Область техники.

Изобретение относится к химии углерода, и, в частности, к получению углеродных многослойных наночастиц фуллероидного типа.

Частицы фуллероидного типа имеют характерное строение, представляющее собой непрерывную сеть, состоящую из 5-ти, 6-ти членных колец, имеющих чередующиеся σ и π - связи.

Многослойные частицы имеют расстояние между слоями, равное 0,34-0,36 нм. Строение фуллероидных наночастиц определяет их способность к малоинтенсивному, интенсивному или аномально высокому дисперсионному взаимодействию, что проявляется в возможном увеличении напряженности электрического поля электромагнитной волны, падающей на такую частицу.

Предшествующий уровень техники.

Многослойные углеродные наночастицы фуллероидного типа - многослойные углеродные нанотрубки, - представляют собой наночастицы трубчатой формы, имеющие достаточно широкий диапазон размеров: длина 10-100 000 нм; внешний диаметр 1-500 нм; толщина стенок 0,1-200 нм. Нанотрубки получают выделением из катодного осадка, получаемого при дуговом испарении графитового анода, [заявка JP JSГ207- 165406, М.кл. C Ol B, 31/00, 1995].

У многослойных углеродных нанотрубок практически отсутствует эффект силового взаимодействия в межэлектродных промежутках при автоэмиссии из катодов, содержащих такие наночастицы. Кроме того, значение коэффициента усиления электрического поля, реализуемое на поверхности катода, содержащего нанотрубки, невелико, что не позволяет получить высокий уровень дисперсионного взаимодействия на границах различных сред.

Известны полиэдральные многослойные углеродные наночастицы фуллероидного типа, имеющие межслоевое расстояние 0,34-0,36 нм и средний размер частиц 60-200 нм [RU патент N°2196731 , M. кл. COlB, 31/02, 2003].

Полиэдральные многослойные углеродные наночастицы представляют собой 4-7-cтopoнниe многогранники с внутренним щелевидным капилляром. Они могут иметь также разветвленный вид и не содержать внутреннего капилляра, или иметь вид приплюснутого многогранника, внешний диаметр которого превышает длину наночастицы.

Полиэдральные многослойные углеродные наночастицы фуллероидного типа выделяют из корки катодного осадка, получаемого при дуговом процессе испарения графитового анода. Способ получения включает газофазное окисление размолотой корки катодного осадка и последующее жидкофазное окисление углеродного порошка в расплаве смеси гидроксида и нитрата калия, как это показано в RU 2196731.

Полиэдральные многослойные углеродные наночастицы обладают рядом ценных свойств: они способствуют структурированию бетонов [RU патент N22233254, 2004], повышают износостойкость сплавов [RU патент N°2281341, 2003], имеют высокую стойкость к термическому разложению [RU патент JV22196731, 2003] и т. п. Однако, случайный характер их распределения по размерам и формам, не позволяет реализовать эффект силового взаимодействия в межэлектродном промежутке при автоэлектронной эмиссии из катодов, выполненных из таких наночастиц и достигнуть высоких значений коэффициента усиления электрического поля на их поверхности, что обеспечивало бы максимально высокий уровень дисперсионного взаимодействия на границах раздела фаз в различных средах.

Раскрытие изобретения.

В основу изобретения поставлена задача получения многослойных углеродных наночастиц фуллероидного типа, дающих высокие значения силового взаимодействия в межэлектродном промежутке при автоэлектронной эмиссии из катода, выполненного из указанных частиц. Согласно изобретению, многослойные углеродные наночастицы фуллероидного типа с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм имеют тороидальную форму с соотношением внешнего диаметра к толщине многослойного тела тора, равным (10-3): 1, и средним размером наночастиц 15-100 нм.

Тороидальные многослойные углеродные наночастицы фуллероидного типа получены путем селекции размеров и форм многослойных углеродных наночастиц разделением их в электрическом поле, как это описано в работе Броздниченко А.Н. и др. [«Пoвepxнocть. Рентгеновские, Синхротронные и Нейтронные исследования)) 2007, Ж2, с. 69-73]. Для получения наночастиц указанной формы в вакуумный объем помещают катодную пластину, на которой размещены полученные окислением в результате предыдущих операций многослойные углеродные наночастицы и, параллельно ей, анодную пластину, выполненную из немагнитного материала, например, тантала. После подключения анода и катода к источнику высокого напряжения подают питание и постепенно повышают разность потенциалов, действующую в межэлектродном промежутке. При достижении напряженности поля в 800-1000 В/мм начинает появляться автоэмиссионный ток. При увеличении автоэмиссионного тока возникает сила притяжения анода катодом, что фиксируется вакуумным динамометром, на котором закреплена анодная пластина. Начиная с некоторого значения автоэмиссионного тока, часть многослойных углеродных наночастиц перемещается с катода на анод, при этом сила, действующая в межэлектродном промежутке перестает расти. Затем напряжение, поданное на катод и анод снимают, вакуумный объем заполняют инертным газом и собирают углеродные многослойные наночастицы, накопившиеся на анодной пластине.

Многослойные углеродные наночастицы, выделенные таким образом, имеют тороидальную форму с соотношением внешнего диаметра к толщине тела тора, равным (10-3):l, как показали исследования, выполненные с помощью просвечивающего электронного микроскопа, такого, как JEM-100C.

Микрофотографии полученных наночастиц представлены на

Фиг. 1-2.

На Фиг. 1 представлено изображение многослойных углеродных наночастиц фуллероидного типа, агломерированных в виде связки торов.

На Фиг. 2 представлено изображение тороидальных многослойных углеродных наночастиц фуллероидного типа при большом увеличении, позволяющем определить соотношение внешнего диаметра тора к толщине его тела.

Заявляемое изобретение поясняется примерами, но не ограничено ими.

Пример 1.

Электродуговой эрозией анодного графитового стержня сечением 30-160 мм при плотности тока 80-200 А/см и падении напряжения на дуге 20-28 В в гелиевой атмосфере при давлении 40- 100 тор получают катодный осадок. Плотную корку катодного осадка отделяют от рыхлой середины, измельчают и помещают во вращающуюся кварцевую трубу, помещенную в СВЧ-поле с частотой 2,5 ГГц и мощностью 500-1500 Вт. После 100-150 мин. газофазного окисления в указанных условиях, полученный порошок охлаждают и помещают в вакуумный объем на отрицательный электрод в межэлектродное пространство между катодом и анодом. Затем повышают разность потенциалов между катодом и анодом до появления тока автоэмиссии. При повышении автоэмиссионного тока часть многослойных углеродных наночастиц перемещается на положительный электрод. После окончания процесса их собирают с поверхности анода и переводят в дисперсию в органическом растворителе, например, в диметилформамиде.

Пример 2.

Продукт получают, как в примере 1 , но газофазное окисление проводят в среде, содержащей повышенное количество кислорода, например от 20% до 60%.

Пример 3.

Продукт получают, как в примере 1, но после газофазного окисления многослойные углеродные наночастицы дополнительно окисляют электрохимически в водном электролите, содержащим растворы соединений хлора.

Пример 4.

Продукт получают, как в примере 1 , но выделение тороидальных многослойных углеродных наночастиц производят в электрическом поле в диэлектрической среде с высоким значением диэлектрической проницаемости (например в уайт-спирите).

Пример 5.

Продукт получают, как в примере 1, но после газофазного окисления многослойные углеродные наночастицы дополнительно охлаждают помещением в среду жидкого газа (азота, гелия), барботируют и разделяют осадок с жидкой фазой с последующим испарением жидкого газа и получением двух видов углеродного порошка, который далее обрабатывают, как это показано в примере 1.

Для определения электрофизических параметров продукт отделяют от растворителя и исследуют по следующим параметрам: - рентгенографически определяют межслоевое расстояние в многослойных углеродных наночастицах, которое равно 0,34-0,36 нм, что характерно для соединений углерода фуллероидного типа;

- с помощью электронного просвечивающего микроскопа, например, JEM-100C и стандартных образцов латексных шариков определяют размеры, форму и соотношение внешних диаметров тороидальных наночастиц и толщины их многослойного тела.

Из полученных тороидальных наночастиц путем нанесения их на электропроводящую подложку был изготовлен автоэмиссионный катод. Аналогичным способом были изготовлены автоэмиссионные катоды с многослойными нанотрубками и с полиэдральными многослойными углеродными наночастицами по RU 2196731.

Для указанных автоэмиссионных катодов определялось силовое взаимодействие в межэлектродном промежутке. Показатели приведены в таблице.

Из таблицы видно, что сила, действующая в межэлектродном промежутке в случае отрицательного электрода, выполненного из тороидальных многослойных углеродных наночастиц фуллероидного типа отличается от значений таких сил для электродов из многослойных нанотрубок и полиэдральных многослойных углеродных наночастиц фуллероидного типа, полученных в соответствии с RU 2196731.

Таблица

Показатели силового взаимодействия для электродов из многослойных углеродных наночастиц фуллероидного типа по заявляемому - техническому решению

Промышленная применимость.

Полученный продукт, вследствие высокого значения коэффициента усиления электрического поля на поверхности таких тороидальных многослойных углеродных наночастиц фуллероидного типа, может найти применение в электронных приборах, использующих эффект силового взаимодействия в межэлектродном промежутке при автоэлектронной эмиссии (сенсоры динамических параметров), как компонент нелинейно-оптических сред, а также как усиливающая добавка к конструкционным композиционным материалам и как пластифицирующая добавка к бетонным смесям в строительстве.