CZ303513B6 - 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

Oblast techniky

Vynález spadá do oblasti nanotechnologie, katalytické chemie, envirometální techniky, technologie kompozitních materiálů a vláknitých anorganických materiálů.

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 W02005024101 - A METHOD OF NANOFIBRES PRODUCTION FROM A POLYMER SOLUTION USING ELECTROSTATIC SPINNING AND A DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD).

PATENT W02009135446 - 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 fibrilámích agregátů a neprodukují lamelami mikrostruktury s vysokým měmým povrchem.

Podstata vynálezu

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

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

a) při požadavku vzniku vícenásobně provázených vláknitých a zejména lamelárních agregátů je volena v intervalu 0 až 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.

- 1 CZ 303513 B6

b) Při požadavku vzniku výrazně jednodušších lamelámích 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 doluje 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 až 10² μηα/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 0 °C. Vyšší rychlosti odpovídá rychlejší sublimace, při 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 lamelámích nanostruktur.

Přehled obrázků na výkresech

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.

Příklady provedení vynálezu

Vynález je příkladně proveden na primárním materiálu, kterým je nanoprášek křemíku Si se střední velikostí částic 148 nm. Jako kapalina disperzního prostředí byla vybrána demineralizovaná voda. 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. Úhlová 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 demineraiizovaná 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 lamelámích 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.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob přípravy vláknitých a lamelámích mikrostruktur a nanostruktur řízeným vakuovým vymrazováním kapalinové disperze nanočástic, vyznačující se tím, že kapalinová disperze nanočástic, resp. subm i kro nových 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 až 10² pm/s, až do jejich úplného odstranění, za . 2 _ vzniku vláknitých a/nebo lamelámích mikrostruktur a nanostruktur, přičemž úhlová orientace normály převládající plochy sublimačního rozhraní vzhledem k vertikále, je volena při požadavku vzniku vícenásobně provázaných vláknitých a zejména lamelámích agregátů v intervalu 0 až 45° vzhledem k vzestupnému vertikálnímu směru, a při vzniku výrazně jednodušších lamelár5 nich agregátů s převahou vláknitých struktur v intervalu 135 až 180° vzhledem k vzestupnému vertikálnímu směru.
2. 2. Způsob přípravy vláknitých a lamelámích mikrostruktur a nanostruktur řízeným vakuovým vymrazováním kapalinové disperze nanočástic podle nároku 1, vyznačující se tím, že io kapalinovou disperzí je vodná disperze.
3. 3. Způsob přípravy vláknitých a lamelámích mikrostruktur a nanostruktur řízeným vakuovým vymrazováním kapalinové disperze nanočástic podle nároku 2, vyznačující se tím, že při rychlosti sublimace zmrazeného materiálu v rozsahu IO“² až 10² pm/s je hodnota vakua 12 Pa

   15 a sublimační povrch zamrazeného materiálu je postupně ohříván v rozsahu teplot -70 až 0 °C.