Изобретения в области наноматериалов и нанотехнологий. Часть II

Высокие технологии поражают воображение людей, демонстрируя все новые и новые дости- жения (материалы, способы, системы, технологии, устройства и др.), кардинально меняющие окружающий мир. Это, прежде всего, можно отнести к изобретениям ученых, инженеров и специалистов

ОБЗОР ИЗОБРЕТЕНИЙ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ из разных стран (Германии, России, США и др.) в области нанотехнологий.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Композиция на основе оксидных наноструктур для придания поверхности супергидрофобных свойств (RU 2763891 С1)

Изменение климата за последние десятилетия привело к увеличению количества различных областей и территорий со значительными суточными перепадами температур. Это, в свою очередь, способствовало учащению случаев обледенения и загрязнения изделий, конструкций и сооружений различной природы (металлических, стеклянных, деревянных и других), например, линий электропередач, фермовых конструкций, крыш и других. При небольшом морозе, в условиях мягкой зимы, на поверхность материалов и изделий оседают капельки тумана или дождя, которые, замерзая, формируют плотную ледяную «шубу». В результате, например, провода рвутся, а опоры линий электропередач ломаются.

Супергидрофобность – уникальное свойство материалов, характеризующееся полной несмачи-ваемостью поверхности жидкостями. В настоящее время сделаны первые шаги в разработке композиции на основе оксидных наноструктур для придания супергидрофобных свойств различным поверхностям. Данные покрытия обладают уникальными физико-химическими и структурно-механическими свойствами, поэтому разработка материалов с супергидрофобными свойствами и их применение в промышленности и повседневной жизни является актуальным вопросом.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке нового способа получения материалов с супергидрофобными свойствами, обладающих повышенными эксплуатационными и функциональными характеристиками, которые найдут широкое применение в различных областях: в энергетике, электронике, машиностроении, строительстве, судостроительстве, авиационной и аэрокосмической, а также пищевой промышленности. Особенностью изобретения является проявление покрытиями супергидрофобных свойств и, как следствие, при их нанесении предотвращение обледенения и загрязнения металлических изделий, например, линий электропередач, фермовых конструкций, крыш и других [1].

Технический результат достигается с помощью использования композиции на основе оксидных наноструктур для придания поверхности супергидрофобных свойств, содержащей тетраэтоксисилан и те- траизопропилат титана как структурообразователи, гексаметилдисилазан как гидрофобный компонент, изопропиловый спирт как растворитель, несферический нанокристаллический диоксид титана с размерами частиц от 10 до 50 нм как интенсификатор процесса роста анизотропных структур для формирования определенной шероховатости покрытия, при следующих соотношениях компонентов в % (масс.): тетраэтоксисилан – 1–10, тетраизопропилат титана – 1–15, гексаметилдисилазан – 2–10, нанокри-сталлический диоксид титана – 0,01–1, изопропиловый спирт – остальное.

Композиционный теплопроводящий материална основе наножидкости (RU 2764219 С1)

С развитием энергонасыщенных электронных технологий возникает необходимость создания эффективных систем охлаждения и управления большими тепловыми потоками. Один из способов провести интенсификацию теплообмена – улучшить теплофизические характеристики теплоносителя. Этого можно добиться, повысив теплопроводность жидкости путем добавления твердых частиц с высокой теплопроводностью. При этом наряду с теплопроводностью изменяются и другие теплофизические свойства жидкости. Важной характеристикой при использовании проточных систем охлаждения является вязкость охлаждающей субстанции.

Настоящее изобретение относится к теплопроводным пастам, содержащим смесь синтетического и силиконового масел и смесь теплопроводных наполнителей. Композиционный теплопроводящий материал на основе наножидкости может быть использован в качестве теплоносителя для создания новых теплоэнергетических установок, тепловых межфазных материалов (МТВ). Изобретение представляет собой многокомпонентную гетерогенную систему, наполненную мелкодисперсными агломератами частиц, обладающих различной структурой, теплопроводящими свойствами, диэлектрическими и механическими свойствами при определенных количественных соотношениях между компонентами, а также технологическими особенностями их соединения [2].

Задачей настоящего изобретения является расширение диапазона рабочих температур и увеличение теплопроводности, что заключается в создании теплопроводящего компаунда на основе наножидкости, предназначенного для технических изделий и систем, при работе которых требуется осуществлять эффективный отвод избыточной тепловой энергии. Компаунд должен сочетать в себе следующие качественные характеристики:

ОБЗОР ИЗОБРЕТЕНИЙ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

• –    оптимальный диапазон рабочих температур для более широкого применения в различных электронных устройствах от –50 до 200^оС;

• –    теплопроводность 9 Вт/(м•К);

• –    плотность 3,5 г/см³;

• –    динамическую вязкость 900 П;

• –    нормативный срок службы 5 лет.

В результате исследований было определено необходимое количество нанопорошка теплопроводного носителя (порядка 20%±0,07). При этом паста имеет в нормальных условиях вазелиноподобную консистенцию. При содержании в смеси нанопорошка теплопроводного носителя более 20% ±0,07 паста утрачивает свое вазелиноподобное состояние, приобретает рассыпчатую структуру и становится непригодной для нанесения.

Технический результат – улучшение теплопроводности и динамической вязкости получаемого материала.

Нанокомпозитный материал на основе титаната калия (RU 2766089 С1)

Задачей настоящего изобретения является получение нового вида порошка титаната калия, состоящего из чешуйчатых частиц субмикронного размера, которые декорированы наноразмерными частицами трехкомпонентного слоистого двойного гидроксида. Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является улучшение комплекса трибологических свойств порошка титаната калия, проявляющееся в снижении коэффициента трения, увеличении износостойкости трущихся поверхностей и увеличении критической нагрузки и нагрузки сваривания при использовании смазочных композиций, содержащих данный вид порошка в качестве добавки [3]. Указанный технический результат достигается тем, что в модифицированном порошке титаната калия, состоящем из слоистых частиц чешуйчатой формы субмикронного размера, согласно изобретению, частицы титаната калия декорированы наноразмерными частицами карбонатной формы слоистого гидроксида, содержащего Cu, Zn и Al, в котором мольное соотношение указанных металлов составляет 1:1:1 с возможным отклонением в содержании каждого из компонентов не более чем на 10%. Целесообразно также использовать частицы нанокомпозитного материала, обработанные поверхностно-активным веществом. Целесообразно в качестве поверхностно-активного вещества использовать неионогенное поверхностно-активное вещество.

Формирование модифицированного слоя на поверхности трущихся деталей в присутствии добавок частиц ПТК/СДГ, а также заполнение ими неровностей поверхности предотвращает прямой контакт деталей трибосопряжений. Вследствие этого повышаются не только атифрикционные, но и противоиз-носные и противозадирные (нагрузочные) свойства смазочных материалов. При этом антифрикционные свойства синтезированных порошков модифицированного ПТК определяются также и их слоистой структурой и низким значением собственного коэффициента трения. В то же время трибохимическое взаимодействие частиц ПТК с поверхностью стали приводит к внедрению титана в поверхностный слой металла, приводящему к увеличению его микротвердости и износостойкости, аналогично действию добавок чистого порошка ПТК. Присутствие алюминия в составе модифицированного порошка полититаната калия, согласно заявляемому техническому решению, способствует формированию на трущихся поверхностях стали участков, покрытых пленкой оксида алюминия, которая способствует не только повышению микротвердости (износостойкости) поверхности стали, но и препятствует свариванию под нагрузкой (происходит увеличение нагрузки сваривания).

Изобретение относится к химической, автомобильной, машиностроительной и текстильной промышленности и может быть использовано при изготовлении антифрикционных добавок к смазочным материалам для узлов трения качения и скольжения.

Биоцидная композиция и способ ее получения (RU 2763930 С1)

Техническим результатом заявленного изобретения является получение биоцидной композиции для использования в качестве антимикробной добавки в краски и полимерные материалы с целью усиления антимикробного эффекта за счет содержания в композиции наночастиц оксида цинка, вызывающих повреждение белковой структуры бактерий и их гибель [4]. Поставленная задача решается тем, что биоцидная композиция состоит из наночастиц оксида цинка, гомогенно распределенных в растворителе, отличающаяся тем, что используют наночастицы оксида цинка размером 80±10 нм и удельной поверхностью 10±2 м2/г, с дополнительным содержанием стабилизатора наночастиц, выбранного из группы, включающей поликарбоксилат, поливинилпирроли-дон, 2-амино-2-метил-1-пропанол, 8-оксихинолин, фенантролин, дипиридил или их комбинацию, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

• •    наночастицы ZnO 30–50;

• •    стабилизатор наночастиц 2,0–4,0;

• •    растворитель 46–68.

Для совмещения биоцидной композиции с термопластичным полимером (полиметилметакрилат и сополимеры, полилактид, полиэтилен низкой

ОБЗОР ИЗОБРЕТЕНИЙ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ плотности, полипропилен, полистирол и другие) применяется высушенная композиция. Для этого обработанные наночастицы отделяют от растворителя и высушивают в сушильном шкафу при температуре 90–100oC в течение 5 ч.

В качестве стабилизатора в заявленном способе используют, по крайней мере, одно вещество, выбранное из ряда: поликарбоксилат, поливинилпир-ролидон, 2-амино-2-метил-1-пропанол, 8-оксихино-лин, фенантролин, дипиридил или их комбинации. Эти органические соединения удовлетворяют требованиям, предъявляемым к лигандам для поверхностной обработки наночастиц оксида цинка. Они содержат в своем составе атомы азота и кислорода или только кислорода, положение атомов азота и кислорода относительно друг друга фиксировано, что определяет сильное взаимодействие органической молекулы и катиона металла.

Способ получения нанодисперсных порошков(RU 2763814 С1)

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к получению нанодисперсных вольфрамсодержащих порошков, используемых при изготовлении твердых сплавов на основе вольфрама. Техническим результатом настоящего изобретения является получение нанодисперсных порошков, содержащих вольфрам или карбид вольфрама, из изделий и отходов изделий, изготовленных из твердых сплавов, таких как ТТК, ВНЖ, ТК, ВК и подобных, с высокой технологичностью и производительностью, малым энергопотреблением и возможностью утилизации твердосплавных отходов. Для получения нанодисперсных порошков используют универсальное оборудование простой конструкции, безопасное в использовании, с высоким ресурсом работы. Синтез нанодисперсных порошков может быть осуществлен при комнатной температуре. На выходе могут быть получены высококачественные нанодисперс-ные порошки вольфрама, карбида вольфрама, смеси карбидов вольфрама и титана, карбидов вольфрама, титана и тантала, а также других соединений, составляющих основу перерабатываемых металлических отходов [5].

Технический результат изобретения достигается тем, что для получения вольфрамсодержащих нано-дисперсных порошков в герметичный реактор, имеющий угол наклона к оси вращения от 0 до 90 градусов, загружают изделия и/или отходы из твердых сплавов и заливают диспергирующую жидкость, имеющую рН 1–4. Диспергирующая жидкость включает водный раствор Fe2(SO4)3 с концентрацией 5–30 г/л, серную кислоту и микрооргорганизмы Thiobacilhts ferwoxidans. Синтез нанодисперсных порошков про- водят при соотношении твердой и жидкой фазы Т:Ж, равном 1:(1–7). Осуществляют непрерывное вращение реактора со скоростью 2–60 оборотов в минуту при температуре 16–35оС в течение 480–600 ч. Затем пульпу отстаивают, раствор сливают, полученный осадок промывают, сушат и просеивают.

Вращающийся герметичный реактор может быть выполнен в виде барабана круглого или многогранного сечения, или в виде бикуба, или биконуса, или V-образным. На рис. 1 изображено устройство для получения нанодисперсных порошков, с рабочим органом в форме биконуса. В качестве твердых сплавов используют такие сплавы, как ТТК, ВНЖ, ТК, ВК. При вращении корпуса происходит перемещение диспергирующей жидкости и твердосплавных изделий и/или отходов. При этом в установке происходит одновременно механическое истирание, химическая и бактериальная обработка металла твердосплавных изделий и/или отходов.

Рис. 1 Устройство для получения нанодисперсных порошков, с рабочим органом в форме биконуса: 1 – сварной корпус, выполненный из нержавеющей стали в виде биконуса; 2 – загрузочное устройство; 3 – двигатель; 4 – вал; 5 – станина

Полимерный материал (RU 2765293 C2)

Изобретение имеет отношение к полимерному материалу для изготовления волокна, пленки или впитывающего изделия, к волокну, нетканому полотну и впитывающему изделию, которые включают указанный полимерный материал, а также к способам образования полимерного материала и волокна. Полимерный материал содержит термопластичную композицию. Композиция содержит непрерывную

ОБЗОР ИЗОБРЕТЕНИЙ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ фазу, которая включает матричный полимер и силоксановый компонент. Силоксановый компонент содержит сверхвысокомолекулярный силоксановый полимер, который диспергирован в непрерывной фазе в форме дискретных доменов. В термопластичной композиции определена поровая сеть, которая включает множество нанопор. Силоксановый полимер характеризуется средневесовой молекулярной массой, составляющей приблизительно 100 000 г/моль или больше. Матричный полимер включает сложный полиэфир или полиолефин. Технический результат – получение улучшенного полимерного материала, который является пористым [6].

В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения раскрыт полимерный материал (например, волокно, пленка, формованное изделие и т.д.), который содержит термопластичную композицию. Композиция содержит непрерывную фазу, которая включает матричный полимер и силоксановый компонент. Силоксановый компонент содержит сверхвысокомолекулярный силоксановый полимер, который диспергирован в непрерывной фазе в форме дискретных доменов. В термопластичной композиции определена поровая сеть, которая включает множество нанопор.

В общем, настоящее изобретение направлено на полимерный материал (например, пленку, волокнистый материал, формованное изделие и т.д.), который образован посредством вытягивания термопластичной композиции (например, вытягивания в твердом состоянии), содержащей непрерывную фазу, которая включает матричный полимер и силоксановый компонент.

Гибридный суперконденсатор на основе наноразмерного гидроксида никеля (RU 2763028 С1)

Заявленное техническое решение относится к области электротехники и электрохимии. Оно может быть применено в портативной электронике, в качестве стартера для автомобиля, в источниках бесперебойного питания, фотовспышках, медицинской технике. Среди гидроксидов металлов гидроксид никеля является широко используемым материалом для аккумуляторов и суперконденсаторов из-за многослойной структуры с большим межслоевым расстоянием, относительной безвредности для окружающей среды, высокой теоретической емкости, отличных электрохимических свойств, стабильности, низкой себестоимости и легкой доступности. Для повышения удельной емкости используют различные методы синтеза. Высокопористая структура, высокая удельная площадь поверхности улучшают электрохимические свойства за счет более быстрой и легкой диффузии электролита на активных участках и большего использования массы. Существуют способы управлять свойствами полученного гидроксида, такие как изменение его структуры при синтезе, а также допирование его различными добавками (кобальт, алюминий, цинк и т.д.), давая возможность значительно улучшить свойства получаемого гидроксида и его электрохимическую емкость.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что гибридный суперконденсатор на основе наноразмерного гидроксида никеля состоит из пластикового корпуса (рис. 2), включающего крышку, держатель клапана и стакан, в котором размещены два электрода, причем один электрод изготовлен из наноуглеродного материала, другой электрод изготовлен из гидроксида никеля, свернутых в рулон и разделенных сепаратором; две пено-никелевые подложки, к каждой из которых приварен никелевый токоотвод; клапан для сброса избыточного давления от выделяющихся газов, расположенный внутри корпуса; при этом внутрь корпуса залит 30% раствор гидроксида калия, растворенный в воде [7].

Крышка 1, держатель клапана 2 и стакан 3 напечатаны на 3D-принтере из акрил-бутадиен-стироло-вого пластика, устойчивого к воздействию щелочи. В сборе эти детали образуют цельный корпус гибридного суперконденсатора. Клапан для сброса избыточного давления 4 представляет собой промыш-

Рис. 2. Гибридный суперконденсатор на основе наноразмерного гидроксида никеля : 1 – крышка; 2 – держатель клапана; 3 – стакан; 4 – клапан для сброса избыточного давления; 5 - рулонный блок электродов; 6 – никелевый токоотвод

ОБЗОР ИЗОБРЕТЕНИЙ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ленно изготовленный клапан марки 7HH1103383-3. Он необходим в суперконденсаторе для сбора избыточного давления газов, которые выделяются при разложении водного электролита в случае превышения допустимого тока и напряжения, а также в случае избыточного перезаряда. Рулонный блок электродов 5 представляет собой два электрода, для каждого из которых в качестве подложки используют электрохимически активированный пеноникель. Первый электрод изготавливают из углеродного наноматериала, например, из «Таунит-М». Второй электрод изготавливают из гидроксида никеля с высокой удельной поверхностью и стабильными частицами. К пеноникелевой подложке приваривают никелевый токоотвод 6. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении емкостных характеристик гибридного суперконденсатора.

Способ получения безвольфрамовых твердосплавных порошковых материалов в воде дистилированной ( RU 2763431 С1)

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к составам и способам получения порошка безвольфрамового твердого сплава, и может быть использовано для изготовления спеченных изделий, нанесения износостойких покрытий для восстановления и упрочнения деталей машин горно-металлургической промышленности, автомобильного и других видов транспорта [8].

На первом этапе производили сортировку отходов безвольфрамовых твердых сплавов, их промывку, сушку, обезжиривание и взвешивание. Реактор заполняли рабочей средой – водой дистиллированной – отходы загружали в реактор. Монтировали электроды. Смонтированные электроды подключали к генератору. Устанавливали необходимые параметры процесса: частоту следования импульсов, напряжение на электродах, емкость конденсаторов.

На втором этапе – этапе электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) – включали установку (рис. 3). Импульсное напряжение генератора 1 прикладывается к электродам 2 и далее к отходам 3 (в качестве электродов так же служили соответственно отходы безвольфрамового твердого сплава марки КНТ16) в реакторе 4. При достижении напряжения определенной величины происходит электрический пробой рабочей среды 5, находящийся в межэлектродном пространстве, с образованием канала разряда. Благодаря высокой концентрации тепловой энергии, материал в точке разряда плавится и испаряется, рабочая среда испаряется и окружает канал разряда газообразными продуктами распада (газовым пузырем 6). В результате развивающихся в канале разряда и газовом пузыре значительных динамических сил капли расплавленного материала выбрасываются за пределы зоны разряда в рабочую среду, окружающую электроды, и застывают в ней, образуя каплеобразные частицы порошка 7. Регулятор напряжения 8 предназначен для установки необходимых значений напряжения, а встряхиватель 9 передвигает один электрод, что обеспечивает непрерывное протекание процесса ЭЭД.

На третьем этапе проводится выгрузка рабочей жидкости с порошковым материалом из реактора, отделение мелкодисперсных частиц от крупноразмерных с помощью центрифуги. При этом крупные частицы оседают под действием центробежных сил, а мелкодисперсные частицы остаются в растворе.

На четвертом этапе происходит выпаривание раствора, его сушка, взвешивание, фасовка, упаковка и последующий анализ порошкового материала.

При этом достигается следующий технический результат: получение порошковых материалов из отходов безвольфрамового твердого сплава с частицами правильной сферической формы с невысокими энергетическими затратами и экологической чистотой процесса способом электроэрозионного диспергирования (ЭЭД).

Рис. 3. Процесс электроэрозионного диспергирования: 1 – генератор; 2 – электроды; 3 – отходы;

4 – реактор; 5 – рабочая среда; 6 – канал разряда;

7 – каплеобразные частицы порошка; 8 – регулятор напряжения; 9 – встряхиватель.

Также представляют интерес для специалистов следующие изобретения в области нанотехнологий:

• •    Наномодифицированный строительный раствор [9].

• •    Грунтующий состав для создания светлого электропроводящего грунтующего покрытия детали перед электростатическим окрашиванием, способ приготовления грунтующего состава и грунтующее покрытие [10].

ОБЗОР ИЗОБРЕТЕНИЙ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

• •    Способ обработки поверхности цветного металла путем формирования микрорельефа [11].

• •    Способ получения аморфного наноструктуриро-ванного алмазоподобного покрытия [12].

• •    Способ электрохимического получения нанораз-мерных пластинок графита [13].

• •    Способ комбинированной обработки каналов сложной формы и устройство для его реализации [14].

• •    Способ модифицирования бетона комплексной добавкой, включающей гидротермальные наночастицы SiO₂ и многослойные углеродные нанотрубки [15].

• •    Содержащий диоксид титана золь, способ его получения и изготовленные из него продукты [16].

• •    Оптически прозрачный люминесцентный наноструктурный керамический материал [17].

• •    Сегнетоэлектрический нанокомпозитный материал на базе пористого стекла и материалов группы дигидрофосфата калия [18].

• •    Автоэмиссионный эмиттер с нанокристалличе-ской алмазной пленкой [19].

• •    Многофункциональная наноструктурированная добавка к покрытиям [20].

• •    Пористый материал на основе сложного полиэфира [21].

• •    Способ осаждения композиционного покрытия [22].

• •    Низкотемпературная экологичная пластичная смазка и способ ее получения [23].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Одна из актуальных задач экономики любой страны – повышение конкурентоспособности промышленности за счет ее технологического переоснащения. И в этом направлении главным объектом внимания со стороны государства и компаний становятся люди или предприятия, чья основная работа связана с внедрением новых технологий. Поэтому надеемся, что публикуемая в данной рубрике информация будет востребованной и полезной для специалистов.

Продолжение следует.