углеродная структура в форме шарика для дезодорации

Формула изобретения

1. Углеродная структура в форме шарика для дезодорации, имеющая пористую углеродную оболочку со сферической полой сердцевиной, отличающаяся тем, что оболочка пропитана по меньшей мере одним дезодорирующим материалом, выбранным из группы, состоящей из переходных металлов и солей щелочных металлов, причем пористая углеродная оболочка имеет многослойную структуру, в которой по меньшей мере два слоя имеют поры разного размера, а средний диаметр пор в наружном слое больше среднего диаметра пор во внутреннем слое, или наоборот.

2. Углеродная структура в форме шарика для дезодорации по п.1, отличающаяся тем, что переходный металл выбран из группы, состоящей из меди (Cu), железа (Fe), марганца (Mn), никеля (Ni), кобальта (Со), серебра (Ag), золота (Au), ванадия (V), рутения (Ru), титана (Ti), хрома (Cr), цинка (Zn) и палладия (Pd), а соль щелочного металла выбрана из группы, состоящей из бромида натрия (NaBr), иодида натрия (NaI), бромида калия (KBr), иодида калия (KI) и иодата калия (KIO ₃).

3. Углеродная структура в форме шарика для дезодорации по п.1 или 2, отличающаяся тем, что количество пропитывающего дезодорирующего материала составляет от 0,01 до 30% по весу от общего веса дезодорирующей углеродной структуры в форме шарика.

4. Углеродная структура в форме шарика для дезодорации по п.1 или 2, отличающаяся тем, что сферическая полая сердцевина имеет диаметр от 5 до 1000 нм, а пористая углеродная оболочка имеет толщину от 10 до 500 нм.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к углеродной структуре в форме шарика для дезодорации, более конкретно к насыщенной металлом углеродной структуре в форме шарика, образованной пористой углеродной оболочкой со сферической полой сердцевиной.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Обычно различные дурные запахи образуются от повседневного пользования такими вещами, как холодильник, кондиционер воздуха, полотенца, салфетки, пеленки, гигиенические повязки, сигареты, обувь, кабинетные и платяные шкафы, а также в жилой зоне, такой как спальня, ванная и гаражное помещение. Кроме того, дурные запахи производятся также выхлопными газами автомобилей и промышленным оборудованием, таким как на предприятиях и заводах по переработке отходов и по очистке сточных вод. Материалы, производящие дурные запахи, представлены метантиолом, метилом, сульфидом, диметилом, дисульфидом, гидрогенсульфидом, аммиаком, триметиламином, ацетальдегидом, азотными окислами, азотистыми окислами, стиреном и т.п.

Для удаления подобных дурных запахов были разработаны различные дезодорирующие агенты.

Недавно был предложен способ получения углеродных структур в форме шариков, состоящих из пористой углеродной оболочки со сферической полой сердцевиной (Adv. Mater. 2002, 14, №1, 4 января). Такие углеродные структуры в форме шариков имеют то преимущество, что они могут адсорбировать больше различных видов дурных запахов, чем обычные дезодорирующие агенты из активированного угля. Однако эти углеродные структуры-шарики имеют определенные ограничения, поскольку после того, как они адсорбировали определенное количество дурно пахнущих веществ, они уже не могут больше продолжать их адсорбцию. Кроме того, вышеупомянутые углеродные шарики имеют ограниченные возможности дезодорации.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение разработано для устранения подобных недостатков предшествующего уровня техники, и поэтому целью настоящего изобретения является получение углеродной структуры в форме шарика, имеющей превосходные дезодорирующие способности, могущей абсорбировать различные виды дурно пахнущих веществ.

Для достижения поставленной цели настоящее изобретение предусматривает углеродную дезодорирующую структуру в форме шарика, имеющую пористую углеродную оболочку и сферическую полую сердцевину, причем оболочка пропитана по меньшей мере одним дезодорирующим материалом, выбранным из группы, состоящей из переходных металлов, окислов переходных металлов и солей щелочных металлов, причем пористая углеродная оболочка имеет многослойную структуру, содержащую по меньшей мере два слоя, имеющие разные размеры пор, причем средний диаметр пор, образованных во внешнем слое, больше, чем средний диаметр пор, образованных во внутреннем слое, или наоборот.

Предпочтительно, переходный металл - это один из выбранных из группы, состоящей из меди (Cu), железа (Fe), марганца (Mn), никеля (Ni), кобальта (Со), серебра (Ag), золота (Au), ванадия (V), рутения (Ru), титана (Ti), хрома (Cr), цинка (Zn) и палладия (Pd), а соль щелочного металла может быть выбрана из группы, состоящей из бромида натрия (NaBr), иодида натрия (NaI), бромида калия (KBr), иодида калия (KI) и иодата калия (KIO₃).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие признаки, аспекты и преимущества предпочтительных вариантов осуществления изобретения будут более полно раскрыты в приведенном ниже подробном описании, включая приложенные чертежи. На чертежах:

фиг.1 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую способ получения углеродной дезодорирующей структуры в форме шарика согласно настоящему изобретению,

фиг.2 - это фотография многослойной углеродной дезодорирующей структуры в форме шарика согласно настоящему изобретению, сделанная электронным микроскопом,

фиг.3 представляют собой граф динамического абсорбционного поведения углеродной дезодорирующей структуры в форме шарика согласно настоящему изобретению.

НАИЛУЧШИЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения, однако оно не ограничивается этими вариантами, но может быть модифицировано в различных направлениях в рамках существа изобретения.

Углеродная дезодорирующая структура в форме шарика настоящего изобретения имеет шарообразную углеродную структуру, состоящую из полой сердцевины и пористой оболочки. Оболочка пропитана переходным металлом, солью щелочного металла или их смесью. Кроме того, пористая углеродная оболочка имеет, по меньшей мере, два слоя с различными размерами пор. Поры, образованные во внешнем слое оболочки, могут иметь средний диаметр, больший, чем у пор, образованных во внутреннем слое, или наоборот, поэтому разные виды дурно пахнущих веществ могут быть абсорбированы в порядке, зависящем от их размера, формы или химических характеристик. Размер пор может изменяться в интервале от 0,01 до 50 нм.

Поскольку оболочка имеет по меньшей мере два слоя с разными размерами пор, она может абсорбировать разные дурно пахнущие вещества, а дезодорирующие материалы, которыми напитаны внутренние и внешние поверхности оболочки, могут химически адсорбировать и разрушать дурно пахнущие вещества. Дезодорирующая углеродная структура в форме шарика настоящего изобретения проявляет лучшую дезодорирующую способность, чем пропитанный активированный уголь, описанный в корейской выложенной для ознакомления патентной публикации №1999-80808. Иными словами, поскольку активированный уголь имеет микропоры, они могут забиваться, ухудшая дезодорирующую способность при насыщении дезодорируемыми материалами. Однако, поскольку углеродная дезодорирующая структура в форме шарика согласно настоящему изобретению имеет в оболочке поры среднего размера, такой проблемы не возникает. Кроме того, поскольку дурно пахнущие вещества поглощаются полой оболочкой дезодорирующей углеродной структурой в форме шарика согласно настоящему изобретению, в отличие от пропитанного активированного угля, то становится возможным обеспечить достаточное время контакта между дурно пахнущими веществами и дезодорирующим материалом, пропитывающим внутреннюю поверхность оболочки. Кроме того, углеродная структура в форме шарика согласно настоящему изобретению может предотвращать вторичное загрязнение, происходящее при выделении наружу продуктов распада дезодорирующих материалов.

Способ получения углеродной дезодорирующей структуры в форме шарика согласно настоящему изобретению подробно описан со ссылкой на фиг.1.

В начале готовят сферическую кварцевую сердцевину 1. Она может быть изготовлена согласно хорошо известному способу Стобера (Стобер В., Финк А., Бон Е. J. Colloid Inter. Sci. 1968, 26, 62) из предшественника (или «источника» - Прим. Перев.) кварца, такого, например, как тетраметилортосиликат и тетраэтилортосиликат. Предпочтительно, чтобы кварцевая сердцевина имела диаметр от 5 до 1000 нм.

После этого выращивают первую оболочку 2 из кварца и поверхностно активного агента на поверхности кварцевой сердцевины 1, путем реакции кварцевого предшественника и поверхностно-активного агента, такого как алкилтриметоксисилан, выраженный указанной ниже химической формулой 1, алкилтриэтоксилан, выраженный указанной ниже химической формулой 2, галогенированный алкилтриметиламмоний, выраженный указанной ниже химической формулой 3, алкилполиоксиэтилен, выраженный указанной ниже химической формулой 4, и глицеролетоксилат, выраженный указанной ниже химической формулой 5, в растворе.

Химическая Формула 1

R ₁R₂R₃R ₄Si(OCH₃)₃

В химической формуле 1: R₁, R ₂ и R₃ являются независимо метиловыми или этиловыми группами, a R₄ является алкильной группой с количеством атомов углерода от 12 до 22.

Химическая Формула 2

R₁R₂ R₃R₄Si(OC ₂H₅)₃

В химической формуле 2: R₁, R ₂ и R₃ являются независимо метиловыми или этиловыми группами, а R₄ является алкильной группой с количеством атомов углерода от 12 до 22.

Химическая Формула 3

R₁R₂ R₃R₄NX

В химической формуле 3: R₁, R₂ и R₃ являются независимо метиловыми или этиловыми группами, R₄ является алкильной группой с количеством атомов углерода от 4 до 22, а Х является галогеном.

Химическая Формула 4

R(OCH ₂CH₂)nOH

В химической формуле 4: R является алкильной группой с количеством атомов углерода от 4 до 22, а n является целым числом в интервале от 3 до 20.

Химическая Формула 5

СН₂(СН ₂O)n₁НСН(СН₂ O)n₂НСН₂(СН ₂O)n₃Н

В химической формуле 5: n₁, n₂ и n ₃ являются независимыми целыми числами в интервалах от 4 до 20.

Затем добавляют кварцевый предшественник и поверхностно-активный агент разного вида и молекулярного веса и осуществляют реакцию, получая вторую оболочку 3 на поверхности первой оболочки 2. Размер пор, образующихся в оболочке, меняется в зависимости от вида поверхностно-активного агента, а также вида и молекулярного веса кварцевого предшественника. Таким образом, определяя виды кварцевого предшественника и поверхностно-активного агента, получают поры, образованные во второй оболочке 3, большего размера, чем поры, образованные в первой оболочке 2. При необходимости на поверхности второй оболочки 3 может быть последовательно сформирована третья оболочка с порами большего размера.

После этого продукт, в котором образована оболочка, избирательно отфильтровывают и затем кальцинируют при, например, 500-600°С для удаления компонент поверхностно-активного агента. Затем получают частицы 10, имеющие многослойную кварцевую оболочку 4, в которой сформированы поры определенного среднего размера в местах, из которых удален поверхностно-активный агент. Многослойная кварцевая оболочка 4 предпочтительно имеет толщину от 10 до 500 нм.

Далее в поры, образованные в оболочке, инжектируют мономер 11, такой как акрилонитрил, фенол-формальдегид и дивинилбензол, сахар, фурфурол и т.п., который способен образовывать полимер как предшественник углерода. После этого мономер полимеризуют, получая полимер. В качестве примера полимеризации, при которой происходит радикальная полимеризация с образованием такого полимера, как предшественник углерода, мономер тщательно смешивают с радикалом-инициатором и затем инжектируют в поры среднего размера кварцевой частицы, и затем полимеризируют в соответствии с характеристиками мономера. В это время можно использовать радикалы-инициаторы, например азобисизобутилонитрил (AIBN), t-бутил перацетат, бензоил пероксид, ацетил пероксид и лаурил пероксид. Такая полимеризация хорошо известна из уровня техники, она проводится, предпочтительно, в течение около 12 часов при 60-130°С и приводит к образованию кварцево-полимерного композита.

И затем кварцево-полимерный композит обрабатывают в атмосфере азота примерно при 1000°С, получая кварцевую структуру, содержащую «обуглероженный» полимер 13. После чего кварцево-полимерный композит помещают в раствор плавиковой кислоты или смешанный раствор гидрохлорида натрия/этилового спирта для удаления кварцевой структуры, затем получают углеродную структуру в форме шарика 20, имеющую сферическую полую сердцевину 15 и пористую углеродную оболочку, и эта пористая углеродная оболочка имеет толщину от 10 до 500 нм.

После этого углеродную структуру в форме шарика 20 погружают в раствор дезодорирующего материала, составленный из переходного металла, окисла переходного металла, соли щелочного металла или их смесей, и выдерживают при комнатной температуре 2-3 дня, затем отфильтровывают и высушивают при 70-110°С, получая многослойную углеродную структуру в форме шарика, пропитанную дезодорирующим материалом 17 согласно настоящему изобретению. В качестве переходного металла, или окисленного переходного металла, которым может быть пропитана оболочка, могут быть использованы медь (Cu), железо (Fe), марганец (Mn), никель (Ni), кобальт (Со), серебро (Ag), золото (Au), ванадий (V), рутений (Ru), титан (Ti), хром (Cr), цинк (Zn), палладий (Pd) или их окислы. В качестве соли щелочного металла могут быть использованы бромид натрия (NaBr), иодид натрия (NaI), бромид калия (KBr), иодид калия (KI) и иодат калия (KIO₃). Количество пропитывающего дезодорирующего материала 17 можно контролировать, изменяя концентрацию раствора дезодорирующего материала или время пропитки. При этом количество пропитывающего дезодорирующего материала предпочтительно составляет 0,01-30% по весу от общего веса углеродной дезодорирующей структуры в форме шарика.

Пропитанная дезодорирующим материалом углеродная структура в форме шарика в соответствии с настоящим изобретением может содержать один или более видов дезодорирующих материалов из вышеупомянутых металлов. Так, дезодорирующий агент, содержащий пропитанную дезодорирующим материалом углеродную структуру в форме шарика согласно настоящему изобретению, может быть изготовлен или составлен различными путями в зависимости от вида дурного запаха или от вида применения. Например, дезодорирующий агент может содержать углеродную структуру в форме шарика, пропитанную только одним видом дезодорирующего материала или двумя различными видами дезодорирующих материалов, или же более чем двумя видами дезодорирующих материалов.

Пропитанная дезодорирующим материалом углеродная структура в форме шарика в соответствии с настоящим изобретением может быть использована для дезодорации и уничтожения различных пахнущих материалов, таких как метантиол, метил сульфид, диметил дисульфид, водород сульфид, аммиак, триметиламин, стирен, ацеталдегид, оксид азота, азотистый оксид, домашние дурные запахи, образующиеся в ванной комнате, кухне или в помещении для хранения обуви жилого дома, а также запаха табака. Так, он может также обеспечивать великолепные результаты в удалении дурных запахов от холодильника, кондиционера воздуха, воздухоочистителя, гаражного помещения, выхлопных газов автомобилей, а также испарений человеческих тел.

Кроме того, пропитанную дезодорирующими материалами углеродную структуру в форме шарика согласно настоящему изобретению можно равномерно распределять и скреплять с изделиями типа листов, пакетов или прокладок, и они могут применяться с такими вещами, как пеленки для детей или для лиц, страдающих недержанием, или с гигиеническими прокладками для использующих их женщин.

Варианты с 1 по 8

Сферическую кварцевую сердцевину формируют согласно хорошо известному способу Стобера, используя в качестве предшественника кварца тетраэтоксисилан (Видимо, имеется в виду, что тетраэтоксисилан использован в качестве исходного содержащего кварц реагента - Прим. Пат. Повер.). При этом 60 мл тетраэтоксисилана помещают в раствор гомогенной смеси 1000 мл этанола, 80 мл воды и 40 мл водного раствора аммиака 28% концентрации, получая сферическую кварцевую сердцевину от 200 до 300 нм.

Затем 59 мл смеси, в которой октадецилтриметоксисилан (C₁₈ -TMS) и тетраэтоксисилан смешаны в молярном отношении 11,8, являющейся поверхностно-активным агентом, помещают в 1180 мл кварцевой сердцевины и затем осуществляют реакцию, выращивая первую оболочку на поверхности кварцевой сердцевины. После чего туда дополнительно помещают 59 мл смеси октадецилтриметоксисилана с тетраэтоксисиланом, смешанных в молярном отношении 47,2, и осуществляют реакцию, выращивая вторую оболочку. Впоследствии созданные кварцевые частицы отфильтровывают и термически обрабатывают при 550°С в течение 5 часов, при этом в местах, из которых удален поверхностно-активный агент, образуются поры определенного среднего размера.

Затем дивинилбензол тщательно смешивают с азобисизобутронитрилом (AIBN), являющимся радикалом-инициатором, и инжектируют в поры среднего размера кварцевых частиц, после чего осуществляют полимеризацию при 80°С в течение примерно 12 часов, получая содержащую полимер кварцевую структуру. В последующем содержащую полимер кварцевую структуру обуглероживают в атмосфере азота при 1000°С, получая углеродную структуру в форме шарика. Далее углеродную структуру в форме шарика помещают в плавиковую кислоту для удаления посторонней структуры углеродного шарика, получая шарообразную углеродную структуру, имеющую полую сердцевину и пористую многослойную оболочку.

После этого, для обеспечения пропитки дезодорирующими материалами из нижеследующей таблицы, углеродную структуру в форме шарика, полученную согласно описанному выше способу, погружают в 1N раствор дезодорирующего материала примерно на 50 часов, затем отфильтровывают и высушивают при 70°С, получая при этом пропитанную дезодорирующим материалом углеродную структуру в форме шарика.

Таблица
Вид пропитывающего металла (количество пропитывающего металла, %)
Вариант 1	медь (1,3) + марганец (0,3)
Вариант 2	никель (3,1) + железо (0,8)
Вариант 3	золото (0,8) + хром (0,9) + палладий (0,8)
Вариант 4	медь (3,1) + железо (0,8) + цинк (0,8)
Вариант 5	иодид калия (3,4)
Вариант 6	серебро (4,2)
Вариант 7	кобальт (2,1) + иодат калия (1,3)
Вариант 8	ванадий (2,1) + рутений (0,3) + титан (0,6)

В таблице количество пропитывающего металла (%) = весу металла / вес углеродной структуры в форме шарика × 100.

Сравнительные примеры 1 и 2

Углеродные структуры в форме шариков, в основном состоящие из пропитанного активированного угля в качестве дезодорирующего материала, изготовлявшиеся компанией S и компанией L были выбраны в качестве сравнительных примеров 1 и 2.

Сравнивалось дезодорирующее действие по отношению к метантиолу углеродной структуры в форме шарика согласно Варианту 5 и сравнительным примерам 1 и 2; результаты сравнения показаны на фиг.3. Метантиол при 50 ppm пропускали со скоростью 100 мл/мин через реактор, содержащий дезодорирующие материалы, и с помощью масс-спектрометра анализировали их динамическое абсорбционное поведение во времени. На фиг.3 можно видеть, что углеродная структура в форме шарика, напитанная дезодорирующими материалами, имеющая многослойную структуру оболочки согласно настоящему изобретению, постоянно показывает превосходный дезодорирующий эффект, чем сравнительные примеры.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Как было описано выше, пропитанная дезодорирующими материалами многослойная углеродная структура в форме шарика согласно настоящему изобретению адсорбирует различные виды дурно пахнущих веществ, а также показывает хорошую дезодорирующую способность. Итак, углеродная структура в форме шарика настоящего изобретения может проявлять превосходное дезодорирующее действие, связывая и удаляя дурно пахнущие вещества при использовании его в качестве дезодорирующего агента для различных имеющих запах повседневных вещей, жилых помещений, производственных площадок и в других различных ситуациях, связанных с выделением дурных запахов.

Настоящее изобретение подробно описано. Однако следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, хотя и указывающие на предпочтительные варианты изобретения, приведены только в качестве иллюстрации, поскольку для лиц, сведущих в данной области, из данного подробного описания являются очевидными различные изменения и модификации в рамках духа и существа настоящего изобретения.