CZ2011540A3 - Zpusob prípravy vláknitých a lamelárních mikrostruktur a nanostruktur rízeným vakuovým vymrazováním kapalinové disperze nanocástic - Google Patents

Abstract

Zpusob prípravy vláknitých a lamelárních mikrostruktur a nanostruktur rízeným vakuovým vymrazováním kapalinové disperze nanocástic, kdy kapalinová disperze nanocástic, resp. submikronových cástic je velmi rychle zamražena do pevného stavu. V této forme je podrobena vakuovému vymrazování molekul kapaliny disperzního prostredí s požadovanou rychlostí sublimace, až do jejich úplného odstranení sublimací, za vzniku vláknitých a/nebo lamelárních mikrostruktur a nanostruktur. Úhlová orientace normály prevládající plochy sublimacního rozhraní vzhledem k vertikále, je podle potreby volena v celém intervalu od smeru vzhuru až po smer dolu. Rychlost sublimace zamrazeného materiálu je nastavena kombinací hloubky vakua a externího ohrevu sublimacního povrchu zamrazeného materiálu.

Description

Dosavadní stav techniky^

V současné době je pro ekonomicky významnou makroskopickou přípravu nanovláken používáno zejména organických prekurzorů a vlákna jsou vytvářena metodami elektrospinning - výtryskem velmi úzkého paprsku kapaliny z kapky v silném elektrickém poli. Metody, založené na uvedených principech jsou dokumentovány v následujících odkazech:

Ramakrishna, S., Fujihara, K., Teo, W.E., Lim, T.Ch., Ma, Z.: An Introduction to Electrospinning and Nanofibers, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. 2005,

PATENT WO2005024101 - A METHOD OF NANOFIBRES PRODUCTION FROM A POLYMER

SOLUTION USING ELECTROSTATIC SPINNING AND A DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD),

PATENT WO2009135446 - METHOD FOR PRODUCTION OF INORGANIC NANOFIBRES AND/OR NANOFIBROUS STRUCTURES COMPRISING TITANIUM NITRIDE, INORGANIC NANOFIBRES AND/OR NANOFIBROUS STRUCTURES),

PATENT WO2009135448 - A METHOD FOR PRODUCTION OF INORGANIC NANOFIBRES

THROUGH ELECTROSTATIC SPINNING).

Uvedené techniky zvlákňování nejsou založeny na řízené přímé aglomeraci anorganických nanočástic do formy fibrilamích agregátů a neprodukují lamelami mikrostruktury s vysokým měrným povrchem.

Podstata vynálezu

Metoda přípravy vláknitých a lamelámích mikrostruktur a nanostruktur řízeným vakuovým vymrazováním kapalinové disperze nanočástic je založena na postupné aplikaci následujících operací:

V prvním kroku je proveden výběr primárního materiálu vc formě nanoprášku, resp. submikrnového prášku s charakteristickou velikostí částic pod 1000 nm a výběr kapaliny disperzního prostředí, která příslušný primární materiál nerozpouští a je vzhledem k němu inertní. Následně je přípravna kapalinová disperze částic primárního materiálu ve zmíněné kapalině a taje velmi rychle zamrazena do pevného stavu. Pevný blok zamrazené disperse je umístěn do vakuového recipientu lyofílizátoru. Úhlová orientace normály převládající plochy sublimačního rozhraní vzhledem k vertikále, je podle požadovaných vlastností struktury sublimátu volena následovně:

a) při požadavku vzniku vícenásobně provázaných vláknitých a zejména lamelárních agregátů je volena v intervalu blaž 45° vzhledem k vzestupnému vertikálnímu směru. Při této orientaci s převládajícím směrem vzhůru dochází v průběhu sublimace kapaliny k výrazně četnější vzájemné Van der Waalsovské interakci mezi povrchovými částicemi a ke vzniku vícenásobně provázaných vláknitých a lamelárních mikrostruktur.

b) Při požadavku vzniku výrazně jednodušších lamerálních agregátů s převahou vláknitých struktur je volena v intervalu 135^až 180° vzhledem k vzestupnému vertikálnímu směru. Při této orientaci s převládajícím směrem sublimačního povrchu směrem dolů je vzájemná Van der Waalsovská interakce mezi povrchovými částicemi méně četná a vznikající agregáty mají výrazně jednodušší převážně vláknitou strukturu.

Rychlost ústupu sublimačního rozhraní zmrazené disperze lze v závislosti na jeho povrchové teplotě a hloubce vakua regulovat v rozmezí 10'² až 10² pm/s. Parametry jsou charakteristické pro každou disperzní kapalinu a například pro vodu při sníženém tlaku 12 Pa je výše uvedená rychlost v daném intervalu rostoucí funkcí teploty od -70* do CřC. Vyšší rychlosti odpovídá rychlejší sublimace, při

Λ které je intenzivnější molekulární tok par směrem od povrchu. Tento “sublimační vítr” působí destruktivně na vznikající organizované struktury a snižuje stupeň jejich provázanosti. Pomalá sublimace naopak poskytuje čas k vyšší samoorganizaci zejména lamelárních nanostruktur.

Přehled obrázků rykťat&ki

Na obr. 1 je makroskopický pohled na vláknité mikrostruktury Si v kovové misce. Na obr. 2 je mikroskopický pohled na vláknité mikrostruktury Si získaný pomocí elektronového mikroskopu.

Příklad^provedení Vy/í ΰ>1

Vynález je příkladněproveden na primárním materiálu, kterým je nanoprášek křemíku Si se střední velikostí částic 148pm. Jako kapalina disperzního prostředí bvla vvbrána demineralizovaná voda.

Λ

Z nanoprášku Si a demineralizované vody je připravena kapalinová disperze a tato je velmi rychle zamrazena do pevného stavu. Pevný blok zamrazené disperse je umístěn do vakuového recipientu lyofilizátoru. Uhlová orientace normály převládající plochy sublimačního rozhraní vzhledem k vertikále, je zvolena směrem vzhůru po vertikální ose. Pevný blok zamrazené disperze je následně podroben vakuovému vymrazování, tak, že veškerá demineralizovaná voda je sublimována do vymrazovacího prostoru lyofilizátoru. Takto dochází v prostoru kde byl umístěn původní pevný blok zamrazené disperze k samoorganizaci nanočástic Si do vláknitých a lamelárních mikrostruktur.

Průmyslová využitelnost

Průmyslové využití navrhované metody je široké od ryze nanotechnologických aplikací, přes katalytické chemické procesy až k aplikacím v oblasti envirometální techniky a technologie kompozitních materiálů a vláknitých anorganických materiálů.

ΐ / Γ PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (3)

1. ΐ / Γ PATENTOVÉ NÁROKY

   Z putek

   1. MetZida přípravy vláknitých a lamelárních mikrostruktur a nanostruktur řízeným vakuovým vymrazováním kapalinové disperze nanočástic .vyznačující se tím, že kapalinová disperze nanočástic, resp. submikronových částic je velmi rychle zamražena do pevného stavu a v této formě je podrobena vakuovému vymrazování molekul kapaliny disperzního prostředí s rychlostí sublimace nastavenou kombinací hloubky vakua a externího ohřevu sublimačního povrchu zamrazeného materiálu v rozmezí 10'^2,pm/sjaž 10² pm/s., až do jejich úplného odstranění, za vzniku vláknitých a/nebo lamelárních mikrostruktur a nanostruktur, přičemž úhlová orientace normály převládající plochy sublimačního rozhraní vzhledem k vertikále, je volena při požadavku vzniku vícenásobně provázaných vláknitých a zejména lamelárních agregátů v intervalu 0^ až 45° vzhledem k vzestupnému vertikálnímu směru, a při vzniku výrazně jednodušších lamelárních agregátů s převahou vláknitých struktur v intervalu 135&až 180° vzhledem k vzestupnému vertikálnímu směru.

   Ží>í^
2. 2. Metoda přípravy vláknitých a lamelárních mikrostruktur a nanostruktur řízeným vakuovým vymrazováním kapalinové disperze nanočástic podle nároku 1, vyznačující se tím, že kapalinovou disperzí je vodná disperze.
3. 3. Mituda přípravy vláknitých a lamelárních mikrostruktur a nanostruktur řízeným vakuovým vymrazováním kapalinové disperze nanočástic podle nároku 2, vyznačující se tím, že při rychlosti sublimace zmrazeného materiálu v rozsahu 10’² ýyn/^laž 10² pm/s je hodnota vakua 12 Pa a sublimační povrch zamrazeného materiálu je postupně ohříván v rozsahu teplot -70 až 0 °C.