CZ308107B6 - Způsob antiaglomerační úpravy nanomateriálů v koloidních suspenzích pomocí plazmatu generovaného v kapalné fázi - Google Patents

Způsob antiaglomerační úpravy nanomateriálů v koloidních suspenzích pomocí plazmatu generovaného v kapalné fázi Download PDF

Info

Publication number
CZ308107B6
CZ308107B6 CZ2015-147A CZ2015147A CZ308107B6 CZ 308107 B6 CZ308107 B6 CZ 308107B6 CZ 2015147 A CZ2015147 A CZ 2015147A CZ 308107 B6 CZ308107 B6 CZ 308107B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
plasma
treatment
carbon nanotubes
liquid
suspension
Prior art date
Application number
CZ2015-147A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ2015147A3 (cs
Inventor
František Krčma
Original Assignee
Vysoké Učení Technické V Brně
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vysoké Učení Technické V Brně filed Critical Vysoké Učení Technické V Brně
Priority to CZ2015-147A priority Critical patent/CZ308107B6/cs
Publication of CZ2015147A3 publication Critical patent/CZ2015147A3/cs
Publication of CZ308107B6 publication Critical patent/CZ308107B6/cs

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Způsob antiaglomerační úpravy nanomateriálů pomocí interakce jejich suspenze ve vodném roztoku, roztoku organické nebo anorganické látky, případně kombinace těchto roztoků s plazmatem generovaným buď přímo v kapalné fázi a nebo interakce s plazmatem do této fáze vyfukovaným. Ke generaci plazmatu lze využít libovolné systémy generující plazma v plynech za atmosférického tlaku či tlaku blízkého k tlaku atmosférickému a nebo systémy, umožňující generaci plazmatu přímo v kapalné fázi systémem v pulzním nebo kontinuálním režimu. Tyto parametry tak determinují požadavky na vodivost suspenze nanočástic pohybující se v rozmezí vodivosti v rozmezí 0 mS/m až 0,200 S/m. pH suspenze je omezeno nerozpustitelností vlastních nanočástic. Lze opracovávat jak anorganické, tak i organické nanomateriály, přičemž provedená úprava vykazuje dlouhodobý efekt.

Description

Způsob antiaglomerační úpravy nanomateriálů v koloidních suspenzích pomocí plazmatu generovaného v kapalné fázi
Oblast techniky
Vynález se týká způsobu antiaglomerační úpravy organických, nebo anorganických nanočástic nebo nanostruktur ve formě koloidních suspenzí ve vodě, nebo roztocích organických látek pomocí plazmatu generovaného v kapalné fázi.
Dosavadní stav techniky
V posledních několika letech se dostávají do popředí zájmu nové materiály založené na nanočásticích. Jedna z těchto skupin materiálů jsou i nanokompozity, kde jsou využívány nanočastice, respektive nanostruktury, jako plnidlo nebo modifíkátor vlastností materiálu. V běžné praxi se využívají především dvě skupiny materiálů, a to anorganické nanočástice čistých kovů, jejich slitin a dalších sloučenin (oxidy, uhličitany atd.) a organické materiály, zastoupená převážně uhlíkovými nanotrubkami a fulereny. Pro vytváření těchto nanostruktur je využívána celá řada různých procesů a technologií, jako například přímé srázem z plynné fáze, plazmatická/plazmochemická syntéza, depozice z plynné fáze na aktivních centrech za sníženého tlaku atd. Takto vytvářené materiály mají buď povrch stejný jako je jádro materiálu, a nebo mohou být přímo vytvářeny s tenkou povrchovou vrstvou z jiného materiálu. Tato druhá možnost je často dosahována pomocí aplikace systémů využívajících kapalné okolí k syntéze (například laserová ablace kovů umístěných v kapalině nebo aplikace elektrických výbojů v kapalině nebo s kapalnou elektrodou, kdy kapalinou může být i iontová kapalina).
Problémem v technologické aplikaci je ale často snaha nanomateriálů vytvářet aglomeráty, které vykazují poměrně velkou stabilitu a jejichž rozměry dosahují o jednotky řádů více, nežli je rozměr primárních nanočástic. Například z jednotek uhličitanu vápenatého o rozměrech cca 10 až 40 nm vznikají aglomeráty s rozměrem řádově desítek mikrometrů, obdobně uhlíkové nanotrubky vytvářejí shluky a propletence podobných rozměrů. Bylo ukázáno, že aplikací plazmatu za atmosférického tlaku na anorganické materiály (konkrétně srážený uhličitan vápenatý) lze dosáhnout minimálně řádového zmenšení velikosti těchto aglomerátů díky naroubování funkčních skupin na povrch částic a následné změně distribuce povrchového náboje. Tento postup ale není možné použít pro vodivé a uhlíkové materiály, neboť v jejich případě ve výboji ve vzduchu nebo s příměsí kyslíku dochází k oxidaci (hoření), a tím i k destrukci vlastního opracovávaného materiálu.
Z těchto důvodů se jeví jako vhodná možnost opracování těchto nanomateriálů v podobě koloidních suspenzí ve vodě nebo organických kapalinách pomocí plazmatu generovaného přímo v kapalné fázi, případně plynného plazmatu vyfukovaného do suspenze. V posledních letech byla vyvinuta řada systémů umožňujících generaci plazmatu přímo v kapalné fázi. Typickými konfiguracemi elektrod jsou hrot-rovina, případně koaxiální konfigurace, a to v obou polaritách; méně typická, nicméně použitelná, je i konfigurace pin-hole, kdy jsou elektrodové prostory odděleny dielektrickou přepážkou z vhodného materiálu, v níž je malý otvor. Jistou kombinaci těchto systémů pak představuje i plazmový jet založený na této konfiguraci, který je předmětem užitných vzorů č. 27172 a č. 27173. Elektrické výboje generované pod hladinou kapaliny (zpravidla tvořené různými částečně vodivými vodnými roztoky) jsou zpravidla napájeny pulzně, a to jak stejnosměrně, tak i střídavě až po oblast mikrovln.
V principu interakce plazmatu pod kapalinou (jak plazmatu generovaného přímo v kapalině, tak plazmatu vyfukovaného do kapaliny) s aglomeráty nanočástic/nanostruktur vede ke kombinaci celé řady efektů. Roli hraje vliv velmi silného, zpravidla silně nehomogenního, elektrického pole, aktivních částic plazmatu (vysoce energetické elektrony, ionty, radikály), UV a VUV fotony,
- 1 CZ 308107 B6 rázové a tepelné vlny atd. Výsledkem tohoto synergického působení je pak modifikace povrchových vlastností opracovávaných materiálů (roubování funkčních skupin, orientace částic, vytváření tenkých povrchových vrstev atd.).
Podstata vynálezu
Výše uvedené nevýhody spojené s povrchovou úpravou vodivých a organických materiálů řeší způsob opracování nanočástic podle vynálezu.
Podstatou vynálezu je způsob antiaglomerační úpravy organických nebo anorganických nanočástic a nanostruktur, kde nanočástice jsou ve formě koloidních suspenzí ve vodě nebo v roztocích organických látek nebo jejich směsí o vodivosti v rozmezí 0,005 S/m až 0,2 S/m a při takovém pH, aby nedocházelo k chemickému rozpouštění nanočástic. Antiaglomerační úprava nanočástic se provádí pomocí plazmatu generovaného v kapalné fázi systémem v pulzním nebo kontinuálním režimu, za stálého míchání roztoku.
Nanočástice nebo nanostruktury mohou být ve formě koloidní suspenze například v roztoku NaCl nebo KC1 v destilované vodě, y kyselině octové, v etanolu nebo n-hexanu. Vlivem působení plazmatu dochází ke změně povrchových vlastností částic aglomerátů, distribuce povrchového náboje a roubování funkčních skupin, které vedou k rozvolnění původně kompaktní struktury nanočásticových aglomerátů, a následně dochází k podstatnému zmenšení velikosti aglomerátů. Jako kapalina, v níž je opracovávaný materiál dispergován, může být použita voda (destilovaná i vodovodní) i organické kapaliny, přičemž pH suspenze musí garantovat stabilní existenci nanočástic.
Ke generaci plazmatu je možné využít libovolné elektrodové konfigurace umožňující generaci výboje v kapalné fázi s použitím libovolného napětí dostačujícího ke generaci plazmatu s ohledem na vodivost kapaliny, která je determinována použitou výbojovou konfigurací.
V případě aplikace plazmatu generovaného přímo v suspenzi záleží zejména na elektrickém napětí, které je ke generaci plazmatu použito. V systémech napájených pulzním napětím o velikosti vyšší než 10 kV je výhodné používat malé až velmi malé vodivosti kapaliny (až do 0,200 S/m). Při použití nižších napájecích napětí je obtížné generovat výboj při vodivostech menších než 0,005 S/m a větších než 0,200 S/m, částečně lze tyto limity překročit úpravou elektrodové konfigurace. V reálné aplikaci je nutné nastavit vodivost suspenze tak, aby výboj hořel pro danou elektrodovou konfiguraci a použitý zdroj napájení stabilně. Vodivost roztoku je podle výhodného provedení 0,050 S/m.
Ke generaci plazmatu je možné použít libovolný stávající případně nově vytvořený systém. Lze tedy využít nejrůznější plazmové jety generované v plynné fázi zběžně dostupných plynů (dusík, argon, vzduch atd. a jejich směsi) i s příměsemi dalších reaktivních látek (např. těkavé organické kapaliny), v tomto případě nejsou kladeny žádné požadavky na vlastnosti suspenze. Plazma generované v libovolném plynu nebo plynné směsi za atmosférického tlaku nebo tlaku blízkého atmosférickému je možné též z libovolného zdroje tohoto plazmatu do kapaliny o libovolné vodivosti vyfukovat.
Ve všech systémech je třeba zajistit pro homogenitu opracování vhodné míchání, které lze ale zajistit i vhodnou konfigurací vlastního zařízení, kdy se systém míchá během procesu sám, např. bublinami plynu z výboje (resp. generovaného výbojem). Doba potřebná k opracování závisí na konkrétním materiálu, kapalině a použitém zdroji plazmatu. Opracovaný materiál si v koloidním roztoku uchovává antiaglomerační vlastnosti dlouhodobě po dobu i několika měsíců.

Claims (3)

  1. Objasnění výkresů
    Obr. 1: Schématický obrázek reaktoru založeného na diafragmovém/kapilámím výboji se spontánním mícháním opracovávané suspenze (stejnosměrné zapojení).
    Obr.
  2. 2: Vlevo fotografie neopracované suspenze uhlíkových nanotrubek (suspenze byla pouze dlouhodobě míchána); vpravo fotografie suspenze uhlíkových nanotrubek opracovaných v plazmatu po dobu 5 minut. Výchozí koncentrace nanotrubek v tomto případě byla desetinová oproti obrázku vlevo.
    Obr.
  3. 3: Příklad reaktoru využívajícího jet generující plazma přímo v kapalné fázi.
    Příklady uskutečnění vynálezů
    Příklad 1
    K opracování nanomateriálů byl zkonstruován speciální reaktor (viz obrázek 1) o pracovním objemu 100 ml, který využívá diafragmového/kapilámího výboje v kapalině a umožňuje spontánní míchání kapaliny pomocí bublin generovaných vlastním výbojem. Jako materiály byly využity komerčně dodávané uhlíkové nanotrubky Nanocyl™NC 7000 a srážený uhličitan vápenatý od několika dodavatelů (Solvay - Socal 31, Socal P3; Applied Minerals - DragoniteHP). Elektrický výboj byl v reaktoru generován stejnosměrně a vysokofrekvenčně (cca 16 kHz) za použití platinových elektrod. Diafragma byla zhotovena z obrobitelné keramiky Shapal™ o tloušťce 1 mm s otvorem (v němž je plazma generováno) o průměru 0,6 mm. Pro opracování bylo použito výkonů od 50 do 150 W, přičemž délky opracování byly typicky 3 minuty.
    K opracování se použily roztoky NaCl a KC1 v destilované vodě, kyseliny octové, etanolu a nhexanu o vodivostech 0,02 až 0,200 S/m. Použité vodivosti byly zvoleny s ohledem na předchozí zkušenosti se získáním stabilního výboje v uvedené elektrodové konfiguraci. Objem opracovávaných uhlíkových nanotrubek byl cca 10 mm3, u uhličitanu vápenatého pák 1 cm3. V případě uhlíkových nanotrubek po jejich opracování vzrostl objem na přibližně 50 cm3 (reaktor byl v podstatě vyplněn pěnou z uhlíkových nanotrubek), tedy byl pozorován nárůst objemu o více jak 3 řády (viz obrázek 2), u uhličitanu vápenatého byla objemová změna zhruba řádová. Vliv druhu roztoku nebyl příliš významný, vodivost použitého roztoku měla na antiaglomerační úpravu jen neměřitelný vliv. Po opracování roztoků nanočástic byly provedeny analýzy materiálů pomocí XPS, FTIR a SEM, které ukázaly částečné obohacení povrchu nanočástic o skupiny OH (v případě vodných roztoků), respektive CH a CH3 v případě nanočástic uhličitanu vápenatého suspendovaného v organických kapalinách. Snímky ze skenovacího elektronového mikroskopu (SEM) potvrdily zmenšení velikosti aglomerátů, v případě uhlíkových nanotrubek pak rozvolnění struktury jejich shluků. Dlouhodobá stabilita opracování byla sledována na základě chování roztoků s opracovanými a neopracovanými nanočásticemi uzavřenými ve zkumavkách po dobu až čtvrt roku. Ani po uplynutí této doby nebyly zaznamenány žádné pozorovatelné změny.
    Příklad 2
    K opracování nanotrubek bylo využito i jetu generujícího plazma přímo v kapalné fázi (viz obrázek 3). Rovněž v tomto případě byly použity roztoky i napájení zdroje jako v Příkladu č. 1, odděleně byl navíc sledován i vliv polarity stejnosměrného napájení jetu. Získané výsledky byly velmi obdobné výsledkům získaným s užitím diafragmového výboje, a proto nebyly realizovány detailní materiálové analýzy.
    -3CZ 308107 B6
    Průmyslová využitelnost
    Aplikace povrchové úpravy nanočástic/nanostruktur v systémech plazma-kapalina (tedy jak v plazmatu generovaném přímo v kapalné fázi, tak i v plazmatu vyfukovaném do kapaliny) vede 5 prokazatelně k podstatnému zmenšení velikosti aglomerátů, které nanostruktury vytváří. Díky této úpravě bude možné vytvořit nové nanokompozitní materiály s lepší dispergací částic, v případě použití uhlíkových nanotrubek i s lepší elektrickou a tepelnou vodivostí. S ohledem na aplikovanou energii, která je pro opracování potřebná, nelze předpokládat využití v masové výrobě, ale spíše ve speciálních technologiích s vysokou přidanou hodnotou, jako jsou například 10 biomedicínské aplikace, letecký a kosmický průmysl apod.
CZ2015-147A 2015-03-02 2015-03-02 Způsob antiaglomerační úpravy nanomateriálů v koloidních suspenzích pomocí plazmatu generovaného v kapalné fázi CZ308107B6 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2015-147A CZ308107B6 (cs) 2015-03-02 2015-03-02 Způsob antiaglomerační úpravy nanomateriálů v koloidních suspenzích pomocí plazmatu generovaného v kapalné fázi

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2015-147A CZ308107B6 (cs) 2015-03-02 2015-03-02 Způsob antiaglomerační úpravy nanomateriálů v koloidních suspenzích pomocí plazmatu generovaného v kapalné fázi

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2015147A3 CZ2015147A3 (cs) 2016-09-14
CZ308107B6 true CZ308107B6 (cs) 2020-01-08

Family

ID=56885704

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2015-147A CZ308107B6 (cs) 2015-03-02 2015-03-02 Způsob antiaglomerační úpravy nanomateriálů v koloidních suspenzích pomocí plazmatu generovaného v kapalné fázi

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ308107B6 (cs)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ27173U1 (cs) * 2014-04-29 2014-07-14 Vysoké Učení Technické V Brně Systém trysky pro generování plazmatu v kapalinách
CZ27172U1 (cs) * 2014-04-29 2014-07-14 Vysoké Učení Technické V Brně Systém mikrotrysky pro generování plazmatu v kapalinách
CZ305518B6 (cs) * 2013-11-29 2015-11-11 Ústav Fyziky Plazmatu Akademie Věd České Republiky, V. V. I. Kapalinou stabilizovaný plazmatron s pevnou anodou

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ305518B6 (cs) * 2013-11-29 2015-11-11 Ústav Fyziky Plazmatu Akademie Věd České Republiky, V. V. I. Kapalinou stabilizovaný plazmatron s pevnou anodou
CZ27173U1 (cs) * 2014-04-29 2014-07-14 Vysoké Učení Technické V Brně Systém trysky pro generování plazmatu v kapalinách
CZ27172U1 (cs) * 2014-04-29 2014-07-14 Vysoké Učení Technické V Brně Systém mikrotrysky pro generování plazmatu v kapalinách

Also Published As

Publication number Publication date
CZ2015147A3 (cs) 2016-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Patel et al. Synthesis of surfactant-free electrostatically stabilized gold nanoparticles by plasma-induced liquid chemistry
Kareem et al. Glow discharge plasma electrolysis for nanoparticles synthesis
JP4752073B2 (ja) カーボンナノ材料の可溶化方法
Lee et al. Preparation and characterization of copper nanoparticles via the liquid phase plasma method
Hayashi et al. Decomposition of perfluorinated compounds in water by DC plasma within oxygen bubbles
Jadhav et al. On the clustering of bulk nanobubbles and their colloidal stability
CN103331455B (zh) 一种放电微等离子体辅助的金属纳米材料连续制备方法
KR101346321B1 (ko) 그래핀-탄소나노튜브 나노 구조체 및 그 제조 방법
Kaneko et al. Control of nanoparticle synthesis using physical and chemical dynamics of gas–liquid interfacial non-equilibrium plasmas
US20170240429A1 (en) Nanodiamonds having acid functional group and method for producing same
JP6093518B2 (ja) 金属酸化物の等電点を変化させる方法、及びこの方法で処理された金属酸化物
Kim et al. The synthesis of nickel nanoparticles by liquid phase plasma processing
CZ308107B6 (cs) Způsob antiaglomerační úpravy nanomateriálů v koloidních suspenzích pomocí plazmatu generovaného v kapalné fázi
Kaneko et al. Creation of nanoparticle–nanotube conjugates for life-science application using gas–liquid interfacial plasmas
Čechová et al. Preparation of silver and gold nanoparticles by the pinhole DC plasma system
WO2011155473A1 (ja) 金属微粒子の製造方法および金属微粒子分散溶液
Tseng et al. Interactive relationship between silver ions and silver nanoparticles with PVA prepared by the submerged arc discharge method
CN110314641A (zh) 一种氢氧化镧纳米粒子磷吸附材料的制备方法
Fang et al. The direct synthesis of Au nanocrystals in microdroplets using the spray-assisted method
Mao et al. Coating carbon nanotubes with colloidal nanocrystals by combining an electrospraytechnique with directed assembly using an electrostatic field
Lee et al. Effect of the surfactant on size of nickel nanoparticles generated by liquid-phase plasma method
KR20140097659A (ko) 액상 플라즈마 반응을 이용한 은 나노유체의 제조방법
Tepanov et al. Electric discharge in liquids as technique to obtain high-dispersed materials based on metals of IB group
JP2014010931A (ja) プラズマ処理方法及び処理装置
Sirotkin et al. Numerical modeling of the plasma processes taking into account the products of transfer processes from aqueous solution of sodium chloride being used as a cathode