом подвода энергии в виде пневмоцилиндра с силовым поршнем 7, связанного штоком 28 с поршнем 14 реакционного объема 20, при этом устройство снабжено герметичным объемом 21 для сбора порошков и удаления газообразных продуктов реакции, а на силовом-разгонном пневматическом поршне 7 смонтирован внешний шток 2, позволяющий управлять скоростью и степенью сжатия реакционной смеси во время рабочего процесса.

Изобретение относится к синтезу монокристаллического CVD алмазного материала, который может быть использован в оптике, ювелирных изделиях, в качестве подложек для дальнейшего CVD роста алмазов, механических применениях, в области квантового зондирования и обработки информации.

Изобретение может быть использовано в реконструктивно-пластической хирургии для пластической реконструкции поврежденных костных тканей. Для получения пористых материалов из альгината натрия и поливинилпирролидона, содержащих фосфаты кальция, для заполнения костных дефектов проводят синтез in situ фосфатов кальция в 2% водном растворе поливинилпирролидона при температуре реакционной смеси от 37 до 90°С.

Изобретение относится к области синтеза наноструктур на основе перовскитов, которые могут быть использованы в качестве материалов для нанофотоники для создания Фабри-Перо наносенсоров и фотонных интегральных схем.

Изобретение относится к устройствам для получения высоких импульсных давлений, а именно, взрывным камерам, предназначенным для локализации взрыва при проведении синтеза материалов и проведении исследовательских работ.

Изобретение относится к автономным портативным устройствам для заправки баллонов водородом высокого давления при предварительном получении водорода высокого давления гидролизом.

Изобретение относится к обработке технологического конденсата в установке синтеза аммиака. Способ осуществляют в установке синтеза аммиака, включающей головную секцию, вырабатывающую подпиточный газ риформингом углеводородного сырья, и секцию синтеза, где происходит реакция получения аммиака из подпиточного газа, причем технологический конденсат (1), собираемый от одного или более устройств установки синтеза аммиака, представляет собой водный раствор, содержащий аммиак, диоксид углерода и метанол.

Изобретение относится к области водородной энергетики и предназначено для использования в источниках энергии на водородных топливных элементах. Способ включает использование гидрида магния в качестве металлогидридного топлива, просеивание и измельчение металлогидридного топлива, уплотнение засыпки металлогидридного топлива в химическом картридже, прогрев засыпки металлогидридного топлива и проведение реакции металлогидридного топлива с водяным паром.

Изобретение относится к области физики и нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении суперконденсаторов, фильтров и сенсоров. Углеродные нанотрубки для обеспечения требуемых значений краевого угла смачиваемости модифицируют путём облучения потоками ионов, например ионами аргона, гелия, железа, углерода, тербия.

Изобретение относится к каталитическому способу осуществления реакции парциального окисления диметоксиметана (ДММ) с целью получения обогащенной по водороду газовой смеси, которая может использоваться для питания топливных элементов различного назначения, в том числе и для топливных элементов, установленных на передвижных средствах.

Изобретения относятся к химической и полупроводниковой промышленности. Объединяют первую жидкость, включающую кремний, углерод и кислород, со второй жидкостью, содержащей углерод.

Изобретение относится к научному приборостроению, а именно к области разработки элементов рентгеновской оптики, в частности к способам изготовления устройств для рассеяния, коллимации и фокусировки потока рентгеновского излучения высокой плотности в широком диапазоне длин волн.

Изобретение раскрывает способ сбора мелкодисперсного угля, который включает обезвоживание суспензии жидких отходов обогащенного угля, имеющей содержание твердых частиц 30% по массе или меньше, для получения мелкодисперсного угля, имеющего размер частиц 1000 мкм или меньше и водосодержание от приблизительно 5% до приблизительно 20% по массе, причем обезвоживание суспензии жидких отходов обогащенного угля включает в себя центрифугирование суспензии в центрифуге со сплошным ротором, при этом центрифуга содержит вращающийся ротор, вращающийся шнек и переливную перегородку, где мелкодисперсный уголь содержит по меньшей мере 95% по массе твердых частиц, содержащихся в суспензии жидких отходов обогащенного угля.

Изобретение относится к неорганической химии и нанотехнологии и может быть использовано для получения износостойких абразивных материалов, высокотемпературных керамических материалов и покрытий, высокопрочных композиционных материалов.

Изобретение относится к технологиям получения модификатора для приготовления композиционных материалов на основе термопластичных полимеров, содержащих в своем составе углеродные, стеклянные или базальтовые волокна и углеродные нанотрубки (варианты), а также к способам получения его, и к получению композиционного материала, содержащего полученный модификатор.

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для усиления механических свойств композиционных материалов на основе эпоксидных смол, модификации клеевых составов, получения суперконденсаторов. В ультразвуковом концентраторе обрабатывают раствор, содержащий мочевину иили тиомочевину, воду и концентрированную минеральную кислоту. Затем добавляют фторированные углеродные нанотрубки в количестве, обеспечивающем их концентрацию в растворе 1-2 мгг. Обработанный раствор разбавляют и фильтруют с промывкой водой до нейтральной кислотности. Отфильтрованные модифицированные углеродные нанотрубки разбавляют водой, обрабатывают в ультразвуковой ванне и снова разбавляют водой. Полученный раствор фильтруют с промывкой ацетоном. Модифицированные мочевиной иили тиомочевиной углеродные нанотрубки сушат. При необходимости их можно дополнительно функционализировать водорастворимыми эпоксидными смолами, например ДЭГ-1, ТЭГ-1 или эпоксидно-гидантоиновой смолой ЭГ-10. Увеличивается выход конечного продукта, снижаются энергозатраты и сокращается период времени для получения модифицированных углеродных нанотрубок. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

Наверх