способ выделения ультрадисперсного алмаза из детонационной шихты

Формула изобретения

Способ выделения ультрадисперсного алмаза из детонационной шихты, включающий ее обработку в токе газа при температуре 340-400°С, а также очистку соляной кислотой, отличающийся тем, что сначала проводят очистку детонационной шихты соляной кислотой, а в качестве газа используют воздух или инертный газ - аргон или азот, причем обработку в токе указанного газа проводят парами воды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической технологии получения ультрадисперсного алмаза (УДА), т.е. наноалмаза, из углеродной шихты, полученной детонационным способом.

С середины прошлого века известно большое количество способов выделения и очищения УДА из детонационной шихты путем ее обработки окислительными смесями сильных кислот при воздействии температуры и давления (например, патенты Великобритании №№1115649 (1968 г.), 1154633 (1969 г.); США №№3401019 (1968 г.), 3488163 (1970 г.); а.с. СССР №№1770272 (1992 г.), 1819851 (1993 г.), патенты РФ №№2019500 (1994 г), 2023659 (1994 г.) и др.). Известен, например, способ очистки детонационного алмаза (пат. Великобритании №1154633, кл. С01В 31/06, опубл. 1969 г.) путем обработки шихты окислительной смесью, содержащей до 50% азотной кислоты, а также концентрированную серную и фосфорную кислоты, при нагреве до 250°С и давлении 280 атм в течение 2-60 час. Недостатками таких способов являются использование химически агрессивных реагентов, сопровождающееся выделением токсичных газов, и необходимость специального оборудования для создания высокого давления.

Известен способ (Заявка Японии №2002066302, кл. В01J 3/06, С01В 31/06, С04В 35/52, опубл. 05.03. 2002 г.), в котором наноалмаз получают с использованием нагрева наноуглеродной шихты при 1600°С и давления 10 ГПа. Такой способ, кроме сложной технологии и оборудования, требует большого расхода энергии.

Известен способ выделения УДА из графито-алмазной шихты в более мягких условиях (пат. РФ №2081821, кл. С01В 31/06, опубл. 20.06.97 г.). Процесс проводят в два этапа: сначала исходную детонационную шихту промывают и сушат, а затем проводят ее обработку окислительной азотно-серной смесью при массовом соотношении сухая шихта: азотно-серная смесь 1:(20÷25), при этом серную кислоту загружают один раз на весь процесс, а азотную кислоту добавляют периодически по 1 порции после полного окисления каждой предыдущей порции. В этом способе также используются сильные кислоты, выделяющие токсичные газы.

Наиболее близким к предлагаемому является способ (пат. РФ №2004401, кл. С01В 31/06, опубл. 15.12.1993 г.), заключающийся в том, что обработку детонационной шихты, содержащей УДА, проводят путем окисления неалмазной формы углерода на воздухе при температуре 300-550°С в присутствии водного раствора борного ангидрида, введенного предварительно, которым пропитывают шихту по всему объему и образуют на частицах УДА стекловидную пленку борного ангидрида, защищающего УДА от окисления на воздухе при температуре до 550°С. А незащищеные пленкой частицы УДА полностью окисляются уже при 350-400°С. Продукт высушивают и измельчают. Остаток обрабатывают кипячением в соляной кислоте для удаления металлических примесей, промывают в воде и сушат. Такой способ является более экологически чистым по сравнению с рассмотренными выше способами выделения УДА.

Основным недостатком данного способа является его усложнение необходимостью использования борного ангидрида, который затем требуется удалять при выделении частиц УДА. Можно также отметить недостаточно высокий выход готового продукта, не превышающий 30%.

Задачей предлагаемого способа является исключение необходимости использования борного ангидрида для защиты поверхности частиц УДА и в то же время обеспечение их устойчивости к действию повышенных температур, а также увеличение выхода целевого продукта - УДА, по сравнению со способом-прототипом.

Поставленная задача решается тем, что при выделении ультрадисперсного алмаза из детонационной шихты, включающем основную обработку шихты с использованием воздуха при температуре 340-400°С, а также дополнительную очистку соляной кислотой, предлагается основную обработку детонационной шихты проводить парами воды в токе воздуха или инертного газа - аргона или азота.

При этом дополнительную очистку детонационной шихты соляной кислотой проводят на предварительном этапе перед основной обработкой.

Авторами предлагаемого способа установлено, что при окислении парами воды в токе газа-носителя воздуха устойчивость частиц УДА проявляется до температур 340-400°С. При более высоких температурах происходит их полное окисление, а при более низких температурах процесс выделения УДА неэффективен. Аналогичная устойчивость к действию температур того же диапазона проявляется и при обработке парами воды в потоке инертного газа. В качестве газа-носителя использовали инертные газы, аргон, азот. Удаление неалмазной формы углерода основано на том, что неалмазная фаза окисляется при более низких температурах, чем частицы УДА.

При этом предпочтительно очистку детонационной шихты соляной кислотой проводить на предварительном этапе, перед обработкой парами воды в токе газа-носителя, на котором удаляются неуглеродные примеси, для повышения эффективности обработки и выхода готового продукта.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Исходную детонационную шихту, содержащую УДА, кипятят 1-2 часа в растворе соляной кислоты для удаления примесей. Затем ее промывают до нейтральных вод и сушат при температуре 150-160°С. Получают предварительно очищенную от неуглеродных примесей шихту с частицами УДА.

Навеску очищенной шихты (1-2 г) помещают в кварцевый реактор (кварцевую трубку), обогреваемый двумя электропечами. В реактор (трубку) подают водяной пар газом- носителем (воздухом, аргоном или азотом), при этом пар сначала нагревается до рабочей температуры (340-400°С) в зоне первой печи, а затем проходит в зону второй печи, содержащую навеску шихты с частицами УДА. В ходе процесса шихта периодически перемешивается. По окончании выделенный и очищенный продукт - ультрадисперсный алмаз высушивают в сушильном шкафу при 150°С и определяют его выход ( 40%).

Таким образом, предлагаемый процесс выделения УДА в более мягких условиях (при некотором снижении температур обработки) экологически чистым способом позволяет получить более высокий выход готового продукта, по сравнению с прототипом.

Условия основной обработки очищенной от неуглеродных примесей шихты, содержащей частицы УДА, приведены в примерах.

Пример 1. Очищенная соляной кислотой детонационная шихта с частицами УДА обрабатывается в кварцевом реакторе парами воды в токе воздуха при температуре 340°С до полного удаления неалмазной формы углерода. Выход УДА составил 41,2 вес.%.

Пример 2. Обработка шихты проводится аналогично примеру 1, но в токе аргона при температуре 340°С. Выход - 39,8 вес.%.

Пример 3. Обработка проводится аналогично примеру 1, но в токе азота при температуре 350 С. Выход - 38,4 вес.%.

Варианты параметров процесса выделения УДА приведены в таблице.

Получение ультрадисперсного алмаза необходимо для использования в современных технологиях изготовления тонких алмазных покрытий высокой стойкости к различным воздействиям, использования в композиционных материалах, в антифрикционных смазках, в качестве сцепляющего слоя для разнородных материалов и во многих других применениях.

Таблица
№ п/п	Газ-носитель	Температура обработки, °С	Выход, вес.%	Примечание
1	Воздух	300	0	Реакция не идет
2	Воздух	340	41,2
3	Воздух	350	40,0
4	Аргон	340	39,2
5	Азот	350	38,5
6	Аргон	350	39,8
7	Воздух	400	30,0
8	Аргон	420	10,0
9	Воздух	500	0	Полное окисление шихты
10	Аргон	500	0	- -