Способ изготовления пористых нанокомпозитных кремниевых гранул



Способ изготовления пористых нанокомпозитных кремниевых гранул
Способ изготовления пористых нанокомпозитных кремниевых гранул
Способ изготовления пористых нанокомпозитных кремниевых гранул
B01J2/00 - Способы и устройства для гранулирования материалов вообще (гранулирование металлов B22F 9/00, шлака C04B 5/02, руд или скрапа C22B 1/14; механические аспекты обработки пластмасс или веществ в пластическом состоянии при производстве гранул, например гидрофобные свойства B29B 9/00; способы гранулирования удобрений, отличающихся по химическому составу см. в соответствующих рубриках в C05B-C05G; химические аспекты гранулирования высокомолекулярных веществ C08J 3/12); обработка измельченных материалов с целью обеспечения их свободного стекания вообще, например путем придания им гидрофобных свойств

Владельцы патента RU 2717521:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) (RU)

Изобретение относится к композиционным материалам для сохранения окружающей среды, для медицины и для фармакологии. При изготовления пористых нанокомпозитных кремниевых гранул используют нанопорошок кремния, а его суспензию приготавливают путем смешивания этого порошка с кремнезолем, полученным кислым гидролизом тетраэтоксисилана, предварительно разбавленным водным раствором поверхностно-активного вещества цетилтри-метиламмоний бромида, после чего полученные гранулы промывают и подвергают термической обработке при 500-900°С. Обеспечивается получение кремниевых гранул, обладающих мезопористостью (поры размером 2-50 нм), высокой удельной поверхностью (более 120 м2/г) и открытой пористостью более 40%. 2 табл.

 

Изобретение относится к композиционным материалам для сохранения окружающей среды, для медицины и для фармакологии.

Известны способы получения мезопорстых силикатных материалов, получаемых в процессе золь-гель синтеза из кремнезолей, в которые добавляются различные поверхностно-активные вещества и порообразующие агенты для регулирования размера и формы пор.

Известны мезопористые носители на основе кремнезема, так называемые мезопорстые силикатные материалы. Эти материалы стали объектами многочисленных ггубликаций, с тех пор как MobilOil группа в 1992 году осуществила синтез мезопористых материалов диоксида кремния (так называемых M41S материалов) с упорядоченной структурой мезопор, узким распределением пор по размеру, высокой удельной поверхностью [⋅Kresge С.Т., Leonowicz М.Е., Roth W.J., Vartuli J.С., Beck, J.S. Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism // Nature. 1992. V. 359. N. 6397. P. 710-712; ⋅Beck J.S., Vartuli J.C., Roth W.J., Leonowicz M.E., Kresge C.T., Schmitt K.D, Chu C.T.-W., Olson D.H., Sheppard E.W., McCullen S.B., Higgins J.B., Schlenker J.L. A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates // J. Amer. Chem. Soc. 1992. V. 114. N. 27.P. 10834-10843 Kresge, С.Т., Leonowicz, M.E., Roth, W.J. & Vartuli, J.C. Composition of synthetic porous crystalline material, its synthesis U.S. Patent No. 5,102,643 (1992); Kresge, С.Т., Leonowicz, M.E., Roth, W.J. & Vartuli, J.C. Synthetic mesoporous crystaline material U.S. Patent No. 5,098,684 (1992), Beck, J.S., Chu, С.Т., Johnson, I.D., Kresge, С.Т., Leonowicz, M.E., Roth, W.J. & Vartuli, J.C. Synthesis of mesoporous crystalline material U.S. Patent No. 5,108,725 (1992)].

В отличие от микропористой структуры цеолитов (диаметр пор менее 2 нм) мезопористые материалы имели размер пор 3-5 нм. Новая концепция процедуры синтеза этих материалов заключалась в использовании супрамолекулярных агрегатов ПАВ в качестве структурообразующих агентов (темплатов). Сейчас этот класс материалов значительно расширен путем разработки различных стратегий синтеза и применения разнообразных темплатов. Объем пор находится в диапазоне 1-30 нм. Этим объектам в последние два десятилетия посвящено огромное количество работ. Изготавливаемые во всем мире по запатентованной технологии мезопористые контейнеры МСМ-41 и SBA-15 (D. Zhao, J. Feng, Q. Huo, N. Melosh, G. Fredrikson, B.F. Chmelka and G.D. Stucky, "Tri block Copolymer Syntheses of Mesoporous Silica with Periodic 50 to 300 Angstrom Pores," Science, Vol. 279, 1998, pp. 548-552) исследуются на предмет размера и формы пор, их функциализации и заполнения различными соединениями, в т.ч., биологически активными и лекарственными. Мезопористые силикатные материалы обладают как мезопористостью (поры от 2 до 30 нм), так и микропористостью (поры менее 2 нм). Большая удельная площадь поверхности, достигающая 500-600 м2/г, обеспечивается именно за счет микропор. Однако для внедрения высокомолекулярных реагентов (красителей, биологически активных веществ, лекарственных средств) необходимы, преимущественно, мезопоры, поскольку большие молекулы не смогут проникнуть в поры небольшого размера. В то же время поры должны быть не столь велики, чтобы закачиваемые реагенты задерживались во внутреннем пространстве пор.

К тому же все мезопористые силикатные материалы состоят из диоксида кремния. В то время как кремниевые мезопористые материалы таким способом получить невозможно.

Мезопористый кремниевый материал с хорошо регулируемыми по размеру и по форме порами можно получить посредством электрохимического анодирования [Canham L.T. Aglowingfutureforsilicon // NewScientist. 1993. Apr. 10 P. 23-27; Smith R.L., Collins S.D. Porous formation mechanisms // J. Appl. Phys. 1992. V. 257. P. 68-69; Афанасьев A.B., Лучинин B.B., Муратова E.H., Спивак Ю.М. Методы электрохимии в технологии наноструктурированных неорганических материалов / Химические методы получения керамических и полимерных нано-материалов из жидкой фазы / ред. В.В. Лучинин, О.А. Шилова. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. С. 129-166].

Пористый кремний широко используется в электронике. Однако он является достаточно дорогостоящим материалом. Кроме того, в мезопорах остаются до конца не удаленные агрессивные химические реагенты - травители на основе плавиковой и других кислот. Тем не менее, известно, что порошок, получаемый из фрагментов пористой структуры, используется в качестве нанопористых контейнеров для лекарств [Salonen J., Lehto V.-P. Fabrication and chemical surfacemodificationofmesoporoussiliconforbiomedical applications // Chemical Engineering Journal 2008. V. 137. P. 162-172; Limnell Т., Riikonen J., Salonen J., Kaukonen A.M., Laitinen L., Hirvonen J., Lehto V.-P. Surface chemistry and pore size affect carrier properties of mesoporous silicon microparticles // International Journal of Pharmaceutics. 2007. V. 343. P. 141-147; Anglin E.J., Cheng L, Freeman W.R., Sailor M.J. Porous silicon in drug delivery devices and materials Advanced Drug Delivery Reviews 60 (2008) 1266-1277]. Целый ряд фирм - Technicon IIT Co (Haifa, Israel) или Sailor Group (San Diego, USA, www.sailorgroup.ucsd.edu) используют для доклинических исследований мезопористый кремний, загруженный разными цитостатиками, синтезированный методом электролитного травления.

В настоящее время в мире не существует аналогов, описывающих получение пористых гранул из порошка кремния. В то же время существуют различные приемы изготовления гранул на основе органических и неорганических веществ, отличающихся по размеру и пористости. Известен способ изготовления пористых гранул фосфата кальция, заключающийся в приготовлении суспензии предварительно синтезированного порошка фосфата кальция с соотношением Са/Р от 1,5 до 1,67 с 10%-ным раствором желатина в соотношении от 0,5 до 3,0 мл раствора желатина на 1 г порошка при температуре раствора от 10 до 39°C с получением суспензии порошка в растворе желатина, добавление этой суспензии в растительное масло, перемешивание смеси лопастной мешалкой со скоростью ее вращения от 100 до 1500 об/мин с последующей промывкой гранул и их термической обработкой при температуре от 900 до 1250°C, см. патент РФ №2299869.

Недостатками прототипа являются низкая удельная поверхность, низкая пористость, размер пор очень мал (микропоры, а не мезопоры), размер гранул менее однороден. В связи с этим получаемые по известному способу пористые кремниевые гранулы фосфата кальция не могут быть носителями активных сред, особенно высокомолекулярных веществ - лаки, лекарства и др., поскольку поры очень узкие и их мало.

Задачей изобретения является создание способа получения нанопористых гранул на основе кремния, коренным образом отличающихся от имеющейся на рынке продукции - неорганических нанопористых носителей жидких биологически активных сред, красителей, лекарств, химических и других химических веществ и материалов. Изобретение решает задачу получения мезопористых гранул, состоящих преимущественно из поликристаллического кремния, полученных без использования агрессивных травителей, основным преимуществом которых перед другими носителями является именно их фазовый состав, т.к. кремний наиболее предпочтителен для живых организмов по биосовместимости и в силу его способности к биодеградации. Нанопористые материалы на основе кремния получают только травлением. В этом случае их недостатком, как уже указывалось выше, является наличие остатков агрессивных травителей в микро- и мезопорах.

Сущность изобретения как технического решения, выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше результата.

Способ изготовления пористых нанокомпозитных кремниевых гранул, включающий интенсивное перемешивание суспензии порошка в растительном масле, характеризуется тем, что в качестве порошка используют нанопорошок кремния, а его суспензию приготавливают путем смешивания этого порошка с кремнезолем, полученным кислым гидролизом тетраэтоксисилана, предварительно разбавленным водным раствором поверхностно-активного вещества цетилтриметиламмоний бромида с концентрацией 0,005М - 0,12М, после чего полученные гранулы промывают и подвергают термической обработке при 500-700°C.

Способ осуществляют следующим образом.

Предварительно осуществляют синтез кремнезоля, содержащего водный раствор поверхностно-активного вещества (ПАВ) - цетилтриметиламмоний бромида (ЦТАБ) с концентрацией 0,005М - 0,12М. После созревания кремнезоля в течение не менее 1 суток его смешивают с водным раствором ЦТАБ в соотношении 36:64 мас. %, соответственно. После созревания смеси в течение не менее 1 суток ее смешивают с нанопорошком кремния в соотношении 3 мл/1 г, получая суспензию. Полученную суспензию вливают в емкость с растительным маслом, перемешиваемым с помощью мешалки. Время перемешивания - 10-15 минут. После выключения мешалки и полного оседания осадка, масло сливают декантацией, а осадок промывают этиловым спиртом. После высушивания осадка на воздухе его подвергают термообработке на воздухе при 600°C.

Свойства кремниевых гранул, приготовленных по заявляемому способу и по способу-прототипу приведены в сравнительной таблице 1.

Свойства кремниевых гранул в зависимости от температуры термообработки приведены в сравнительной таблице 2.

Полученные заявленным способом пористые нанокомпозитные кремниевые гранулы на основе ультрадисперсного порошка кремния и кремнеземной связки могут быть использованы в качестве контейнеров различных жидких сред - красители, биологически активные материалы, лекарства. Способ позволяет получать кремниевые гранулы, обладающие мезопористостью (поры размером 2-50 нм), высокой удельной поверхностью (более 120 м2/г) и открытой пористостью более 40%.

Способ изготовления пористых нанокомпозитных кремниевых гранул, включающий интенсивное перемешивание суспензии порошка в растительном масле, отличающийся тем, что в качестве порошка используют нанопорошок кремния, а его суспензию приготавливают путем смешивания этого порошка с кремнезолем, полученным кислым гидролизом тетраэтоксисилана, предварительно разбавленным водным раствором поверхностно-активного вещества цетилтриметиламмоний бромида с концентрацией 0,005М - 0,12М, после чего полученные гранулы промывают и подвергают термической обработке при 500-700°C.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к химической промышленности и нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении композиционных полимерных материалов. По одному варианту углеродный материал (I), содержащий одностенные углеродные нанотрубки и не менее 50% углерода, приводят во взаимодействие с раствором хлорида железа с концентрацией не менее 0,1 М.

Изобретение относится к профилированию состава твердых растворов гетероэпитаксиальных структур при их росте. Способ при формировании структуры типа А2В6 на основе теллуридов элементов второй группы таблицы Менделеева включает измерения эллипсометрических параметров Ψ и Δ на одной длине волны света видимой области спектра.

Использование: в полупроводниковой технологии для изготовления нанотранзисторов и СБИС. Технический результат: электрическое легирование с помощью дополнительных затворов, позволяющее создавать более резкие p-n переходы, чем в туннельных транзисторах с физическим легированием; увеличение крутизны характеристик туннельных транзисторов и снижение их порогового напряжения; возможность изменения типа проводимости канала для применения предлагаемых транзисторов в КМОП технологии цифровых интегральных схем, упрощение технологии изготовления нанотранзисторов с нанометровыми затворами, отсутствие технологических операций, связанных с легированием, расширение функциональных возможностей нанотранзисторов, увеличение крутизны подпороговой характеристики за счет увеличения количества управляющих электродов и обеспечение работы в режиме туннельного транзистора.
Изобретение относится к способу получения нанокапсул гексогена, в котором в качестве ядра используют гексоген и в качестве оболочки нанокапсул - натрий карбоксиметилцеллюлозу.

Изобретение может быть использовано в топливных элементах, литий-ионных батареях, суперконденсаторах, электросорбционных установках очистных сооружений. Углеводород из ряда (CnH2n+n), например метан, используемый в качестве источника углерода, подают в термическую плазму предварительно смешанным с азотом в массовых соотношениях от 1:10 до 1:5 и обрабатывают в термической плазме, формируемой в плазмотроне, при пониженном давлении 300-700 Торр.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу модификации поверхности алюминиевой фольги для электролитического конденсатора, и может быть использовано в радиоэлектронной технике, где требуется миниатюризация аппаратуры.

Изобретение относится к биотехнологии, в частности к области молекулярного конструирования частиц наноразмерного диапазона, а также к способам получения регулярного распределения таких частиц, и может быть использована в наноэлектронике для создания ячеек памяти высокой плотности.

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, а более конкретно, к технологии получения эпитаксиальных пленок нитрида алюминия, и может быть применено в области акусто- и оптоэлектроники.

Изобретение относится к cпособу получения наноразмерных частиц серебра в водной среде, включающему помещение в дистиллированную воду, находящуюся в емкости, двух электродов, один из которых выполнен из серебра, пропускание между электродами постоянного электрического тока.

Изобретение относится к промышленности, строительству, сельскому хозяйству, медицине и может быть использовано при изготовлении катализаторов, активных добавок и присадок.

Изобретение относится к химическим процессам, в частности к устройствам для гранулирования материалов. Установка для производства гранулированных смесей парафинов и восков включает реактор, связанный средством перемещения расплава с накопительной емкостью гранулятора, которая соединена с гранулятором со стержнями, расположенным над емкостью с потоком воды, установленной над сетчатым конвейером, оснащенным осушителем и соединенным с устройством окончательной обработки образованных гранул.
Техническое решение относится к химической технологии, в частности к способам получения гранулированных материалов из расплавов и растворов, и может найти применение в химической и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к способам инкапсулирования частиц твердых реакционно-способных веществ, таких, например, как металлы, металлоиды, гидриды и т.п. для использования в промышленности в качестве энергетических добавок.

Изобретение относится к способу покрытия поверхности подложки, например неорганических частиц, оксидом металла. Способ включает осаждение оксида металла из водного раствора, содержащего ионы металлов и поливалентные анионы.

Изобретение может быть использовано в металлургии. Для получения гранулята молибденсодержащего отработанные молибденсодержащие катализаторы загружают в прокалочную вращающуюся печь и при температуре 135-180°С проводят удаление серы и влаги.

Машина для производства гранул с шестеренчатым редуктором. Шестеренчатый редуктор включает корпус, входной вал, первый выходной вал с первой шестерней и второй выходной вал со второй шестерней; двухреечный элемент, расположенный между первой шестерней и второй шестерней и имеющий первую рейку, находящуюся в зацеплении с первой шестерней, и вторую рейку, находящуюся в зацеплении со второй шестерней, на двух своих сторонах, и кривошипно-рычажный механизм, расположенный между входным валом и двухреечным элементом, для преобразования вращательного движения входного вала в поступательное движение двухреечного элемента.

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Способ гранулирования минеральных удобрений из расплава с замкнутым по хладагенту циклом включает кристаллизацию капель расплава при их свободном падении в противотоке охлаждающего воздуха в грануляционной башне, который засасывается из зоны кристаллизации через окна для засасывания и подается в промывочную гидродутьевую полость, примыкающую к стенке грануляционной башни, на стадию очистки и охлаждения орошением в прямотоке воздуха с компримирующем его за счет спутного течения факелом распыла потока охлаждающей промывочной жидкости, возвращение охлажденного промытого воздуха в нижнюю часть зоны кристаллизации грануляционной башни под давлением, создаваемым спутным прямоточным течением потока падающих капель охлажденной промывочной жидкости, необходимым для преодоления сопротивления, возникающего в грануляционной башне при падении капель расплава, причем для регулирования движения потока охлаждающего воздуха в верхней части промывочной гидродутьевой полости, выше форсунок на уровне окон для засасывания устанавливаются вентиляторы, обеспечивающие дополнительную тягу воздуха.

Изобретение относится к технологии ожижения органической массы угля при глубокой переработке угля. Способ деструкции органических соединений угольного сырья в среде органического растворителя включает одновременное или последовательное экстремальное физическое воздействие на деструктурируемое сырье волновыми гидродинамическими ультразвуковыми и электромагнитными полями с энергией и частотами, соответствующими резонансным частотам и/или частоте колебаний молекул деструктурируемых органических соединений с последующим температурным воздействием в пределах атмосферной перегонки.

Изобретение относится к способу окончательной обработки мочевины. Способ включает: (а) удаление воды из водного раствора мочевины путем выпаривания и конденсации в первой секции выпаривания и конденсации до получения расплава мочевины; (б) окончательную обработку по меньшей мере первой части указанного расплава мочевины, включающую стадию гранулирования, причем в результате указанной окончательной обработки получают твердую мочевину и загрязненный воздух, содержащий пылевидную мочевину и аммиак; (в) очистку по меньшей мере части указанного загрязненного воздуха по меньшей мере в одном очистном устройстве, причем указанная очистка включает очистку путем промывки кислотой с использованием воды и кислоты и очистку от пыли, причем в результате указанной очистки путем промывки кислотой получают водный раствор, содержащий мочевину и соли аммония; (г) выпаривание по меньшей мере части указанного водного раствора, содержащего мочевину и соли аммония, во второй секции выпаривания до получения жидкого потока, содержащего мочевину и соли аммония, и газового потока; (д) конденсацию указанного газового потока во второй секции конденсации до получения рециклового водного потока; е) использование по меньшей мере части указанного рециклового водного потока для промывки загрязненного воздуха, указанного выше в пункте (в); (ж) превращение по меньшей мере части указанного жидкого потока, содержащего мочевину и соли аммония, в твердые частицы и (з) использование указанных твердых частиц в качестве зародышей на указанной стадии гранулирования.

Настоящая группа изобретений относится к охладителю и способу охлаждения прилл или гранул в башне приллирования или гранулирования, используемых в химической промышленности.
Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении электронных приборов, а также для инжекции зарядов в объём конденсированных сред при криогенных температурах. Слой углеродных нанотрубок наносят на металлическую подложку осаждением в дуговом разряде. После этого подложку с нанесённым слоем углеродных нанотрубок выдерживают в атмосфере водорода при давлении 80-90 атм. Изобретение обеспечивает снижение напряжения, необходимого для создания тока эмиссии отрицательных зарядов – электронов, в полученном холодном катоде. Например, для создания тока электронов в 10-12 А от холодного катода, изготовленного по изобретению, в сверхтекучий гелий, на холодный катод необходимо подать напряжение, меньше или равное 50 В, что в 4,4 раза ниже, чем у аналогов. 4 пр.

Изобретение относится к композиционным материалам для сохранения окружающей среды, для медицины и для фармакологии. При изготовления пористых нанокомпозитных кремниевых гранул используют нанопорошок кремния, а его суспензию приготавливают путем смешивания этого порошка с кремнезолем, полученным кислым гидролизом тетраэтоксисилана, предварительно разбавленным водным раствором поверхностно-активного вещества цетилтри-метиламмоний бромида, после чего полученные гранулы промывают и подвергают термической обработке при 500-900°С. Обеспечивается получение кремниевых гранул, обладающих мезопористостью, высокой удельной поверхностью и открытой пористостью более 40. 2 табл.

Наверх