RU2627767C1 - Method for producing carbon-fluorocarbon nanocomposite material - Google Patents
Method for producing carbon-fluorocarbon nanocomposite material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2627767C1 RU2627767C1 RU2016123871A RU2016123871A RU2627767C1 RU 2627767 C1 RU2627767 C1 RU 2627767C1 RU 2016123871 A RU2016123871 A RU 2016123871A RU 2016123871 A RU2016123871 A RU 2016123871A RU 2627767 C1 RU2627767 C1 RU 2627767C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- fluorocarbon
- product
- nanocomposite
- polytetrafluoroethylene
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 8
- 239000000047 product Substances 0.000 claims abstract description 24
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims abstract description 19
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 16
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims abstract description 16
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000007857 degradation product Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 19
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 claims description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 19
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 12
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 abstract description 12
- NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N fluoromethane Chemical compound FC NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 7
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 3
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 14
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 9
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 7
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 7
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 4
- 239000011852 carbon nanoparticle Substances 0.000 description 4
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 239000002074 nanoribbon Substances 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 3
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 2
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004812 organic fluorine compounds Chemical class 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000003570 air Substances 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000005307 ferromagnetism Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 150000002222 fluorine compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000013067 intermediate product Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000011943 nanocatalyst Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005408 paramagnetism Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 1
- 239000012265 solid product Substances 0.000 description 1
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B3/0009—Forming specific nanostructures
- B82B3/0038—Manufacturing processes for forming specific nanostructures not provided for in groups B82B3/0014 - B82B3/0033
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
- C08F114/00—Homopolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen
- C08F114/18—Monomers containing fluorine
- C08F114/26—Tetrafluoroethene
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J11/00—Recovery or working-up of waste materials
- C08J11/04—Recovery or working-up of waste materials of polymers
- C08J11/10—Recovery or working-up of waste materials of polymers by chemically breaking down the molecular chains of polymers or breaking of crosslinks, e.g. devulcanisation
- C08J11/12—Recovery or working-up of waste materials of polymers by chemically breaking down the molecular chains of polymers or breaking of crosslinks, e.g. devulcanisation by dry-heat treatment only
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
- C08J3/28—Treatment by wave energy or particle radiation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/141—Feedstock
- Y02P20/143—Feedstock the feedstock being recycled material, e.g. plastics
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W30/00—Technologies for solid waste management
- Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
- Y02W30/62—Plastics recycling; Rubber recycling
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к получению нанокомпозитных материалов, содержащих матрицу из частично профторированного и окисленного аморфного углерода с включениями частиц нанографита, дополнительных к нанографиту углеродных наночастиц, металлосодержащих частиц либо нанографена. Эти материалы могут найти применение непосредственно в качестве нанокатализаторов, либо в виде матрицы для внедрения каталитических наночастиц; в качестве сорбентов; а также междуэлектродных матриц для заполнения электролитами в химических источниках тока; матриц для электролитов в суперконденсаторах; материалов для электрических нагревательных элементов; гидрофобных покрытий; радиопоглощающих покрытий. Полученные предлагаемым способом материалы обнаруживают представляющие интерес магнитные свойства, в частности, существование среды Джозефсоновских контактов, парамагнетизм и ферромагнетизм углеродных наночастиц.The invention relates to the production of nanocomposite materials containing a matrix of partially profluorinated and oxidized amorphous carbon with inclusions of nanographite particles, additional carbon nanoparticles, metal-containing particles or nanographen to nanographite. These materials can find application directly as nanocatalysts, or in the form of a matrix for the introduction of catalytic nanoparticles; as sorbents; as well as interelectrode matrices for filling with electrolytes in chemical current sources; matrices for electrolytes in supercapacitors; materials for electric heating elements; hydrophobic coatings; radar absorbing coatings. The materials obtained by the proposed method exhibit magnetic properties of interest, in particular, the existence of a Josephson junction medium, paramagnetism and ferromagnetism of carbon nanoparticles.
Известен способ получения углеродного материала и углеродный материал (RU 2502668, опубл. 2013.12.27), включающий пиролиз твердого политетрафторэтилена без доступа воздуха в плазме импульсного высоковольтного электрического разряда при атмосферном давлении с амплитудой импульсов не менее 9 кВ с получением углеродного материала с упорядоченной наноструктурой из обесфторенных и частично графитизированных надмолекулярных цепочечных структур ПТФЭ толщиной 30-100 нм, образованных волокнами диаметром 1-2 нм, переплетенными случайным образом в гомогенную пористую массу с размерами пор 1-2 нм. К недостаткам способа относятся малый выход продукта, сложная подготовка образцов, ограниченный набор нанообъектов в полученном материале.A known method of producing a carbon material and carbon material (RU 2502668, publ. 2013.12.27), including the pyrolysis of solid polytetrafluoroethylene without air in a plasma pulsed high-voltage electric discharge at atmospheric pressure with a pulse amplitude of at least 9 kV to obtain a carbon material with an ordered nanostructure of defluorinated and partially graphitized supramolecular chain structures of PTFE with a thickness of 30-100 nm, formed by fibers with a diameter of 1-2 nm, randomly intertwined in a homogen hydrochloric porous body with a pore size of 1-2 nm. The disadvantages of the method include a low yield, difficult sample preparation, a limited set of nano-objects in the resulting material.
Известен способ получения ультрадисперсного фторорганического материала (политетрафторэтилена), описанный в патенте РФ №2212418, опубл. 2003.09.20, который включает термодеструкцию политетрафторэтилена при 480-540°С в среде выделяющихся газов термодеструкции в присутствии термодинамически пригодных для окисления политетрафторэтилена кислородсодержащих соединений, выбранных из группы, включающей воздух, кислород, их смеси, оксиды или пероксидные соединения элементов I, II, III, IV групп Периодической системы, в количестве 3-15 мас. % в пересчете на кислород, с последующим охлаждением и конденсацией продуктов термодеструкции. К недостаткам известного способа относится то, что получаемые с его помощью частицы политетрафторэтилена имеют средний размер около 1 микрона (1,0±0,5 мкм), что на практике ограничивает возможности применения, полученного материала. Кроме того, известный способ сложен в аппаратурном оснащении, а полученный с его помощью продукт нуждается в отмывании от щелочи и образовавшихся фторидов либо, при использовании продукта вместе с растворителем, служащим средой конденсации, практически во всех случаях требует отфильтровывания избытка растворителя, что приводит к усложнению способаA known method of producing ultrafine organofluorine material (polytetrafluoroethylene), described in RF patent No. 2212418, publ. 2003.09.20, which includes the thermal degradation of polytetrafluoroethylene at 480-540 ° C in the environment of the released thermal degradation gases in the presence of oxygen-containing compounds thermodynamically suitable for the oxidation of polytetrafluoroethylene, selected from the group comprising air, oxygen, mixtures thereof, oxides or peroxide compounds of elements I, II, III, IV groups of the Periodic system, in the amount of 3-15 wt. % in terms of oxygen, followed by cooling and condensation of thermal degradation products. The disadvantages of this method include the fact that the particles of polytetrafluoroethylene obtained using it have an average size of about 1 micron (1.0 ± 0.5 μm), which in practice limits the possibilities of using the resulting material. In addition, the known method is complicated in hardware, and the product obtained with it needs to be washed from alkali and fluoride formed, or, when using the product together with a solvent that serves as a condensation medium, in almost all cases requires filtering off excess solvent, which leads to complication way
Наиболее близкий к заявляемому по технической сущности способ получения нанодисперсного фторорганического материала, описанный в патенте RU 2341536 (опубл. 2008.12.20), осуществляют путем термодеструкции политетрафторэтилена в атмосфере воздуха в плазме электрического разряда в переменном электрическом поле при амплитуде переменного напряжения не менее 2 кВ с последующим охлаждением продуктов термодеструкции.The closest to the claimed technical essence method for producing nanosized organofluorine material described in patent RU 2341536 (publ. 2008.12.20) is carried out by thermal decomposition of polytetrafluoroethylene in an air atmosphere in an electric discharge plasma in an alternating electric field with an alternating voltage amplitude of at least 2 kV s subsequent cooling of thermal decomposition products.
Известный способ не обеспечивает надежного получения с достаточным выходом структурированного углерод-фторуглеродного нанокомпозитного материала в индивидуальном виде, в полученном продукте содержатся его следовые содержания и, кроме того, присутствуют микро- и наночастицы фторидов и оксидов металлов, образующие конгломераты и водящие в состав кристаллов, что определяет специфику и ограничивает возможности применения упомянутого продуктаThe known method does not provide reliable production with a sufficient yield of structured carbon-fluorocarbon nanocomposite material in an individual form, the resulting product contains its trace contents and, in addition, there are micro- and nanoparticles of fluorides and metal oxides forming conglomerates and leading to the composition of crystals, which defines the specifics and limits the possibilities of using the said product
Задачей изобретения является создание способа получения структурированного фторуглеродного нанокомпозитного материала, содержащего графеновые наноленты с включениями инородных наночастиц, одновременно обеспечивающего получение порошкообразного углерод-фторуглеродного нанокомпозитного материала и нанокомпозитного материала, структура которого образована аморфными нанофибриллами.The objective of the invention is to provide a method for producing a structured fluorocarbon nanocomposite material containing graphene nanoribbons with inclusions of foreign nanoparticles, while simultaneously providing a powdery carbon-fluorocarbon nanocomposite material and nanocomposite material, the structure of which is formed by amorphous nanofibrils.
Технический результат способа заключается в получении с высоким выходом углерод-фторуглеродных нанокомпозитных материалов с четко выраженной наноструктурой, обеспечивающей их новые свойства и расширение области применения.The technical result of the method is to obtain a high yield of carbon-fluorocarbon nanocomposite materials with a clearly defined nanostructure, providing their new properties and expanding the scope.
Указанный технический результат достигают способом получения углерод-фторуглеродного нанокомпозитного материала, включающим термодеструкцию твердого политетрафторэтилена в плазме импульсного высоковольтного разряда с последующим охлаждением и сбором продуктов деструкции, в котором, в отличие от известного, термодеструкцию твердого политетрафторэтилена проводят в среде плазмы, образовавшейся в результате предварительной деструкции аналогичного образца политетрафторэтилена в высоковольтном электрическом разряде в воздухе, при амплитуде переменного напряжения 2-10 кВ с получением сажеобразного продукта, который подвергают термообработке, включающей предварительный нагрев с помощью внешнего источника, обеспечивающий появление электропроводимости проводимости продукта, и его последующий саморазогрев при пропускании электрического тока.The specified technical result is achieved by a method for producing a carbon-fluorocarbon nanocomposite material, including thermal decomposition of solid polytetrafluoroethylene in a high-voltage pulsed plasma followed by cooling and collection of degradation products, in which, unlike the known, thermal decomposition of solid polytetrafluoroethylene is carried out in a plasma medium formed as a result of preliminary degradation a similar sample of polytetrafluoroethylene in a high-voltage electric discharge in air, at the amplitude of the alternating voltage of 2-10 kV to obtain a soot-like product, which is subjected to heat treatment, including pre-heating using an external source, which provides the conductivity of the product, and its subsequent self-heating while passing an electric current.
Обладающий выраженными каталитическими и магнитными свойствами фторуглеродный нанокомпозитный материал, содержащий частично профторированный и окисленный углерод, в том числе отдельные (изолированные друг от друга) наночастицы такого углерода, получают при осуществлении способа с возбуждением высоковольного электрического разряда между углеродными электродами.Fluorocarbon nanocomposite material containing partially catalytic and magnetic properties, containing partially profluorinated and oxidized carbon, including individual (isolated from each other) nanoparticles of such carbon, is obtained by implementing a method with excitation of a high-voltage electric discharge between carbon electrodes.
В другом варианте осуществления способа плазму высоковольтного электрического разряда возбуждают между металлическими электродами, при этом получают материал, содержащий частично профторированный и окисленный углерод и изолированные наночастицы, которые включают металлические элементы из состава электродов. Состав изолированных неуглеродных наночастиц влияет на свойства получаемого материала и, соответственно, на сферу его применения (нанокатализ, химические источники тока, фотоэлементы, наносенсоры и др.).In another embodiment of the method, a high voltage electric discharge plasma is excited between the metal electrodes, whereby a material is obtained containing partially profluorinated and oxidized carbon and isolated nanoparticles, which include metal elements from the electrodes. The composition of isolated non-carbon nanoparticles affects the properties of the material obtained and, accordingly, the scope of its application (nanocatalysis, chemical current sources, photocells, nanosensors, etc.).
Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.
Для осуществления способа используют реактор, выполненный предпочтительно из огнеупорного материала, обладающего изолирующими свойствами, который снабжен встроенными электродами и приемником-собирателем готового продукта, при этом электроды могут быть углеродными либо металлическими. При подаче высокого напряжения между электродами возникает электрический разряд и образуется стабильная плазма из ионизированных частиц той газовой среды, в которой происходит разряд.To implement the method, a reactor is used, preferably made of a refractory material having insulating properties, which is equipped with built-in electrodes and a collector-receiver of the finished product, while the electrodes can be carbon or metal. When a high voltage is applied between the electrodes, an electric discharge occurs and a stable plasma is formed from ionized particles of the gaseous medium in which the discharge occurs.
В разрядный промежуток помещают фторопластовый материал в виде монолитного стержня, в результате деструкции которого под воздействием высоковольтного разряда в воздушном промежутке между электродами образуется фторопластовая плазма, появление которой отмечают по возникновению голубого свечения.A fluoroplastic material in the form of a monolithic rod is placed in the discharge gap, as a result of the destruction of which a fluoroplastic plasma is formed in the air gap between the electrodes under the influence of a high-voltage discharge, the appearance of which is noted by the appearance of a blue glow.
Используют напряжение в диапазоне 2-10 kV, при этом выбирают его таким образом, чтобы не было видимого разрушения электродов, фиксируемого по выходу дыма из плазмы.Use a voltage in the range of 2-10 kV, while choosing it so that there is no visible destruction of the electrodes, fixed by the exit of smoke from the plasma.
В сформированную зону фторопластовой плазмы (не убирая первый стержень) помещают рабочий монолитный стержень из аналогичного фторопластового материала, при этом из промежутка между стержнями поднимается черный дым. Стержни по мере их выгорания последовательно сближают таким образом, чтобы сохранялся постоянным выход дыма. На этом этапе в качестве целевого собирают твердый продукт, образующийся в результате охлаждения дыма и оседания на подложке-собирателе в виде порошка черного цвета, который собирают с подложки и направляют на дальнейшую переработку.A working monolithic rod of similar fluoroplastic material is placed in the formed zone of the fluoroplastic plasma (without removing the first rod), while black smoke rises from the gap between the rods. The rods as they burn out are brought together so that the smoke output is kept constant. At this stage, a solid product is collected as a target, resulting from cooling of the smoke and settling on the collector substrate in the form of a black powder, which is collected from the substrate and sent for further processing.
Поэтапная схема получения упомянутого выше промежуточного нанокомпозитного продукта приведена на фиг. 1 (1а- инициирование воздушной плазмы, 1б - формирование фторопластовой плазмы, 1в - получение нанокомпозитного продукта), где 1 - генератор импульсного высокого напряжения, 2, 3 - электроды, 4 - воздушная плазма, 5 - вспомогательный фторопластовый стержень, 6 - фторопластовая плазма, 7 - рабочий фторопластовый стержень, 8 - дым, образующийся в результате деструкции рабочего фторопластового стержня, 9 - подложка., 10 - нанокомпозитный продукт.A step-by-step scheme for producing the above-mentioned intermediate nanocomposite product is shown in FIG. 1 (1- initiation of air plasma, 1b - formation of a fluoroplastic plasma, 1c - obtaining a nanocomposite product), where 1 is a pulsed high voltage generator, 2, 3 are electrodes, 4 is an air plasma, 5 is an auxiliary fluoroplastic rod, 6 is a fluoroplastic plasma , 7 - working fluoroplastic rod, 8 - smoke generated as a result of destruction of the working fluoroplastic rod, 9 - substrate., 10 - nanocomposite product.
Характеристики полученного промежуточного накомпозитного материала наглядно показаны на снимках, сделанных с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) при различном увеличении. На фиг. 2а приведено изображение материала, полученного с угольными электродами, 2б и 2в - с медными, 3 - с платиновыми, 4 - с титановыми. Приведенные изображения свидетельствуют, что материал образован аморфными нанофибриллами с включениями наночастиц материала электродов.The characteristics of the obtained intermediate composite material are clearly shown in the pictures taken using transmission electron microscopy (TEM) at various magnifications. In FIG. 2a shows an image of the material obtained with carbon electrodes, 2b and 2c - with copper, 3 - with platinum, 4 - with titanium. The above images indicate that the material is formed by amorphous nanofibrils with inclusions of nanoparticles of the electrode material.
На фиг. 5 представлены спектры комбинационного рассеяния (КР); фиг. 6 - данные рентгено-фазового анализа (РФА)).In FIG. 5 shows Raman spectra; FIG. 6 - data of x-ray phase analysis (XRD)).
Спектры КР образцов, полученных с угольными и медными электродами (фиг. 5а и 5б), включают характерные для ряда углеродных материалов линии G и D, по параметрам своих относительных интенсивностей (JD>JG) и ширин (ΔJD>ΔJG), отвечающие содержанию в образце наноразмерных разупорядоченных графитоподобных структур. РФА спектры этих образцов (фиг. 6а и 6б) характеризуются наличием линий, соответствующих ПТФЭ.The Raman spectra of samples obtained with carbon and copper electrodes (Figs. 5a and 5b) include the G and D lines characteristic of a number of carbon materials in terms of their relative intensities (J D > J G ) and widths (ΔJ D > ΔJ G ) corresponding to the content in the sample of nanoscale disordered graphite-like structures. The XRD spectra of these samples (FIGS. 6a and 6b) are characterized by the presence of lines corresponding to PTFE.
По данным, полученным с помощью энерго-дисперсионного спектрометра (ЭДС), нанофибриллы содержат С (более 90 ат. %), F (до 6 ат. %) и О (до 5 ат. %), при этом в образце, полученном с медными электродами, содержится медь (до 1 ат. %). Сопротивление образцов уменьшается при повышении температуры от 2 мегаом при Т=300 K до 50 килоом при Т=600 K, т.е. носит выраженный полупроводниковый характер.According to the data obtained using an energy dispersive spectrometer (EMF), nanofibrils contain C (more than 90 at.%), F (up to 6 at.%) And O (up to 5 at.%), While in the sample obtained with copper electrodes, contains copper (up to 1 at.%). The resistance of the samples decreases with increasing temperature from 2 megohms at T = 300 K to 50 kilo-ohms at T = 600 K, i.e. has a pronounced semiconductor nature.
Таким образом, полученные образцы являются полупроводниковыми нанокомпозитами, образованными нанофибриллами, содержащими частично профторированный и окисленный аморфный углерод с включениями нанографита, а также включают более плотные по отношению к просвечиванию электронным лучом наночастицы, в состав которых входит в случае углеродных электродов углерод, в случае металлических электродов - соответствующий металл.Thus, the obtained samples are semiconductor nanocomposites formed by nanofibrils containing partially profluorinated and oxidized amorphous carbon with nanographite inclusions, and also include nanoparticles more dense with respect to electron beam transmission, which include carbon in the case of carbon electrodes, in the case of metal electrodes - appropriate metal.
Этот промежуточный продукт является товарным и может найти самостоятельное применение.This intermediate product is marketable and may find independent use.
Его последующая термообработка обеспечивает получение углерод-фторуглеродного нанокомпозитного материала двух модификаций: нанокомпозита, содержащего графеновые наноленты (целевой продукт), и нанодисперсного порошка, состоящего из композитных наночастиц.Its subsequent heat treatment provides the production of carbon-fluorocarbon nanocomposite material of two modifications: a nanocomposite containing graphene nanoribbons (target product), and nanodispersed powder, consisting of composite nanoparticles.
Поэтапная термообработка полученного промежуточного нанокомпозитного материала вместе с установкой для ее осуществления схематично показаны на фиг. 7 (7а - предварительное нагревание с помощью внешнего источника тепла; 7б - нагревание протекающим через образец током), где 11 - источник напряжения для питания нагревателя; 12 - стабилизированный источник тока, подключенный к образцу 13, 14 - электроды; 15 - промежуточный нанокомпозит; 16 - нагреватель; 17 - дым, выходящий из образца при нагревании, 18 - подложка, 19 - нанокомпозит, осевший на подложке.The stepwise heat treatment of the obtained intermediate nanocomposite material together with the installation for its implementation are shown schematically in FIG. 7 (7a - pre-heating using an external heat source; 7b - heating by the current flowing through the sample), where 11 is the voltage source to power the heater; 12 - stabilized current source connected to the
Обладающий полупроводниковыми свойствами образец промежуточного нанокомпозитного материала, к которому подключен источник тока, нагревают с помощью электронагревателя до момента появления в образце достаточного количества носителей заряда и возникновения тока, прохождение которого через образец вызывает его саморазогрев и выделение светло-коричневого дыма. Ток стабилизируют на заданном уровне (от 4 до 20 А), который определяется массой фторопласта и временем термообработки, и продолжают термообработку, в ходе которой происходит изменение структуры нагреваемого образца с выделением дыма.A semiconductor-containing sample of an intermediate nanocomposite material to which a current source is connected is heated with an electric heater until a sufficient number of charge carriers appear in the sample and a current develops, the passage of which through the sample causes it to self-heat and light brown smoke to be released. The current is stabilized at a predetermined level (from 4 to 20 A), which is determined by the mass of the fluoroplastic and the heat treatment time, and heat treatment is continued, during which the structure of the heated sample changes with smoke emission.
В результате термообработки (по окончанию выделения дыма) на месте исходного образца образуется углерод-фторуглеродный нанокомпозитный материал, содержащий графеновые наноленты, при этом на подложке оседает нанодисперсный порошок.As a result of heat treatment (at the end of smoke emission), a carbon-fluorocarbon nanocomposite material containing graphene nanoribbons is formed in place of the initial sample, and nanodispersed powder settles on the substrate.
Полученный порошок состоит из нанокомпозитных частиц, содержащих фторопластовые и углеродные компоненты, что подтверждается результатами анализов.The resulting powder consists of nanocomposite particles containing fluoroplastic and carbon components, which is confirmed by the analysis results.
Его ПЭМ изображения при разном увеличении для материала, полученного из промежуточного нанокомпозита, синтезированного с применением медных электродов, приведены на фиг. 8. Порошок состоит из шарообразных наночастиц с поперечными размерами 50-500 нм. В его спектрах КР, приведенных на фиг. 9, просматривается пик от фуллеренов, присутствуют пики D и G, а также набор широких слабых пиков, которые, предположительно, могут быть отнесены к осколкам фуллереновых структур.Its TEM images at different magnifications for a material obtained from an intermediate nanocomposite synthesized using copper electrodes are shown in FIG. 8. The powder consists of spherical nanoparticles with transverse dimensions of 50-500 nm. In its Raman spectra shown in FIG. 9, a peak from fullerenes is observed, peaks D and G are present, as well as a set of wide weak peaks, which, presumably, can be attributed to fragments of fullerene structures.
Элементный состав частицы полученного образца, определенный методом локальной энергодисперсионной спектроскопии, включает 45 ат. % F и 55 ат. % С. Из полученных результатов следует вывод, что порошок состоит из наночастиц являющихся нанокомпозитом углеродных и фторуглеродных компонент, с некоторым содержанием фуллеренов либо их осколков. Частицы по форме и размерам подобны известному ультрадисперсному политетрафторэтилену (УПТФЭ), но отличаются от него по содержанию элементов, т.к. известно, что в УПТФЭ содержание фтора более чем в два раза превышает содержание углерода.The elemental composition of the particles of the obtained sample, determined by the method of local energy dispersive spectroscopy, includes 45 at. % F and 55 at. % C. From the obtained results it follows that the powder consists of nanoparticles being a nanocomposite of carbon and fluorocarbon components, with a certain content of fullerenes or their fragments. Particles in shape and size are similar to the well-known ultrafine polytetrafluoroethylene (UPTFE), but differ from it in the content of elements, because It is known that in UPTFE the fluorine content is more than twice the carbon content.
Полученный порошковый нанокомпозит ПТФЭ-углерод может быть охарактеризован наличием наночастиц углерода упакованных в матрице нанодисперсного ПТФЭ и, согласно своему строению, должен обладать одновременно свойствами ультрадисперсного ПТФЭ и нанодисперсного углерода. Он также является товарным продуктом.The resulting PTFE-carbon powder nanocomposite can be characterized by the presence of carbon nanoparticles packed in a matrix of nanodispersed PTFE and, according to its structure, must simultaneously possess the properties of ultrafine PTFE and nanodispersed carbon. It is also a marketable product.
ПЭМ изображения целевого углерод-фторуглеродного нанокомпозитного материала, образовавшегося в результате термообработки на подложке па месте нанокомпозитного материала медных электродов, приведены на фиг. 10. Полученный материал характеризуется многокамерной структурой, образованной клубками, сформированными из графеновых лент. КР спектр этого продукта, приведенный на фиг. 11, характеризуется наличием линии, соответствующей графеновым структурам, и характерных линий G и D от наноразмерных разупорядоченных графитоподобных структур. Из этих результатов следует, что образец содержит множество закрученных и изогнутых нанографеновых лент и графитоподобные наноразмерные области.TEM images of the target carbon-fluorocarbon nanocomposite material formed as a result of heat treatment on the substrate in place of the nanocomposite material of copper electrodes are shown in FIG. 10. The resulting material is characterized by a multi-chamber structure formed by tangles formed from graphene ribbons. The Raman spectrum of this product shown in FIG. 11 is characterized by the presence of a line corresponding to graphene structures and characteristic lines G and D from nanoscale disordered graphite-like structures. From these results it follows that the sample contains many swirling and curved nanographene ribbons and graphite-like nanosized regions.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет одновременно с основным углерод-фторуглеродным нанокомпозитным материалом с характерной структурой в виде гнезд из графеновых лент получить порошкообразный фторуглеродный нанокомпозитный материал, а также дает возможность использовать в качестве товарного промежуточный нанокомпозитный материал.Thus, the proposed method allows simultaneously with the main carbon-fluorocarbon nanocomposite material with a characteristic structure in the form of nests from graphene ribbons to obtain a powdery fluorocarbon nanocomposite material, and also makes it possible to use an intermediate nanocomposite material as a commodity.
Примеры конкретного осуществления способаExamples of specific implementation of the method
Пример 1Example 1
Фторопластовый стержень сечением 3×4 мм массой 25 г выдерживали в течение 10 мин в предварительно созданной фторопластовой плазме высоковольтного (10 кВ) разряда между угольными электродами. Получено 0,31 грамма сажеобразного продукта. Полученный продукт нагревали с помощью электронагревателя до появления тока в цепи (в течение примерно 5 мин), пропускали ток 20 А в течение 1 мин и получали фторуглеродный нанокомпозитный материал, содержащий клубки графеновых лент, весом 0,30 г. ПЭМ изображение полученного материала показано на фиг. 12. Нанокомпозитного порошка при этом образуется примерно 0,003 г. A fluoroplastic rod with a 3 × 4 mm cross section weighing 25 g was held for 10 min in a previously created fluoroplastic plasma of a high voltage (10 kV) discharge between carbon electrodes. Received 0.31 grams of a soot-like product. The resulting product was heated with an electric heater until a current appeared in the circuit (for about 5 min), a current of 20 A was passed for 1 min, and a fluorocarbon nanocomposite material containing balls of graphene ribbons weighing 0.30 g was obtained. A TEM image of the obtained material is shown in FIG. 12. The nanocomposite powder in this case forms approximately 0.003 g.
Пример 2Example 2
Способ осуществляли согласно примеру 1, возбуждая высоковольтный (2 кВ) разряд между медными электродами. После 15 мин обработки в плазме из фторопластового стержня массой 25 г получено 0.24 грамма сажеобразного продукта. Полученный продукт нагревали 5 мин, пропускали ток 4 А, получили примерно 0,23 г фторуглеродного нанокомпозитного материала, содержащего клубки графеновых лент (фиг. 8), и примерно 0,002 г нанокомпозитного порошка.The method was carried out according to example 1, exciting a high voltage (2 kV) discharge between copper electrodes. After 15 minutes of plasma treatment from a fluoroplastic rod weighing 25 g, 0.24 grams of a carbon black product was obtained. The resulting product was heated for 5 min, a current of 4 A was passed, and approximately 0.23 g of a fluorocarbon nanocomposite material containing tangles of graphene ribbons was obtained (Fig. 8), and approximately 0.002 g of a nanocomposite powder.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016123871A RU2627767C1 (en) | 2016-06-15 | 2016-06-15 | Method for producing carbon-fluorocarbon nanocomposite material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016123871A RU2627767C1 (en) | 2016-06-15 | 2016-06-15 | Method for producing carbon-fluorocarbon nanocomposite material |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2627767C1 true RU2627767C1 (en) | 2017-08-11 |
Family
ID=59641698
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016123871A RU2627767C1 (en) | 2016-06-15 | 2016-06-15 | Method for producing carbon-fluorocarbon nanocomposite material |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2627767C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2341536C1 (en) * | 2007-07-30 | 2008-12-20 | Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (Институт химии ДВО РАН) | Method of obtaining nanodispersive fluoroorganc material |
US8030367B2 (en) * | 2003-10-30 | 2011-10-04 | Leibniz-Institut Fuer Polymerforschung Dresden E.V. | Radically coupled PTFE polymer powder and method for the production thereof |
EP1499664B1 (en) * | 2002-04-23 | 2012-03-28 | Laurel Products, LLC | Method of treating fluoropolymer particles and the products thereof |
RU2501815C1 (en) * | 2012-08-27 | 2013-12-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Method of producing nanodispersed fluoroplastic |
-
2016
- 2016-06-15 RU RU2016123871A patent/RU2627767C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1499664B1 (en) * | 2002-04-23 | 2012-03-28 | Laurel Products, LLC | Method of treating fluoropolymer particles and the products thereof |
US8030367B2 (en) * | 2003-10-30 | 2011-10-04 | Leibniz-Institut Fuer Polymerforschung Dresden E.V. | Radically coupled PTFE polymer powder and method for the production thereof |
RU2341536C1 (en) * | 2007-07-30 | 2008-12-20 | Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (Институт химии ДВО РАН) | Method of obtaining nanodispersive fluoroorganc material |
RU2501815C1 (en) * | 2012-08-27 | 2013-12-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Method of producing nanodispersed fluoroplastic |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6455021B1 (en) | Method for producing carbon nanotubes | |
Lange et al. | Nanocarbon production by arc discharge in water | |
JP2017206413A (en) | Carbon nanotubes and method for producing the same, and carbon nanotubes dispersion | |
WO2015156038A1 (en) | Carbon nanotube composite material and process for producing same | |
Jha et al. | Surface modification of amorphous carbon nanotubes with copper phthalocyanine leading to enhanced field emission | |
Omurzak et al. | Synthesis method of nanomaterials by pulsed plasma in liquid | |
US8216542B2 (en) | Method for separating nanotubes using microwave radiation | |
WO2017056741A1 (en) | Nickel powder and nickel paste | |
Abdel-Fattah et al. | Oxygen functionalization of MWCNTs in RF-dielectric barrier discharge Ar/O2 plasma | |
Alessandro et al. | Selective synthesis of turbostratic polyhedral carbon nano-onions by arc discharge in water | |
Efimov et al. | A new approach to the high-yield synthesis of nanoparticles by spark discharge | |
Abdulhameed et al. | Characterization and selective deposition of carbon nanotubes from carbon nanoparticles mixture using mild acid treatment and electrokinetic manipulation | |
Abrar et al. | Enhancement of the electrical properties of carbon nanotubes with Ar–N2 plasma treatment | |
RU2627767C1 (en) | Method for producing carbon-fluorocarbon nanocomposite material | |
JP6425367B1 (en) | Nickel powder and nickel paste | |
Zaikovskii et al. | Tin–carbon nanomaterial formation in a helium atmosphere during arc-discharge | |
JP2009132605A (en) | Method for processing carbon nanotube, carbon nanotube and carbon nanotube device | |
Letoffé et al. | Functionalization and exfoliation of graphite with low temperature pulse plasma in distilled water | |
JP2004168647A (en) | Method and apparatus for producing multi-walled carbon nanotubes, method for purifying the same, and pulsed high-voltage large-current power supply | |
JP5449987B2 (en) | Method for concentrating semiconducting single-walled carbon nanotubes | |
RU2502668C1 (en) | Method of obtaining carbon nanomaterial and carbon nanomaterial | |
JP4675053B2 (en) | Method for producing high purity diamond particles | |
Harris | Ultrathin graphitic structures and carbon nanotubes in a purified synthetic graphite | |
Pawlyta | Transmission electron microscope studies on carbon nanostructured materials | |
KR102362517B1 (en) | Tungsten doped grapheneoxide, manufacturing method thereof and electron emitter including the same |