EA042394B1 - OBTAINING A NETWORK FROM CRYSTALLINE CARBON STRUCTURES - Google Patents

OBTAINING A NETWORK FROM CRYSTALLINE CARBON STRUCTURES Download PDF

Info

Publication number
EA042394B1
EA042394B1 EA201990135 EA042394B1 EA 042394 B1 EA042394 B1 EA 042394B1 EA 201990135 EA201990135 EA 201990135 EA 042394 B1 EA042394 B1 EA 042394B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
reactor
emulsion
networks
zone
carbon black
Prior art date
Application number
EA201990135
Other languages
Russian (ru)
Inventor
РАЛТЕН Рутгер Александер Давид ВАН
Даниела Сорди
Original Assignee
КАРБОНКС АйПи 3 Б.В.
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 КАРБОНКС АйПи 3 Б.В. filed Critical КАРБОНКС АйПи 3 Б.В.
Publication of EA042394B1 publication Critical patent/EA042394B1/en

Links

Description

Настоящее изобретение относится к области получения сеток из кристаллических углеродных структур с улучшенными свойствами и направлено на новые способы получения таких сеток из структур. Настоящее изобретение, в частности, относится к области получения углеродной сажи.The present invention relates to the field of obtaining grids from crystalline carbon structures with improved properties and is directed to new methods for obtaining such grids from structures. The present invention relates in particular to the field of carbon black production.

Уровень техникиState of the art

Промышленность углеродной сажи сосредоточена на получении аллотропных форм углерода, главным образом, отличающихся от графита и аморфного углерода его физическим расположением, для использования при получении каучуковых изделий, таких как шины, и тому подобное, в полиграфии, электронике и в покрытиях кабелей, при получении лаков и красок, включая применения для использования, в которых необходимы армирующие и/или пигментные свойства углеродной сажи.The carbon black industry is focused on the production of allotropic forms of carbon, mainly differing from graphite and amorphous carbon in its physical arrangement, for use in the production of rubber products such as tires and the like, in printing, electronics and cable coatings, in the production of varnishes and paints, including applications for use in which the reinforcing and/or pigmentary properties of carbon black are desired.

В области получения углеродной сажи известны различные способы или технологии. Углеродную сажу, главным образом, получают с помощью способов частичного сжигания, начиная с углеродосодержащего газа, такого как метан или ацетилен. Такой способ иногда упоминается как печной способ получения углеродной сажи, и он использует печь, содержащую горелку или камеру сгорания, за которой следует реактор. Печной способ, как правило, отличается низкими уровнями кислорода, низкими плотностями, короткими временами пребывания и высокими температурами. В качестве первой стадии печного способа получения углеродной сажи, углеводороды атомизируются при типичных температурах от 1200 до 1900°C, как описано в Ullmanns Encyklopadie der technischen Chemie, Volume 14, page 637-640 (1977). Для этого создается зона, имеющая высокую плотность энергии, посредством сжигания топливного газа или жидкого топлива с помощью кислорода или воздуха, и в нее вводятся исходные материалы углеродной сажи. Исходные материалы углеродной сажи атомизируются в этих условиях горячего сжигания; уровни кислорода в целом подаются при отношении два объема исходных материалов углеродной сажи примерно на один объем кислорода, для достижения полного потребления кислорода в процессе горения. На структуру и/или пористость конечного продукта углеродной сажи может влиять присутствие ионов щелочных металлов или щелочноземельных металлов в ходе образования углеродной сажи, и по этой причине такие добавки часто добавляют в форме водных растворов, которые распыляют над агломератами исходных материалов углеродной сажи. Реакция завершается только посредством инжектирования воды (резкого охлаждения), и углеродную сажу собирают при температуре примерно 200-250°C и отделяют от отработанных газов посредством обычных сепараторов или фильтров. Из-а низкой объемной плотности, полученную в результате углеродную сажу затем гранулируют, например, переносят в устройство для пеллетизации с добавлением воды, к которой могут добавляться малые количества вспомогательных веществ для пеллетизации. В хронологическом порядке, и ни в коем случае не ограничивая область печной технологии углеродной сажи, US 2672402, US 4292291, US 4636375, WO 2000/032701 и US 2004/0248731 приводят описание традиционного или обычного получения углеродной сажи. Тем самым их содержание включается в настоящий документ в качестве ссылок. Следует отметить, имеются также альтернативные способы, такие как способ получения ламповой сажи, способ получения термической сажи, способ получения ацетиленовой сажи и канальной сажи, все они являются вариантами способа, описанного выше, с получением в конце некоторого типа углеродной сажи. Наиболее инновационным является плазменный способ получения углеродной сажи, с преимуществами устранения прямых выбросов диоксида углерода и уменьшения потребления ископаемого топлива. В главном, эти способы получения углеродной сажи при нехватке кислорода являются очень похожими, исключая нахождение различных путей получения условий температуры пиролиза. К настоящему времени, однако, промышленность по-прежнему борется за получение углеродной сажи с помощью способов восстановления при недостатке кислорода с параметрами, сравнимыми с параметрами углеродной сажи, получаемой с помощью традиционного частичного сжигания.In the field of obtaining carbon black, various methods or technologies are known. Carbon black is mainly produced by partial combustion processes, starting with a carbonaceous gas such as methane or acetylene. Such a process is sometimes referred to as a carbon black furnace process and uses a furnace containing a burner or combustion chamber followed by a reactor. The kiln process is typically characterized by low oxygen levels, low densities, short residence times and high temperatures. As a first step in the carbon black furnace process, the hydrocarbons are atomized at typical temperatures of 1200 to 1900° C., as described in Ullmanns Encyklopadie der technischen Chemie, Volume 14, page 637-640 (1977). For this, a zone having a high energy density is created by burning fuel gas or liquid fuel with oxygen or air, and carbon black raw materials are introduced into it. Carbon black feedstocks are atomized under these hot combustion conditions; oxygen levels are generally supplied at a ratio of two volumes of carbon black feedstock to about one volume of oxygen, to achieve full oxygen consumption in the combustion process. The structure and/or porosity of the final carbon black product can be affected by the presence of alkali metal or alkaline earth metal ions during carbon black formation, and for this reason, such additives are often added in the form of aqueous solutions that are sprayed over agglomerates of carbon black starting materials. The reaction is only completed by injecting water (quenching) and the carbon black is collected at a temperature of about 200-250°C and separated from the exhaust gases by conventional separators or filters. Due to the low bulk density, the resulting carbon black is then granulated, for example transferred to a pelletizer with the addition of water, to which small amounts of pelletizing aids may be added. In chronological order, and by no means limiting the scope of carbon black furnace technology, US 2,672,402, US 4,292,291, US 4,636,375, WO 2000/032701 and US 2004/0248731 describe conventional or conventional carbon black production. Their contents are hereby incorporated by reference herein. It should be noted that there are also alternative methods such as the lamp black method, the thermal black method, the acetylene black method and channel black, all of which are variants of the method described above, with some type of carbon black being produced at the end. The most innovative is the plasma method for producing carbon black, with the advantages of eliminating direct carbon dioxide emissions and reducing fossil fuel consumption. In general, these methods for producing carbon black under oxygen deficiency are very similar except for finding different ways to obtain pyrolysis temperature conditions. To date, however, the industry is still struggling to produce carbon black using oxygen-deficient reduction methods with parameters comparable to carbon black produced by conventional partial combustion.

GB 1514130 (1976) также описывает способ получения углеродной сажи из жидких углеводородов посредством частичного сжигания и крекинга углеводородов в печной установке. Эмульсию воды и жидких углеводородов вводят в зону горения печи, с целевым использованием воды для оптимизации атомизации углеводородов. Способ термической атомизации жидких углеводородов, которые сами по себе могут испаряться только частично, связан с взрывным испарением воды в момент, когда эмульсия проходит зону горячего сжигания. Способ дает в результате более высокий выход углеродной сажи и более короткие времена реакции. Тип эмульсии, которую можно было бы использовать, не описывается. О различных структурах не сообщается.GB 1514130 (1976) also describes a process for producing carbon black from liquid hydrocarbons by partial combustion and cracking of hydrocarbons in a furnace plant. An emulsion of water and liquid hydrocarbons is introduced into the combustion zone of the furnace, with the intended use of water to optimize the atomization of hydrocarbons. The method of thermal atomization of liquid hydrocarbons, which themselves can only partially evaporate, is associated with the explosive evaporation of water at the moment when the emulsion passes through the hot combustion zone. The process results in a higher yield of carbon black and shorter reaction times. The type of emulsion that could be used is not described. The various structures are not reported.

US 3494740 (1970) также описывает получение углеродной сажи посредством введения в реакционную зону печи для получения углеродной сажи добавки, содержащей металл, выбранный из группы, состоящей из никеля, ванадия, железа, кобальта и их смесей, в количестве в пределах от 1 до 80 частей массовых на миллион частей массовых углеводородных исходных материалов в указанную печь. Металл может вводиться в воде, в масле или в эмульсии, для реализации однородного диспергирования в исходных материалах углеводородов. Свойства углеродной сажи рассмотрены в табл. 1. Тип эмульсии, которую можно было бы использовать, не описывается. О различных структурах не сообщается.US 3494740 (1970) also describes the production of carbon black by introducing into the reaction zone of a carbon black furnace an additive containing a metal selected from the group consisting of nickel, vanadium, iron, cobalt and mixtures thereof, in an amount ranging from 1 to 80 parts by weight per million parts by weight of the hydrocarbon feedstock into said furnace. The metal may be introduced in water, in oil, or in emulsion to realize uniform dispersion in the hydrocarbon feedstock. The properties of carbon black are discussed in Table. 1. The type of emulsion that could be used is not described. The various structures are not reported.

US 2015/064099 относится к способам получения углеродной сажи с использованием предварительно нагретых исходных материалов с контролем нагара. Для резкого охлаждения используют воду.US 2015/064099 relates to processes for producing carbon black using preheated soot control feedstocks. Water is used for quenching.

- 1 042394- 1 042394

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Авторы обнаружили, что хорошо проработанные восстановительные (пиролиз) или окислительные (горение) способы получения углеродной сажи можно использовать для получения сеток кристаллических углеродных структур, имеющих все виды преимущественно улучшенных электрических, механических и термических свойств, посредством введения концепции однофазного эмульгирования с использованием термодинамически стабильных микроэмульсий типа вода/масло или бинепрерывного типа, с наночастицами металлического катализатора, для обычного (печного) получения углеродной сажи. Таким образом настоящее изобретение относится к способу получения сеток из кристаллических углеродных структур посредством создания термодинамически стабильной однофазной эмульсии, содержащей масло, предпочтительно, C14 или выше, более предпочтительно, масло исходных материалов для углеродной сажи, воду и, по меньшей мере, одно поверхностно-активное вещество, а также наночастицы металлического катализатора, и воздействия на эмульсию, предпочтительно, на эмульгированные исходные материалы для углеродной сажи, способа получения углеродной сажи, карбонизации указанных исходных материалов для углеродной сажи при повышенных температурах выше 600°C, предпочтительно выше 700°C, более предпочтительно выше 900°C, еще более предпочтительно выше 1000°C, наиболее предпочтительно выше 1100°C, предпочтительно до 3000°C, более предпочтительно до 2500°C, в частности до 2000°C.The authors have found that well-established reductive (pyrolysis) or oxidative (combustion) processes for producing carbon black can be used to produce networks of crystalline carbon structures having all kinds of advantageously improved electrical, mechanical, and thermal properties by introducing the concept of single-phase emulsification using thermodynamically stable microemulsions. water/oil type or bi-continuous type, with nanoparticles of metal catalyst, for conventional (furnace) production of carbon black. Thus, the present invention relates to a method for producing networks of crystalline carbon structures by providing a thermodynamically stable single phase emulsion containing an oil, preferably C14 or higher, more preferably a carbon black starting material oil, water, and at least one surfactant. substance as well as metal catalyst nanoparticles, and exposing the emulsion, preferably emulsified carbon black raw materials, carbon black production process, carbonizing said carbon black raw materials at elevated temperatures above 600° C., preferably above 700° C., more than preferably above 900°C, even more preferably above 1000°C, most preferably above 1100°C, preferably up to 3000°C, more preferably up to 2500°C, in particular up to 2000°C.

В тексте и формуле изобретения однофазная эмульсия представляет собой микроэмульсию вода в масле (вода/масло) или бинепрерывную микроэмульсию, содержащую наночастицы металлического катализатора.In the text and claims, a single-phase emulsion is a water-in-oil (water/oil) microemulsion or a bicontinuous microemulsion containing metal catalyst nanoparticles.

В аспекте, настоящее изобретение относится к использованию такой однофазной эмульсии, предпочтительно, эмульгированных исходных материалов для углеродной сажи (то есть однофазной эмульсии, содержащей исходные материалы углеродной сажи) для карбонизации эмульсии в способе получения углеродной сажи, предпочтительно, в печном способе получения углеродной сажи, с получением таким образом сеток из кристаллических углеродных структур. Эмульсию предпочтительно распыляют и атомизируют в реакторе при указанных выше повышенных температурах. Опять же, обнаружено, что однофазная эмульсия должна представлять собой микроэмульсию вода/масло или бинепрерывную микроэмульсию, содержащую наночастицы металлического катализатора.In an aspect, the present invention relates to the use of such a single-phase emulsion, preferably emulsified carbon black raw materials (i.e., a single-phase emulsion containing carbon black raw materials) to carbonize the emulsion in a carbon black manufacturing process, preferably in a carbon black furnace manufacturing process, thus obtaining networks of crystalline carbon structures. The emulsion is preferably pulverized and atomized in a reactor at the above elevated temperatures. Again, it has been found that the single phase emulsion should be a water/oil microemulsion or a bicontinuous microemulsion containing metal catalyst nanoparticles.

Если смотреть глазами специалиста в данной области, использование воды должно, по меньшей мере, сводиться к минимуму, а предпочтительно, исключаться в секторе реакции в традиционном способе получения углеродной сажи для получения соответствующего выхода и предпочтительных сферических структур углеродной сажи, где вода используется в дальнейшем только для завершения реакции углеродной сажи в реакторе. В лучшем случае, вода иногда используется в качестве носителя при распылении ионов щелочных металлов и щелочноземельных металлов над материалом углеродной сажи, где на конечных стадиях способа агломерации пористость продукта углеродной сажи может тонко настраиваться в соответствии с потребностями рынка. В зависимости от источника, исходные материалы для углеродной сажи фактически могут даже обезвоживаться перед поступлением в способ для увеличения плотности топлива и оптимизации атомизации. При таком широко распространенном нежелании использования воды, не говоря уже о большем, в ходе традиционного получения углеродной сажи, кроме как для целей резкого охлаждения на заключительных стадиях, идея эмульгирования исходных материалов для углеродной сажи перед атомизацией выходит за пределы воображения специалистов в данной области. Однако авторы обнаружили, что замена обычного получения углеродной сажи атомизацией стабильной однофазной эмульсией, содержащей масло исходных материалов углеродной сажи, в реакторе оказывает существенное влияние, при котором получается новый кристаллический углеродный материал, состоящий из сетки из структур, как правило, нановолокон, вместо получаемой обычно аморфной углеродной сажи на основе агрегатов сферических частиц. Кристаллические углеродные структуры сеток настолько отличаются от морфологии, что они имеют свойства, которые отличаются и даже превосходят агрегаты углеродной сажи, некоторые из них дополнительно обсуждаются ниже.As viewed through the eyes of one skilled in the art, the use of water should be at least minimized, and preferably eliminated, in the reaction sector in the conventional carbon black process to obtain adequate yield and preferred carbon black spherical structures where water is further used only to complete the carbon black reaction in the reactor. At best, water is sometimes used as a carrier in the spraying of alkali metal and alkaline earth metal ions over the carbon black material, where the porosity of the carbon black product can be fine-tuned to suit market needs in the final stages of the sintering process. Depending on the source, the carbon black feedstock may actually even be dehydrated before entering the process to increase fuel density and optimize atomization. With such widespread reluctance to use water, let alone more, in conventional carbon black production, except for the purpose of quenching in the final stages, the idea of emulsifying carbon black feedstocks prior to atomization is beyond the imagination of those skilled in the art. However, the authors found that replacing the conventional production of carbon black by atomization with a stable single-phase emulsion containing oil of carbon black starting materials in the reactor has a significant impact, in which a new crystalline carbon material is obtained, consisting of a network of structures, usually nanofibers, instead of the usual amorphous carbon black based on aggregates of spherical particles. The crystalline carbon structures of the networks are so different in morphology that they have properties that are different from and even superior to carbon black aggregates, some of which are further discussed below.

Не имея желания ограничиваться какой-либо теорией, авторы считают, что ориентирование и структурирование молекул поверхностно-активного вещества, масляной фазы и водной фазы вместе с наночастицами металлического катализатора вызывают процесс формирования сетки, который является уникальным для этого нового материала и способа. Обнаружено, что наночастицы металлического катализатора являются самыми важными. Микро- и макроструктуры эмульсий (либо вода в масле, либо бинепрерывная), как считается, действуют в качестве предшественника/эскиза для конечной сетки из углеродных структур, из которых углеродосодержащие фракции (масляная фаза и поверхностно-активное вещество) будут формировать волокна и соединения, в то время как водная фракция помогает ориентированию фазы масло/поверхностно-активное вещество и возникновению пористости сетки. Присутствие металлического катализатора облегчает карбонизацию углеродных компонентов в виде структуры волокна вместо получаемой обычно сферической ориентации. Смесь из несмешиваемых масляной и водной фазы не будет давать этих структур, то есть без присутствия металлического катализатора в термодинамически стабильной матрице. После атомизации эмульсии при высоких температурах процесс карбонизации мгновенно замораживает углеродные фракции в их эмульсионной структуре в присутствииWithout wishing to be bound by any theory, the authors believe that the orientation and structuring of the surfactant, oil phase and aqueous phase molecules together with the metal catalyst nanoparticles induce a network formation process that is unique to this new material and method. Metal catalyst nanoparticles have been found to be the most important. The micro and macro structures of emulsions (either water in oil or bicontinuous) are thought to act as a precursor/sketch for the final network of carbon structures from which the carbon containing fractions (oil phase and surfactant) will form fibers and compounds, while the water fraction assists in oil/surfactant phase orientation and network porosity. The presence of a metal catalyst facilitates the carbonization of the carbon components in a fiber structure instead of the spherical orientation usually obtained. A mixture of immiscible oil and water phases will not produce these structures, ie without the presence of a metal catalyst in a thermodynamically stable matrix. After the atomization of the emulsion at high temperatures, the carbonization process instantly freezes the carbon fractions in their emulsion structure in the presence of

- 2 042394 металлического катализатора, при этом вода испаряется, оставляя сетку из (нано)волокон. В этом процессе, авторы обнаружили ключ к получению исходных углеродных материалов, то есть масла, такого как исходные материалы для углеродной сажи, в форме однофазной эмульсии, как описано выше, для процесса атомизации. Авторы также обнаружили, что одна только смесь воды и исходных материалов или иным образом термодинамически нестабильные эмульсии являются вредными для процесса, и они не будут давать сетки из кристаллических углеродных структур. Дополнительные доказательства приведены ниже.- 2 042394 metal catalyst, while the water evaporates, leaving a grid of (nano)fibers. In this process, the inventors have found the key to obtaining carbon starting materials, ie oil, such as carbon black starting materials, in the form of a single-phase emulsion, as described above, for the atomization process. The authors have also found that mixtures of water and starting materials or otherwise thermodynamically unstable emulsions alone are detrimental to the process and will not produce networks of crystalline carbon structures. Additional evidence is provided below.

Авторы также обнаружили, что однофазные эмульсии, подвергаемые воздействию атомизации и последующей карбонизации, должны содержать металлические наночастицы, которые действуют в качестве катализаторов при формировании этих кристаллических сеток. Повышенная концентрация наночастиц металлического катализатора дополнительно увеличивает выход. Самым важным является применение бинепрерывных микроэмульсий или микроэмульсий вода в масле (вода/масло), где эмульсии содержат наночастицы металлического катализатора, эти эмульсии содержат сплошную фазу масло/поверхностно-активное вещество, таким образом, уже формируя структуру сетки. Бинепрерывные микроэмульсии являются наиболее предпочтительными.The authors also found that single-phase emulsions subjected to atomization and subsequent carbonization should contain metal nanoparticles that act as catalysts in the formation of these crystal networks. An increased concentration of metal catalyst nanoparticles further increases the yield. The most important is the use of bicontinuous microemulsions or water in oil (water/oil) microemulsions, where the emulsions contain metal catalyst nanoparticles, these emulsions contain an oil/surfactant continuous phase, thus already forming a network structure. Bicontinuous microemulsions are most preferred.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Фиг. 1A представляет собой схему непрерывного печного способа получения углеродной сажи по настоящему изобретению, который включает, вдоль оси реактора 3, зону 3a горения, реакционную зону 3b и зону 3c завершения, посредством создания потока a1 горячих отработанных газов в зоне сжигания посредством сжигания топлива а в кислородсодержащем газе b и прохождения отработанных газов a1 из зоны 3a горения в реакционную зону 3b, распыления (атомизации) однофазной эмульсии c в реакционной зоне 3b, содержащей горячие отработанные газы, карбонизации указанной эмульсии при повышенной температуре и резкого охлаждения или остановки реакции в зоне 3c завершения посредством впрыскивания воды d, с получением сеток e из кристаллических углеродных структур согласно настоящему изобретению.Fig. 1A is a diagram of a continuous furnace method for producing carbon black of the present invention, which includes, along the axis of the reactor 3, a combustion zone 3a, a reaction zone 3b and a completion zone 3c, by generating a hot exhaust gas stream a1 in the combustion zone by burning fuel a in an oxygen-containing gas b and passing the exhaust gases a1 from the combustion zone 3a to the reaction zone 3b, spraying (atomizing) a single-phase emulsion c in the reaction zone 3b containing hot exhaust gases, carbonizing said emulsion at an elevated temperature, and quenching or stopping the reaction in the zone 3c by completing injection of water d to obtain grids e of crystalline carbon structures according to the present invention.

Фиг. 1B представляет собой схему полунепрерывного способа получения углеродной сажи, где однофазная эмульсия с атомизируется с помощью сопла 4 в верхней части реактора 3 в реакторной зоне 3b при повышенных температурах, указанная эмульсия карбонизируется при повышенной температуре в реакторной зоне 3b, и сетки из кристаллических углеродных структур e собираются в нижней части реактора. В дополнение к этому имеются два газовых впуска, которые входят в реактор сверху, для добавления инертного газа f, предпочтительно, азота, для контроля и/или понижения уровней кислорода и для введения в реактор углеродосодержащего газа g, предпочтительно ацетилена или этилена.Fig. 1B is a diagram of a semi-continuous process for producing carbon black, where a single phase emulsion c is atomized with a nozzle 4 at the top of the reactor 3 in a reactor zone 3b at elevated temperatures, said emulsion is carbonized at an elevated temperature in a reactor zone 3b, and a network of crystalline carbon structures e collected at the bottom of the reactor. In addition, there are two gas inlets that enter the reactor from above for adding an inert gas f, preferably nitrogen, to control and/or reduce oxygen levels, and for introducing a carbonaceous gas g, preferably acetylene or ethylene, into the reactor.

Фиг. 2A и 2B представляют собой SEM (полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа) изображения углеродной сажи и сеток из углеродных структур соответственно.Fig. 2A and 2B are SEM (scanning electron microscope) images of carbon black and grids of carbon structures, respectively.

Фиг. 3 показывает SEM изображение сеток из кристаллических углеродных структур, полученных в бинепрерывной микроэмульсии с 100 мМ металлического катализатора FeCl3.Fig. 3 shows an SEM image of networks of crystalline carbon structures obtained in a bicontinuous microemulsion with 100 mM FeCl 3 metal catalyst.

Фиг. 4 изображает модуль упругости согласно ISO 527 для углеродных сеток (квадратики) и для стекловолокна (кружочки), она показывает механическую прочность кристаллических сеток, которая сравнима с параметрами волокон. Углеродная сажа, как обнаружено, не придает никаких армирующих свойств композиту.Fig. 4 shows the modulus of elasticity according to ISO 527 for carbon meshes (squares) and for glass fibers (circles), it shows the mechanical strength of the crystal meshes, which is comparable to the parameters of the fibers. Carbon black has not been found to impart any reinforcing properties to the composite.

Фиг. 5 показывает объемное сопротивление различных соединений (полиамид PA6: квадратики; PET: кружочки), полученных при различных нагрузках сеток из кристаллических углеродных структур, приготовленных с использованием рецепта согласно примеру 1.Fig. 5 shows the volume resistance of various compounds (polyamide PA6: squares; PET: circles) obtained under various loads of nets of crystalline carbon structures prepared using the recipe according to example 1.

Варианты осуществления изобретенияEmbodiments of the invention

1. Способ получения сеток из кристаллических углеродных структур в реакторе 3, который содержит реакционную зону 3b и зону завершения 3c, посредством инжектирования микроэмульсии вода в масле или бинепрерывной микроэмульсии c, содержащей наночастицы металлического катализатора, в реакционную зону 3b, которая находится при температуре выше 600°C, предпочтительно выше 700°C, более предпочтительно выше 900°C, еще более предпочтительно выше 1000°C, более предпочтительно выше 1100°C, предпочтительно до 3000°C, более предпочтительно до 2500°C, наиболее предпочтительно до 2000°C, с получением сеток из кристаллических углеродных структур e, перемещения этих сеток e в зону 3c завершения и резкого охлаждения или приостановки формирования сеток из кристаллических углеродных структур в зоне завершения посредством впрыскивания воды d.1. A method for producing networks of crystalline carbon structures in a reactor 3, which contains a reaction zone 3b and a completion zone 3c, by injecting a water-in-oil microemulsion or a bicontinuous microemulsion c containing metal catalyst nanoparticles into the reaction zone 3b, which is at a temperature above 600 °C, preferably above 700°C, more preferably above 900°C, even more preferably above 1000°C, more preferably above 1100°C, preferably up to 3000°C, more preferably up to 2500°C, most preferably up to 2000°C , to form nets of crystalline carbon structures e, moving these nets e to the completion zone 3c and quenching or stopping the formation of nets of crystalline carbon structures in the completion zone by injecting water d.

2. Способ согласно варианту осуществления 1, где указанный реактор представляет собой печной реактор 3 для получения углеродной сажи, который содержит, вдоль оси реактора 3, зону 3a горения, реакционную зону 3b и зону 3c завершения, посредством получения потока горячих отработанных газов a1 в зоне сжигания посредством сжигания топлива в кислородосодержащем газе b и прохождения отработанных газов a1 из зоны 3a горения в реакционную зону 3b, распыления микроэмульсии вода в масле или бинепрерывной микроэмульсии c, содержащей наночастицы металлического катализатора, в реакционной зоне 3b, содержащей горячие отработанные газы, карбонизацию указанной эмульсии при температуре выше 600°C, предпочтительно выше 700°C, более предпочтительно выше 900°C, еще более предпочтительно выше 1000°C, более предпочтительно выше 1100°C, предпочтительно до 3000°C, более2. The method according to Embodiment 1, wherein said reactor is a carbon black furnace reactor 3, which comprises, along the axis of the reactor 3, a combustion zone 3a, a reaction zone 3b and a completion zone 3c, by obtaining a hot exhaust gas stream a1 in the zone combustion by burning fuel in oxygen-containing gas b and passing exhaust gases a1 from combustion zone 3a to reaction zone 3b, spraying water-in-oil microemulsion or bicontinuous microemulsion c containing metal catalyst nanoparticles in reaction zone 3b containing hot exhaust gases, carbonizing said emulsion at temperatures above 600°C, preferably above 700°C, more preferably above 900°C, even more preferably above 1000°C, more preferably above 1100°C, preferably up to 3000°C, more

- 3 042394 предпочтительно до 2500°C, наиболее предпочтительно до 2000°C, и резкого охлаждения или приостановки реакции в зоне завершения 3c посредством впрыскивания воды d, с получением сеток e из кристаллических углеродных структур.- 3 042394 preferably up to 2500° C., most preferably up to 2000° C., and quenching or stopping the reaction in the completion zone 3c by injecting water d to obtain networks e of crystalline carbon structures.

3. Способ по любому из предыдущих вариантов осуществления, где масляная фаза в эмульсии является ароматической и/или алифатической, предпочтительно она содержит по меньшей мере 50 мас.% соединений C14 или выше, по отношению к общей массе масляной фазы.3. The method according to any of the previous embodiments, where the oil phase in the emulsion is aromatic and/or aliphatic, preferably it contains at least 50 wt.% compounds C14 or higher, relative to the total weight of the oil phase.

4. Способ по любому из предыдущих вариантов осуществления, где указанная эмульсия содержит по меньшей мере 1 мМ наночастиц металлического катализатора, предпочтительно имеющего средний размер частиц в пределах между 1 и 100 нм.4. The method according to any of the previous embodiments, wherein said emulsion contains at least 1 mM of metal catalyst nanoparticles, preferably having an average particle size between 1 and 100 nm.

5. Сетка из кристаллических углеродных структур, которую можно получить с помощью способа по любому из предыдущих вариантов осуществления, где указанные углеродные структуры химически связаны между собой с помощью множества соединений, включая Y- и Н-соединения.5. A network of crystalline carbon structures, which can be obtained using the method according to any of the previous embodiments, where these carbon structures are chemically linked together using a variety of compounds, including Y- and H-connections.

6. Сетка согласно варианту осуществления 5, имеющая по меньшей мере одно, предпочтительно по меньшей мере два, более предпочтительно по меньшей мере три, наиболее предпочтительно все следующие далее свойства:6. The mesh according to embodiment 5 having at least one, preferably at least two, more preferably at least three, most preferably all of the following properties:

(i) йодное число (IAN), по меньшей мере, 250 мг/г согласно ASTM D1510;(i) an iodine number (IAN) of at least 250 mg/g according to ASTM D1510;

(ii) площадь поверхности адсорбции азота (N2SA), по меньшей мере, 250 м2/г согласно ASTM D6556;(ii) a nitrogen adsorption surface area (N2SA) of at least 250 m 2 /g according to ASTM D6556;

(iii) статистическая площадь поверхностного слоя (STSA), по меньшей мере, 120 м2/г согласно ASTM D6556;(iii) a statistical surface area (STSA) of at least 120 m 2 /g according to ASTM D6556;

(iv) число абсорбции масла (OAN), по меньшей мере, 150 см3/100 г согласно ASTM D2414.(iv) an oil absorption number (OAN) of at least 150 cc /100 g according to ASTM D2414.

7. Сетка согласно варианту осуществления 5 или 6, где указанные структуры имеют среднюю толщину 1-400 нм, предпочтительно в пределах между 5 и 350 нм, более предпочтительно до 100 нм, в одном из вариантов осуществления, в пределах между 50 и 100 нм, и/или среднюю длину в пределах 10010000 нм, предпочтительно 200-5000 нм, более предпочтительно 500-5000 нм; и/или где структуры имеют среднее аспектное отношение длины к толщине по меньшей мере 2.7. Mesh according to embodiment 5 or 6, wherein said structures have an average thickness of 1-400 nm, preferably between 5 and 350 nm, more preferably up to 100 nm, in one embodiment, between 50 and 100 nm, and/or an average length in the range of 10,010,000 nm, preferably 200-5000 nm, more preferably 500-5000 nm; and/or where the structures have an average aspect ratio of length to thickness of at least 2.

8. Композит, содержащий сетки из углеродных структур согласно любому из вариантов осуществления 5-7, дополнительно содержащий один или более полимеров, например для придания механической прочности, электропроводности или теплопроводности указанному композиту на основе полимера, и где указанные сетки находятся в любом количестве в пределах 1-70 мас.%, предпочтительно, 10-50 мас.%, более предпочтительно в пределах между 20 и 40 мас.% по отношению к общей массе полимера в композите.8. Composite containing networks of carbon structures according to any one of embodiments 5-7, further containing one or more polymers, for example, to impart mechanical strength, electrical conductivity or thermal conductivity of the specified polymer-based composite, and where these networks are in any amount within the range 1-70 wt.%, preferably 10-50 wt.%, more preferably between 20 and 40 wt.% in relation to the total weight of the polymer in the composite.

9. Композит согласно варианту осуществления 8, имеющий E модуль, повышающийся с концентрацией сетки, как измерено согласно ISO 527.9. The composite of Embodiment 8 having an E modulus increasing with mesh concentration as measured according to ISO 527.

10. Применение эмульгированных исходных материалов углеродной сажи в способе получения углеродной сажи, предпочтительно, в печном способе получения углеродной сажи, для получения сеток из кристаллических углеродных структур.10. The use of emulsified carbon black raw materials in a carbon black manufacturing process, preferably a carbon black furnace manufacturing process, to produce networks of crystalline carbon structures.

11. Способ полунепрерывного получения сеток из кристаллических углеродных структур в реакторе 3, где микроэмульсия вода в масле или бинепрерывная микроэмульсия c, содержащая наночастицы металлического катализатора, инжектируется из верхней части реактора 3, предпочтительно посредством распыления с использованием впуска 4 для аэрозоля, с получением аэрозоля, и где указанные сетки e образуются при повышенной температуре, по меньшей мере, 600°C, предпочтительно 700-1200°C и осаждаются в нижней части реактора, и где повышенную температуру получают с использованием пиролиза (например, источника тепла вне реактора, с использованием N2, обедненного кислородом) или посредством горения (источника тепла внутри реактора, использующий воздух или кислород).11. A process for the semi-continuous production of networks of crystalline carbon structures in a reactor 3, wherein a water-in-oil microemulsion or a bicontinuous microemulsion c containing metal catalyst nanoparticles is injected from the top of the reactor 3, preferably by atomization using an aerosol inlet 4, to produce an aerosol, and where said gauzes e are formed at an elevated temperature of at least 600°C, preferably 700-1200°C and deposited at the bottom of the reactor, and where the elevated temperature is obtained using pyrolysis (e.g. a heat source outside the reactor, using N2 depleted in oxygen) or by combustion (a heat source inside the reactor using air or oxygen).

12. Способ непрерывного получения сеток из кристаллических углеродных структур в реакторе 3, где микроэмульсия вода в масле или бинепрерывная микроэмульсия c, содержащая наночастицы металлического катализатора, инжектируется из верхней части реактора 3, указанный реактор предпочтительно представляет собой реактор для получения термической сажи, предпочтительно, посредством распыления с использованием впуска 4 для аэрозоля, для получения аэрозоля, и где указанные сетки e образуются при повышенной температуре по меньшей мере 600°C, предпочтительно 700-1200°C, и осаждаются в нижней части реактора, и где повышенную температуру получают с использованием горения (источника тепла внутри реактора, с использованием воздуха или кислорода), но где эмульсия инжектируется только при условиях пиролиза.12. A process for the continuous production of networks of crystalline carbon structures in a reactor 3, wherein a water-in-oil microemulsion or a bicontinuous microemulsion c containing metal catalyst nanoparticles is injected from the top of the reactor 3, said reactor being preferably a thermal carbon black reactor, preferably by means of spraying using an aerosol inlet 4 to produce an aerosol, and where said networks e are formed at an elevated temperature of at least 600°C, preferably 700-1200°C, and deposited at the bottom of the reactor, and where the elevated temperature is obtained using combustion (heat source inside the reactor, using air or oxygen), but where the emulsion is injected only under pyrolysis conditions.

Подробное описаниеDetailed description

Настоящее изобретение может быть описано лучше всего как модифицированный способ получения углеродной сажи, где модифицированный понимается как то, что соответствующее масло, предпочтительно, масло, содержащее, по меньшей мере, 14 атомов C (>C14), такое как масло исходных материалов для углеродной сажи (CBFS), подается в реакционную зону реактора для получения углеродной сажи как часть однофазной эмульсии, которая представляет собой термодинамически стабильную микроэмульсию, содержащую наночастицы металлического катализатора. Эмульсия предпочтительно подается в реакционную зону посредством распыления, атомизируя таким образом эмульсию до капель. Хотя способ можно осуществлять в периодическом или полунепрерывном режиме, модифицированный споThe present invention can best be described as a modified method for producing carbon black, where modified is understood to mean that an appropriate oil, preferably an oil containing at least 14 C atoms (>C14), such as a carbon black feedstock oil (CBFS), is fed into the reaction zone of the carbon black reactor as part of a single-phase emulsion, which is a thermodynamically stable microemulsion containing metal catalyst nanoparticles. The emulsion is preferably fed into the reaction zone by spraying, thus atomizing the emulsion to droplets. Although the process can be carried out in batch or semi-continuous mode, the modified method

- 4 042394 соб получения углеродной сажи предпочтительно осуществляется как непрерывный способ. Однофазная эмульсия представляет собой микроэмульсию, содержащую наночастицы металлического катализатора. Предпочтительная однофазная эмульсия содержит масло CBFS, и может упоминаться как эмульгированное CBFS в контексте настоящего изобретения.- 4 042394 way to obtain carbon black is preferably carried out as a continuous process. A single-phase emulsion is a microemulsion containing metal catalyst nanoparticles. A preferred single phase emulsion contains CBFS oil, and may be referred to as emulsified CBFS in the context of the present invention.

В одном из вариантов осуществления, настоящее изобретение относится к способу получения сеток из кристаллических углеродных структур согласно настоящему изобретению в реакторе 3, который содержит реакционную зону 3b и зону 3c завершения, посредством инжектирования однофазной эмульсии с, представляющей собой микроэмульсию, содержащую наночастицы металлического катализатора, предпочтительно, эмульсии, содержащей CBFS, по настоящему изобретению, в реакционную зону 3b, которая находится при температуре выше 600°C, предпочтительно выше 700°C, более предпочтительно выше 900°C, еще более предпочтительно выше 1000°C, более предпочтительно выше 1100°C, предпочтительно до 3000°C, более предпочтительно до 2500°C, наиболее предпочтительно до 2000°C, с получением сеток e из кристаллических углеродных структур, переноса этих сеток e в зону 3c завершения и резкого охлаждения или приостановки образования сеток из кристаллических углеродных структур в зоне завершения посредством впрыскивания воды d. Однофазную эмульсию предпочтительно распыляют в реакционной зоне. Сошлемся на фиг. 1А.In one embodiment, the present invention relates to a method for producing networks of crystalline carbon structures according to the present invention in a reactor 3, which contains a reaction zone 3b and a completion zone 3c, by injecting a single-phase emulsion c, which is a microemulsion containing nanoparticles of a metal catalyst, preferably , an emulsion containing CBFS according to the present invention, into the reaction zone 3b, which is at a temperature above 600°C, preferably above 700°C, more preferably above 900°C, even more preferably above 1000°C, more preferably above 1100° C, preferably up to 3000° C., more preferably up to 2500° C., most preferably up to 2000° C., producing networks e of crystalline carbon structures, transferring these networks e to the completion zone 3c and quenching or stopping the formation of networks of crystalline carbon structures in the completion zone by water injection d. The single phase emulsion is preferably sprayed into the reaction zone. Referring to Fig. 1A.

В предпочтительном варианте осуществления, настоящее изобретение относится к способу получения сеток из кристаллических углеродных структур по настоящему изобретению в печном реакторе 3 для получения углеродной сажи, который содержит, вдоль оси реактора 3, зону 3a горения, реакционную зону 3b и зону 3c завершения, посредством создания потока горячих отработанных газов a1 в зоне горения посредством сжигания топлива a в кислородсодержащем газе b и прохождения отработанных газов a1 из зоны 3a горения в реакционную зону 3b, распыления (атомизации) однофазной эмульсии с по настоящему изобретению, предпочтительно, микроэмульсии, содержащей наночастицы металлического катализатора, предпочтительно, эмульсии, содержащей CBFS, в реакционной зоне 3b, содержащей горячие отработанные газы, карбонизации указанной эмульсии при повышенных температурах (при температуре выше 600°C, предпочтительно выше 700°C, более предпочтительно выше 900°C, еще более предпочтительно выше 1000°C, более предпочтительно выше 1100°C, предпочтительно до 3000°C, более предпочтительно до 2500°C, наиболее предпочтительно до 2000°C), и резкого охлаждения или приостановки реакции (то есть образования сеток из кристаллических углеродных структур e) в зоне 3c завершения посредством впрыскивания воды d. Реакционная зона 3b содержит по меньшей мере один впуск (предпочтительно, сопло) для введения эмульсии, предпочтительно, посредством атомизации. Сошлемся на фиг. 1A.In a preferred embodiment, the present invention relates to a process for producing networks of crystalline carbon structures of the present invention in a carbon black furnace reactor 3, which comprises, along the axis of the reactor 3, a combustion zone 3a, a reaction zone 3b and a completion zone 3c, by providing flow of hot exhaust gases a1 in the combustion zone by burning the fuel a in an oxygen-containing gas b and passing the exhaust gases a1 from the combustion zone 3a to the reaction zone 3b, spraying (atomizing) a single-phase emulsion c according to the present invention, preferably a microemulsion containing nanoparticles of a metal catalyst, preferably, an emulsion containing CBFS in the reaction zone 3b containing hot exhaust gases, carbonizing said emulsion at elevated temperatures (above 600°C, preferably above 700°C, more preferably above 900°C, even more preferably above 1000° C, more preferably above 1100°C, preferably up to 3000°C, more preferably up to 2500°C, most preferably up to 2000°C), and abrupt cooling or suspension of the reaction (i.e. the formation of networks of crystalline carbon structures e) in zone 3c completion by water injection d. The reaction zone 3b contains at least one inlet (preferably a nozzle) for introducing the emulsion, preferably by means of atomization. Referring to Fig. 1A.

Времена пребывания эмульсии в реакционной зоне печного реактора для получения углеродной сажи могут быть относительно короткими, предпочтительно, в пределах 1-1000 мс, более предпочтительно, 10-100 мс.The residence times of the emulsion in the reaction zone of the carbon black furnace reactor can be relatively short, preferably in the range of 1-1000 ms, more preferably 10-100 ms.

В соответствии с обычными способами получения углеродной сажи, масляная фаза может быть ароматической и/или алифатической, предпочтительно содержащей, по меньшей мере, 50 мас.% соединений C14 или выше, более предпочтительно, по меньшей мере, 70 мас.% соединений C14 или выше (по отношению к общей массе масла). Список типичных масел, которые можно использовать, для получения стабильных эмульсий, но не ограничиваясь этим, включает масла исходных материалов для углеродной сажи (CBFS), фенольные масла, антраценовые масла, жирные кислоты (с короткой-средней-длинной цепью), сложные эфиры жирных кислот и парафины. Масло предпочтительно представляет собой соединение C14 или выше. В одном из вариантов осуществления, масло предпочтительно имеет высокую ароматичность. В данной области, ароматичность предпочтительно характеризуется в терминах Bureau of Mines Correlation Index (BMCI). Масло предпочтительно имеет BMCI >50. В одном из вариантов осуществления, масло имеет низкую ароматичность, предпочтительно, оно имеет BMCI <15.In accordance with conventional methods for producing carbon black, the oil phase may be aromatic and/or aliphatic, preferably containing at least 50 wt.% compounds C14 or higher, more preferably at least 70 wt.% compounds C14 or higher (in relation to the total mass of oil). A list of typical oils that can be used to make stable emulsions, but are not limited to, include carbon black feedstock (CBFS) oils, phenolic oils, anthracene oils, fatty acids (short-medium-long chain), fatty acid esters. acids and paraffins. The oil is preferably a C14 compound or higher. In one embodiment, the oil preferably has high aromaticity. In the art, aromaticity is preferably characterized in terms of the Bureau of Mines Correlation Index (BMCI). The oil preferably has a BMCI >50. In one embodiment, the oil has low aromaticity, preferably it has a BMCI <15.

CBFS представляет собой экономически привлекательный источник масла в контексте настоящего изобретения, и предпочтительно представляет собой смесь тяжелых углеводородов, содержащую преимущественно соединения C14-C50, сумма соединений C14-C50 предпочтительно составляет, по меньшей мере, 50 мас.%, более предпочтительно, по меньшей мере, 70 мас.% от исходных материалов. Некоторые из наиболее важных исходных материалов, используемых для получения углеродной сажи, включают осветленную суспензию в нефтепродукте (CSO), полученную от жидкостного каталитического крекинга газойлей, остаток в установке крекинга этилена из парового крекинга нафты и каменноугольных масел. Присутствие парафинов (<C15) существенно ограничивает их пригодность, и более высокая ароматичность является предпочтительной. Концентрация ароматических соединений определяет скорость, при которой образуются углеродные зародыши. Исходные материалы для углеродной сажи предпочтительно имеют высокие BMCI, чтобы они могли давать высокий выход при минимальной подаче тепла, уменьшая тем самым стоимость получения. В предпочтительном варианте осуществления и в соответствии с современными спецификациями CBFS, масло, включая смеси масел, имеют значение BMCI больше 120. Хотя специалист в данной области без проблем поймет, что именно является пригодным CBFS, исключительно в качестве ориентира, отметим, что с точки зрения выхода значение BMCI для CBFS предпочтительно больше, чем 120, еще более предпочтительно, больше, чем 132. Количество асфальтена в масле предпочтительно меньше 10 мас.%, предпочтительно, меньше 5,0 мас.% от массы CBFS. CBFSCBFS is an economically attractive source of oil in the context of the present invention, and is preferably a mixture of heavy hydrocarbons containing predominantly C14-C50 compounds, the sum of C14-C50 compounds is preferably at least 50 wt.%, more preferably at least , 70 wt.% of the starting materials. Some of the most important feedstocks used to produce carbon black include clarified slurry in oil (CSO) from liquid catalytic cracking of gas oils, ethylene cracker residue from steam cracking of naphtha and coal oils. The presence of paraffins (<C15) severely limits their usefulness and higher aromaticity is preferred. The concentration of aromatic compounds determines the rate at which carbon nuclei form. Carbon black feedstocks preferably have high BMCIs so that they can produce high yields with minimal heat input, thereby reducing production costs. In the preferred embodiment, and in accordance with current CBFS specifications, oils, including blends of oils, have a BMCI value greater than 120. While one of skill in the art will have no problem understanding what a suitable CBFS is, purely as a guide, note that in terms of The BMCI value for CBFS is preferably greater than 120, even more preferably greater than 132. The amount of asphaltene in the oil is preferably less than 10% by weight, preferably less than 5.0% by weight of the CBFS. CBFS

- 5 042394 предпочтительно имеет низкое содержание серы, поскольку сера отрицательно влияет на качество продукта, приводит к понижению выхода и вызывает коррозию оборудования.- 5 042394 preferably has a low sulfur content, since sulfur adversely affects the quality of the product, leads to a decrease in yield and causes corrosion of equipment.

Предпочтительно, чтобы содержание серы в масле согласно ASTM D1619 было меньше 8,0 мас.%, предпочтительно меньше 4,0 мас.%, более предпочтительно меньше 2,0 мас.%.Preferably, the sulfur content in the oil according to ASTM D1619 is less than 8.0 wt.%, preferably less than 4.0 wt.%, more preferably less than 2.0 wt.%.

Эмульсия, предпочтительно эмульсия, содержащая CBFS, представляет собой однофазную эмульсию, что, как понимается, обозначает, что масляная фаза и водная фаза оптически выглядят как одна смешиваемая смесь, не демонстрируя визуально физического разделения масла, воды или поверхностноактивного вещества. Однофазная эмульсия может представлять собой макроэмульсию или микроэмульсию, и может быть стабильной либо кинетически, либо термодинамически. Процесс, с помощью которого эмульсия полностью разрушается (коалесценция), то есть система разделяется на объемные масляную и водные фазы, в целом, как считается контролируется с помощью четырех различных механизмов потери капель, то есть Броуновской флоккуляции, расслоения, седиментационной флоккуляции и диспропорционирования.The emulsion, preferably the CBFS-containing emulsion, is a single phase emulsion, which is understood to mean that the oil phase and the water phase optically appear as one miscible mixture without visually showing physical separation of oil, water or surfactant. The single phase emulsion may be a macroemulsion or a microemulsion and may be either kinetically or thermodynamically stable. The process by which the emulsion is completely broken down (coalescence), i.e. the system separates into bulk oil and water phases, is generally considered to be controlled by four different droplet loss mechanisms, i.e. Brownian flocculation, stratification, sedimentation flocculation and disproportionation.

Стабильная однофазная эмульсия в контексте настоящего изобретения, как понимается, означает, что эмульсия не показывает физического разделения, видимого невооруженным глазом, предпочтительно, это отражается терминами эмульсии, не показывающей никакого изменения pH больше чем на 1,0 единицу pH, и/или эмульсии, не показывающей никакого изменения вязкости больше 20%, в течение периода времени, который превышает время получения сетки из углеродных структур. Термин стабильный может означать термодинамически стабильный или кинетически стабильный (при добавлении энергии, например, посредством перемешивания). На практике, однофазная эмульсия считается стабильной, если оптически не наблюдается расслоения, то есть одно фаза сохраняется в течение периода, по меньшей мере, 1 мин после приготовления эмульсии. Таким образом является предпочтительным, чтобы эмульсия сохраняла свой pH в пределах 1,0 единицы pH и/или свою вязкость с изменением меньше 20% в течение периода времени, по меньшей мере, 1 мин, предпочтительно, по меньшей мере, 5 мин после приготовления. Хотя для целей манипулирования предпочтительна продолжительная стабильность, отметим, что способ получения может по-прежнему получать выгоду от использования эмульсий стабильных в течение относительно коротких промежутков времени, 1 мин, предпочтительно, 5 мин. Посредством добавления энергии (перемешивания) стабильность эмульсии может быть продлена, и кратковременная стабильность может продлеваться с использованием перемешивания in-line. Хотя макроэмульсии не являются термодинамически стабильными, и они всегда возвращаются в свои исходные, несмешиваемые отдельные фазы масла и воды, скорость разрушения может быть достаточно малой, чтобы сделать их кинетически стабильными в течение всего способа получения.A stable single phase emulsion in the context of the present invention is understood to mean that the emulsion does not show physical separation visible to the naked eye, preferably this is reflected in terms of an emulsion showing no change in pH greater than 1.0 pH unit and/or an emulsion showing no change in viscosity greater than 20%, for a period of time that exceeds the time of obtaining a network of carbon structures. The term stable can mean thermodynamically stable or kinetically stable (when energy is added, for example, through agitation). In practice, a single phase emulsion is considered stable if no separation is optically observed, i.e. the single phase is maintained for a period of at least 1 minute after the emulsion has been prepared. Thus, it is preferred that the emulsion maintain its pH within 1.0 pH units and/or its viscosity with a change of less than 20% over a period of time of at least 1 minute, preferably at least 5 minutes after preparation. While long term stability is preferred for handling purposes, note that the preparation process can still benefit from using emulsions that are stable for relatively short periods of time, 1 minute, preferably 5 minutes. By adding energy (agitation), the stability of the emulsion can be extended, and short-term stability can be extended using in-line agitation. Although macroemulsions are not thermodynamically stable and they always revert to their original, immiscible separate oil and water phases, the rate of degradation can be slow enough to make them kinetically stable throughout the production process.

При условии, что получается стабильная, однофазная эмульсия, количества воды и масла никак не ограничиваются, но отмечено, что уменьшение количества воды (и увеличение количества масла) улучшает выход. Содержание воды, как правило, находится в пределах между 5 и 50 мас.% эмульсии, предпочтительно в пределах 10-40 мас.%, еще более предпочтительно до 30 мас.%, более предпочтительно составляет 10-20 мас.% эмульсии. Хотя можно рассматривать и более высокие количества воды, это будет осуществляться за счет выхода. Не желая ограничиваться какой-либо теорией, авторы считают, что водной фазе приписывается форма и морфология сеток, получаемых таким образом.As long as a stable, single-phase emulsion is obtained, the amounts of water and oil are not limited in any way, but it is noted that reducing the amount of water (and increasing the amount of oil) improves the yield. The water content is generally between 5 and 50% by weight of the emulsion, preferably in the range of 10-40% by weight, even more preferably up to 30% by weight, more preferably 10-20% by weight of the emulsion. Although higher amounts of water can be considered, this will come at the expense of output. Without wishing to be bound by any theory, the authors believe that the form and morphology of the networks thus obtained are attributed to the aqueous phase.

Выбор поверхностно-активного вещества (веществ) не считается ограничивающим фактором, при условии, что сочетание масла, воды и поверхностно-активного вещества (веществ) дает в результате стабильную микроэмульсию, как определено выше, в настоящем документе. В качестве дополнительного ориентира для специалиста в данной области, отметим, что поверхностно-активное вещество можно выбирать на основе гидрофобности или гидрофильности системы, то есть гидрофильно-липофильного баланса (HLB). HLB поверхностно-активного вещества является мерой степени до которой оно является гидрофильным или липофильным, определенной посредством вычисления значений для различных областей молекулы, согласно методу Griffin или Davies. Соответствующее значение HLB зависит от типа масла и количества масла и воды в эмульсии, и специалист в данной области может его легко определить на основе требований сохранения термодинамически стабильной, однофазной эмульсии, как определено выше. Обнаружено что эмульсия, содержащая больше 50 мас.% масла, предпочтительно имеющая меньше 30 мас.% водной фазы, стабилизировалась бы лучше всего с помощью поверхностно-активного вещества, имеющего значение HLB выше 7, предпочтительно выше 8, более предпочтительно выше 9, наиболее предпочтительно выше 10. С другой стороны, эмульсия самое большее с 50 мас.% масла стабилизировалась бы лучше всего с помощью поверхностно-активного вещества, имеющего значение HLB ниже 12, предпочтительно ниже 11, более предпочтительно ниже 10, наиболее предпочтительно ниже 9, в частности ниже 8. Поверхностно-активное вещество предпочтительно выбирается, чтобы оно было совместимо с масляной фазой. В случае, когда масло представляет собой эмульсию, содержащую CBFS, с этим CBFS, предпочтительным является поверхностно-активное вещество с высокой ароматичностью, в то время как масло с низким BMCI, такое как имеющее BMCI <15, стабилизировалось бы лучше всего с использованием алифатических поверхностно-активных веществ. Поверхностно-активное вещество (вещества) может быть катионным, анионным или неионным, или представлять собой их смесь. Одно или несколько неионных поверхностно-активных веществ являются предпочтительными для повышения выThe choice of surfactant(s) is not considered to be a limiting factor, provided that the combination of oil, water, and surfactant(s) results in a stable microemulsion as defined above herein. As an additional guide for the person skilled in the art, the surfactant can be selected based on the hydrophobicity or hydrophilicity of the system, ie the hydrophilic-lipophilic balance (HLB). The HLB of a surfactant is a measure of the degree to which it is hydrophilic or lipophilic, determined by calculating values for different regions of the molecule according to the Griffin or Davies method. The appropriate HLB value depends on the type of oil and the amount of oil and water in the emulsion, and can be readily determined by one skilled in the art based on the requirement to maintain a thermodynamically stable, single phase emulsion as defined above. It has been found that an emulsion containing greater than 50 wt% oil, preferably having less than 30 wt% aqueous phase, would be best stabilized with a surfactant having an HLB value greater than 7, preferably greater than 8, more preferably greater than 9, most preferably above 10. On the other hand, an emulsion with at most 50 wt% oil would be best stabilized with a surfactant having an HLB value below 12, preferably below 11, more preferably below 10, most preferably below 9, in particular below 8. The surfactant is preferably chosen to be compatible with the oil phase. In the case where the oil is an emulsion containing CBFS, with that CBFS, a highly aromatic surfactant is preferred, while an oil with a low BMCI, such as one having a BMCI <15, would be best stabilized using aliphatic surfactants. -active substances. The surfactant(s) may be cationic, anionic or non-ionic, or a mixture thereof. One or more non-ionic surfactants are preferred for enhancing

- 6 042394 ходов, поскольку в конечном продукте не будет оставаться остаточных ионов. Для получения чистого потока хвостовых газов, структура поверхностно-активного вещества предпочтительно содержит мало серы и азота, предпочтительно, не содержит серы и азота. Неограничивающие примеры типичных неионных поверхностно-активных веществ, которые можно использовать для получения стабильных эмульсий, представляют собой коммерчески доступные серии Tween, Span, Hypermer, Pluronic, Emulan, Neodol, Triton X и Tergitol.- 6 042394 strokes, since no residual ions will remain in the final product. To obtain a clean tail gas stream, the surfactant structure preferably contains little sulfur and nitrogen, preferably no sulfur and nitrogen. Non-limiting examples of typical non-ionic surfactants that can be used to form stable emulsions are the commercially available Tween, Span, Hypermer, Pluronic, Emulan, Neodol, Triton X, and Tergitol series.

В контексте настоящего изобретения, микроэмульсия представляет собой дисперсию, состоящую из воды, масла (предпочтительно, CBFS), и поверхностно-активного вещества (веществ), которая представляет собой единую оптически изотропную и термодинамически стабильную жидкость с диаметром диспергированных доменов, изменяющихся приблизительно от 1 до 500 нм, предпочтительно от 1 до 100 нм, обычно от 10 до 50 нм. В микроэмульсии, домены дисперсной фазы либо глобулярные (то есть капли), либо они соединены между собой (с получением бинепрерывной микроэмульсии). В предпочтительном варианте осуществления, хвосты поверхностно-активного вещества образуют сплошную сетку в масляной фазе эмульсии вода в масле (вода/масло) или в бинепрерывной эмульсии. Домены воды должны содержать металлический катализатор, предпочтительно, имеющий средний размер частиц в пределах между 1 и 100 нм.In the context of the present invention, a microemulsion is a dispersion consisting of water, oil (preferably CBFS), and surfactant(s) which is a single optically isotropic and thermodynamically stable liquid with dispersed domain diameters ranging from approximately 1 to 500 nm, preferably 1 to 100 nm, typically 10 to 50 nm. In a microemulsion, the dispersed phase domains are either globular (i.e. droplets) or they are interconnected (to form a bicontinuous microemulsion). In a preferred embodiment, the surfactant tails form a continuous network in the oil phase of a water-in-oil (water/oil) emulsion or in a bicontinuous emulsion. The water domains should contain a metal catalyst, preferably having an average particle size between 1 and 100 nm.

Однофазная эмульсия, то есть микроэмульсия вода/масло или бинепрерывная микроэмульсия, предпочтительно, бинепрерывная микроэмульсия, дополнительно содержит наночастицы металлического катализатора предпочтительно, имеющие средний размер частиц в пределах между 1 и 100 нм. Специалист в данной области найдет ясные указания в области углеродных нанотрубок (CNT) относительно получения и применения этих видов наночастиц. Эти металлические наночастицы, как обнаружено, улучшают образование сетки с точки зрения как скоростей, так и выходов, и воспроизводимость. Способы получения соответствующих металлических наночастицы находятся в Vinciguerra et al. Growth mechanisms in chemical vapour deposited carbon nanotubes Nanotechnology (2003) 14, 655; Perez-Cabero et al. Growing mechanism of CNTs: kinetic approach J. Catal. (2004) 224, 197-205; Gavillet et al. Microscopic mechanisms for catalyst assisted growth of single-wall carbon nanotubes Carbon. (2002) 40, 1649-1663 и Amelinckx et al. A formation mechanism for catalytically grown helix-shaped graphite nanotubes Science (1994) 265, 635-639, их содержание, относительно получения металлических наночастиц, включается в настоящий документ в качестве ссылок.The single phase emulsion, ie a water/oil microemulsion or a bicontinuous microemulsion, preferably a bicontinuous microemulsion, further comprises metal catalyst nanoparticles preferably having an average particle size between 1 and 100 nm. A person skilled in the art will find clear guidance in the field of carbon nanotubes (CNT) regarding the production and use of these types of nanoparticles. These metal nanoparticles have been found to improve networking in terms of both speeds and yields and reproducibility. Methods for preparing the corresponding metal nanoparticles are found in Vinciguerra et al. Growth mechanisms in chemical vapor deposited carbon nanotubes Nanotechnology (2003) 14, 655; Perez Cabero et al. Growing mechanism of CNTs: kinetic approach J. Catal. (2004) 224, 197-205; Gavillet et al. Microscopic mechanisms for catalyst assisted growth of single-wall carbon nanotubes Carbon. (2002) 40, 1649-1663 and Amelinckx et al. A formation mechanism for catalytically grown helix-shaped graphite nanotubes Science (1994) 265, 635-639, their contents regarding the production of metal nanoparticles are incorporated herein by reference.

Наночастицы металлического катализатора используются в бинепрерывной микроэмульсии или в микроэмульсии вода/масло, предпочтительно, в бинепрерывной микроэмульсии или микроэмульсии вода/масло, содержащей CBFS. В одном из вариантов осуществления, наиболее предпочтительной является бинепрерывная микроэмульсия. Предпочтительно, однородность металлических частиц в указанной (бинепрерывной) микроэмульсии контролируется посредством смешивания первой (бинепрерывной) микроэмульсии, в которой водная фаза содержит соль комплекса металла, которая может восстанавливаться до конечных металлических частиц, и второй (бинепрерывной) микроэмульсии, в которой водная фаза содержит восстановитель, который может восстанавливать указанную соль комплекса металла; при смешивании комплекс металла восстанавливается, формируя таким образом металлические частицы. Контролируемая окружающая среда (бинепрерывной) эмульсии стабилизирует частицы относительно спекания или Оствальдовского созревания. Размер, концентрации и срок жизни частиц катализатора легко контролируются. Настройка среднего размера металлических частиц в указанном выше диапазоне, например, посредством изменения молярного отношения металлического предшественника и восстанавливающего агента, считается рутинной процедурой. Увеличение относительного количества восстанавливающего агента дает более мелкие частицы. Металлические частицы, полученные таким образом, являются монодисперсными, отклонения от среднего размера частиц предпочтительно находятся в пределах 10%, более предпочтительно, в пределах 5%. Также, настоящая технология не предусматривает ограничений на реальный предшественник металла, при условии, что он может восстанавливаться. Неограничивающие примеры эффективных видов катализаторов представляют собой благородные металлы (Pt, Pd, Au, Ag), элементы семейства железа (Fe, Co и Ni), Ru и Cu. Пригодные для использования комплексы металлов представляют собой, но, не ограничиваясь этим, (i) предшественники платины, такие как H2PtCl6; H2PtCl6.xH2O; K2PtCl4; K2PtCl4.xH2O; Pt(NH3)4(NO3)2; Pt(C5H7O2)2, (ii) предшественники рутения, такие как Ru(NO)(NO3)3; Ru(dip)3Cl2 [dip=4,7-дифенил-1,10-фенантролин]; RuCl3, или (iii) предшественники палладия, такие как Pd(NO3)2, или (iv) предшественники никеля, такие как NiCl2 или NiCl2.xH2O; Ni(NO3)2; Ni(NO3)2.xH2O; Ni(CH3COO)2; Ni(CH3COO)2.хН2О; Ni(AOT)2 [AOT=бис(2-этилгексил)сульфосукцинат]. Неограничивающие пригодные для использования восстанавливающие агенты представляют собой газообразный водород, гидрид натрия-бора, бисульфат натрия, гидразин или гидразин гидрат, этиленгликоль, метанол и этанол. Также пригодными для использования являются лимонная кислота и додециламин. Тип предшественника металла не представляет собой важной части настоящего изобретения. Металл частиц (бинепрерывной) микроэмульсии предпочтительно выбирается из группы, состоящей из Pt, Pd, Au, Ag, Fe, Co, Ni, Ru и Cu, и их смесей, для контроля морфологии сеток из углеродных структур, образующихся в конечном счете. Металлические наночастицы остаются погруженными внутри этих структур, где металлические частицы физически прикреплены к структурам. Хотя нетThe metal catalyst nanoparticles are used in a bicontinuous or water/oil microemulsion, preferably in a bicontinuous or water/oil microemulsion containing CBFS. In one embodiment, a bicontinuous microemulsion is most preferred. Preferably, the homogeneity of the metal particles in said (bicontinuous) microemulsion is controlled by mixing a first (bicontinuous) microemulsion in which the aqueous phase contains a metal complex salt that can be reduced to the final metal particles and a second (bicontinuous) microemulsion in which the aqueous phase contains a reducing agent. , which can restore the specified salt of the metal complex; when mixed, the metal complex is reduced, thus forming metal particles. The controlled environment of the (bicontinuous) emulsion stabilizes the particles against sintering or Ostwald ripening. The size, concentration and lifetime of the catalyst particles are easily controlled. Adjusting the average metal particle size in the above range, for example, by changing the molar ratio of metal precursor and reducing agent, is considered a routine procedure. Increasing the relative amount of reducing agent produces finer particles. The metal particles thus obtained are monodispersed, the deviations from the average particle size are preferably within 10%, more preferably within 5%. Also, the present technology does not place restrictions on the real metal precursor, provided that it can be recovered. Non-limiting examples of effective types of catalysts are noble metals (Pt, Pd, Au, Ag), elements of the iron family (Fe, Co and Ni), Ru and Cu. Suitable metal complexes are, but are not limited to, (i) platinum precursors such as H 2 PtCl 6 ; H 2 PtCl 6 .xH 2 O; K 2 PtCl 4 ; K 2 PtCl 4 .xH 2 O; Pt(NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 ; Pt(C 5 H 7 O 2 ) 2 , (ii) ruthenium precursors such as Ru(NO)(NO 3 ) 3 ; Ru(dip) 3 Cl 2 [dip=4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline]; RuCl 3 or (iii) palladium precursors such as Pd(NO 3 ) 2 or (iv) nickel precursors such as NiCl 2 or NiCl 2 .xH 2 O; Ni(NO 3 ) 2 ; Ni(NO 3 ) 2 .xH 2 O; Ni(CH 3 COO) 2 ; Ni(CH 3 COO) 2 .xH 2 O; Ni(AOT) 2 [AOT=bis(2-ethylhexyl)sulfosuccinate]. Non-limiting reducing agents that can be used are hydrogen gas, sodium boron hydride, sodium bisulfate, hydrazine or hydrazine hydrate, ethylene glycol, methanol and ethanol. Also suitable for use are citric acid and dodecylamine. The type of metal precursor is not an important part of the present invention. The metal of the particles of the (bicontinuous) microemulsion is preferably selected from the group consisting of Pt, Pd, Au, Ag, Fe, Co, Ni, Ru and Cu, and mixtures thereof, to control the morphology of the networks of carbon structures eventually formed. The metal nanoparticles remain embedded within these structures, where the metal particles are physically attached to the structures. Although not

- 7 042394 никакой минимальной концентрации металлических частиц, при которой эти образуются эти сетки, фактически, сетки образуются с использованием модифицированного способа получения углеродной сажи по настоящему изобретению, обнаружено, что выход увеличивается с концентрацией металлических частиц. В предпочтительном варианте осуществления, концентрация активного металла составляет по меньшей мере 1 мМ, предпочтительно по меньшей мере, 5 мМ, предпочтительно по меньшей мере 10 мМ, более предпочтительно по меньшей мере 15 мМ, более предпочтительно по меньшей мере 20 мМ, в частности по меньшей мере 25 мМ, наиболее предпочтительно до 3500 мМ, предпочтительно до 3000 мМ. В одном из вариантов осуществления металлические наночастицы составляют до 250 мМ. Это концентрации катализатора по отношению к количеству водной фазы (бинепрерывной) микроэмульсии.- 7 042394 there is no minimum concentration of metal particles at which these networks are formed, in fact, networks are formed using a modified method for producing carbon black of the present invention, it was found that the yield increases with the concentration of metal particles. In a preferred embodiment, the active metal concentration is at least 1 mM, preferably at least 5 mM, preferably at least 10 mM, more preferably at least 15 mM, more preferably at least 20 mM, in particular at least least 25 mm, most preferably up to 3500 mm, preferably up to 3000 mm. In one embodiment, the metal nanoparticles are up to 250 mM. These are the catalyst concentrations relative to the amount of the aqueous phase of the (bicontinuous) microemulsion.

Атомизация однофазной эмульсии, предпочтительно эмульсии c, содержащей CBFS, предпочтительно реализуется посредством распыления, с использованием системы сопел 4, которая позволяет каплям эмульсии войти в контакт с горячими отработанными газами a1 в реакционной зоне 3b, что приводит в результате к традициионной карбонизации, образованию сетки и последующей агломерации, с получением сеток e из кристаллических углеродных структур по настоящему изобретению. Стадия инжектирования предпочтительно включает повышение температур выше 600°C, предпочтительно в пределах между 700 и 3000°C, более предпочтительно между 900 и 2500°C, более предпочтительно между 1100 и 2000°C.The atomization of the single phase emulsion, preferably the emulsion c containing CBFS, is preferably realized by atomization, using a nozzle system 4 which allows the emulsion droplets to come into contact with the hot exhaust gases a1 in the reaction zone 3b, resulting in conventional carbonization, networking and subsequent agglomeration to obtain networks e of the crystalline carbon structures of the present invention. The injection step preferably comprises raising temperatures above 600°C, preferably between 700 and 3000°C, more preferably between 900 and 2500°C, more preferably between 1100 and 2000°C.

В другом, но родственном аспекте настоящего изобретения, настоящее изобретение относится к способу полунепрерывного получения сеток из кристаллических углеродных структур по настоящему изобретению в реакторе 3, где однофазная эмульсия c по настоящему изобретению инжектируется из верхней части реактора 3, предпочтительно с помощью распыления с использованием впуска 4 для аэрозоля, с получением аэрозоля, и при этом указанные сетки е образуются при температуре, по меньшей мере, 600°C, предпочтительно, 700-1200°C, и осаждаются в нижней части реакторной печи. Повышенная температура и условия реакции могут достигаться с использованием пиролиза (например, источника тепла вне реактора, с использованием N2, обедненного кислородом) или с помощью горения (источника тепла внутри реактора, с использованием воздуха или кислорода). В другом варианте осуществления, для полунепрерывного способа, удобно работать с газообразными углеродными исходными материалами выше температуры их крекинга, например, с метаном, этаном, пропаном, бутаном, этиленом, ацетиленом и пропиленом, моноксидом углерода, с окисленными углеводородами, такими как метанол; с ароматическими углеводородами, такими как толуол, бензол и нафталин, и со смесями указанных выше веществ, например, моноксида углерода и метана. Сошлемся на фиг. 1B. Типичные времена пребывания увеличиваются по сравнению с предпочтительным печным способом получения углеродной сажи, при этом времена пребывания эмульсии в реакторе, как правило, порядка 1 ч - 7 дней, более предпочтительно, 8 ч 3 дней. Однофазная эмульсия представляет собой, как определено выше, микроэмульсию вода в масле (вода/масло) или бинепрерывную микроэмульсию, содержащую наночастицы металлического катализатора.In another but related aspect of the present invention, the present invention relates to a process for the semi-continuous production of networks of crystalline carbon structures of the present invention in a reactor 3, where the single phase emulsion c of the present invention is injected from the top of the reactor 3, preferably by spraying using inlet 4 for an aerosol, to obtain an aerosol, and wherein said grids e are formed at a temperature of at least 600°C, preferably 700-1200°C, and are deposited in the lower part of the reactor furnace. Elevated temperature and reaction conditions can be achieved using pyrolysis (eg, a heat source outside the reactor, using oxygen depleted N2) or by combustion (a heat source inside the reactor, using air or oxygen). In another embodiment, for a semi-continuous process, it is convenient to work with gaseous carbonaceous feedstocks above their cracking temperature, for example, methane, ethane, propane, butane, ethylene, acetylene and propylene, carbon monoxide, oxidized hydrocarbons such as methanol; with aromatic hydrocarbons such as toluene, benzene and naphthalene, and with mixtures of the above substances, for example carbon monoxide and methane. Referring to Fig. 1b. Typical residence times are increased over the preferred carbon black furnace process, with emulsion residence times in the reactor typically on the order of 1 hour to 7 days, more preferably 8 hours to 3 days. A single-phase emulsion is, as defined above, a water-in-oil (water/oil) microemulsion or a bi-continuous microemulsion containing metal catalyst nanoparticles.

В связи с этим, настоящее изобретение относится также к способу непрерывного получения сеток из кристаллических углеродных структур в реакторе 3, где однофазная эмульсия c по настоящему изобретению инжектируется из верхней части реактора 3, указанный реактор предпочтительно представляет собой реактор для получения термической сажи, предпочтительно, посредством распыления с использованием впуска 4 для аэрозоля, с получением аэрозоля, и при этом указанные сетки e формируются при повышенной температуре по меньшей мере 600°C, предпочтительно 700-1200°C, и осаждаются в нижней части реактора, и при этом повышенную температуру получают с использованием горения (источника тепла внутри реактора, с использованием воздуха или кислорода), но при этом эмульсию инжектируют только при условиях пиролиза. В другом варианте осуществления, непрерывному процессу пиролиза, охватывающему стадию начального горения, удобно работать с газообразными углеродными исходными материалами выше их температуры крекинга, например, с метаном, этаном, пропаном, бутаном, этиленом, ацетиленом и пропиленом, моноксидом углерода, с оксигенированными углеводородами, такими как метанол; с ароматическими углеводородами, такими как толуол, бензол и нафталин, и со смесями указанных выше веществ, например, моноксида углерода и метана. Сошлемся на фиг. 1B. Время пребывания эмульсии в реакторе предпочтительно находится в пределах от 1 до 600 с, более предпочтительно от 5 до 60 с. Однофазная эмульсия, как определено выше, представляет собой микроэмульсию вода в масле (вода/масло) или бинепрерывную микроэмульсию, содержащую наночастицы металлического катализатора.In this regard, the present invention also relates to a process for the continuous production of nets of crystalline carbon structures in a reactor 3, where the single phase emulsion c of the present invention is injected from the top of the reactor 3, said reactor preferably being a thermal carbon black reactor, preferably by means of spraying using the aerosol inlet 4 to produce an aerosol, wherein said nets e are formed at an elevated temperature of at least 600° C., preferably 700-1200° C., and are deposited at the bottom of the reactor, and the elevated temperature is obtained from using combustion (heat source inside the reactor, using air or oxygen), but the emulsion is injected only under pyrolysis conditions. In another embodiment, a continuous pyrolysis process comprising an initial combustion step conveniently handles gaseous carbonaceous feedstocks above their cracking temperature, such as methane, ethane, propane, butane, ethylene, acetylene and propylene, carbon monoxide, oxygenated hydrocarbons, such as methanol; with aromatic hydrocarbons such as toluene, benzene and naphthalene, and with mixtures of the above substances, for example carbon monoxide and methane. Referring to Fig. 1b. The residence time of the emulsion in the reactor is preferably in the range from 1 to 600 seconds, more preferably from 5 to 60 seconds. A single phase emulsion, as defined above, is a water-in-oil (water/oil) microemulsion or a bicontinuous microemulsion containing metal catalyst nanoparticles.

Согласно рассмотренным выше полунепрерывным и непрерывным способам по настоящему изобретению можно получать сетки с кристаллическими углеродными структурами (то есть сетки из кристаллических углеродных структур). В родственном аспекте, настоящее изобретение, таким образом, относится к сеткам из кристаллических углеродных структур, полученных или получаемых с помощью способа по настоящему изобретению. Термин углеродные структуры, как понимается, включает кристаллические аллотропные формы углерода на основе sp2, то есть вещества, в которых атом углерода связан с соседними тремя атомами углерода в виде гексагональной структуры, включая графен, фуллерен, углеродные нановолокна и углеродные нанотрубки. Способ по настоящему изобретению делает возможным рост сеток из кристаллических углеродных структур, сформированных из углеродных струкAccording to the above-described semi-continuous and continuous processes of the present invention, networks with crystalline carbon structures (i.e., networks of crystalline carbon structures) can be produced. In a related aspect, the present invention thus relates to networks of crystalline carbon structures obtained or obtained using the method of the present invention. The term carbon structures is understood to include sp2-based crystalline allotropic forms of carbon, i.e. substances in which a carbon atom is bonded to adjacent three carbon atoms in a hexagonal structure, including graphene, fullerene, carbon nanofibers, and carbon nanotubes. The method of the present invention makes it possible to grow networks of crystalline carbon structures formed from carbon structures.

- 8 042394 тур, которые химически соединены друг с другом с помощью множества соединений, включая Y- и Hсоединения. В контексте настоящего изобретения, сетка предпочтительно, как понимается, содержит по меньшей мере 3, предпочтительно по меньшей мере 5, более предпочтительно по меньшей мере 10, более предпочтительно по меньшей мере 100, более предпочтительно по меньшей мере 500 химически связанных узлов.- 8 042394 round, which are chemically connected to each other using a variety of compounds, including Y- and H compounds. In the context of the present invention, the mesh is preferably understood to comprise at least 3, preferably at least 5, more preferably at least 10, more preferably at least 100, more preferably at least 500 chemically bonded nodes.

Сетки предпочтительно имеют по меньшей мере одно, предпочтительно по меньшей мере два, более предпочтительно по меньшей мере три, наиболее предпочтительно все следующие свойства:The meshes preferably have at least one, preferably at least two, more preferably at least three, most preferably all of the following properties:

(i) йодное число (IAN) по меньшей мере 250 мг/г, более предпочтительно по меньшей мере 300 мг/г, предпочтительно 300-1000 мг/г, согласно ASTM D1510;(i) an iodine number (IAN) of at least 250 mg/g, more preferably at least 300 mg/g, preferably 300-1000 mg/g according to ASTM D1510;

(ii) площадь поверхности адсорбции азота (N2SA) по меньшей мере 250 м2/г, более предпочтительно по меньшей мере 300 м2/г, предпочтительно 300-1000 м2/г, согласно ASTM D6556;(ii) a nitrogen adsorption surface area (N2SA) of at least 250 m 2 /g, more preferably at least 300 m 2 /g, preferably 300-1000 m 2 /g, according to ASTM D6556;

(iii) статистическая площадь поверхностного слоя (STSA), по меньшей мере 120 м2/г, более предпочтительно по меньшей мере 150 м2/г, предпочтительно 150-1000 м2/г, согласно ASTM D6556;(iii) a statistical surface area (STSA) of at least 120 m 2 /g, more preferably at least 150 m 2 /g, preferably 150-1000 m 2 /g, according to ASTM D6556;

(iv) число абсорбции масла (OAN) по меньшей мере 150 сс/100 г, предпочтительно 150-500 см3/100 г согласно ASTM D2414;(iv) an oil absorption number (OAN) of at least 150 cc/100 g, preferably 150-500 cc /100 g according to ASTM D2414;

гдеWhere

IAN=йодное число: количество грамм йода, адсорбируемых на килограмм углеродной сажи при заданных условиях, как определено в ASTM D1510;IAN = iodine number: the number of grams of iodine adsorbed per kilogram of carbon black under given conditions, as defined in ASTM D1510;

N2SA=площадь поверхности адсорбции азота: общая площадь поверхности углеродной сажи, которая вычисляется из данных по адсорбции азота с использованием теории БЭТ, согласно ASTM D6556;N2SA=nitrogen adsorption surface area: total carbon black surface area which is calculated from nitrogen adsorption data using BET theory, according to ASTM D6556;

STSA=статистическαя площадь поверхностного слоя: площадь наружной поверхности углеродной сажи, которая вычисляется по данным адсорбции азота с использованием теории de Boer и модели углеродной сажи согласно ASTM D6556; иSTSA=statistical surface area: the outer surface area of carbon black, which is calculated from nitrogen adsorption data using de Boer theory and carbon black model according to ASTM D6556; And

OAN=число абсорбции масла: количество кубических сантиметров дибутилфталата (DBP) или парафинового масла, поглощаемого 100 г углеродной сажи при заданных условиях.OAN = oil absorption number: the number of cubic centimeters of dibutyl phthalate (DBP) or paraffin oil absorbed by 100 g of carbon black under given conditions.

Значение OAN пропорционально степени структурного уровня углеродной сажи, определенного согласно ASTM D2414.The OAN value is proportional to the degree of structural level of carbon black, determined according to ASTM D2414.

Для каждого параметра из IAN, N2SA (или NSA), STSA и OAN - все это типичные параметры характеризации материалов углеродной сажи - сетки демонстрируют превосходные свойства по сравнению с традиционной углеродной сажей. Сетки по настоящему изобретению предпочтительно характеризуются по меньшей мере одним параметром, предпочтительно по меньшей мере двумя, более предпочтительно всеми параметрами (i), (ii) и (iii), поскольку это типичные пути характеризации свойств площади поверхности материалов. В одном из вариантов осуществления сетки демонстрируют по меньшей мере одно свойство из (i), (ii) и (iii) и, кроме того, соответствуют (iv).For each parameter from IAN, N2SA (or NSA), STSA and OAN - all typical characterization parameters for carbon black materials - meshes show superior properties over conventional carbon black. The meshes of the present invention are preferably characterized by at least one parameter, preferably at least two, more preferably all of the parameters (i), (ii) and (iii), as these are typical ways of characterizing the surface area properties of materials. In one embodiment, the meshes exhibit at least one of (i), (ii) and (iii) and furthermore correspond to (iv).

Эти структуры, образующие сетку, можно описать как нановолокна, которые являются сплошными (то есть неполыми), предпочтительно, имеют средний диаметр или толщину 1-400 нм, более предпочтительно, в пределах между 5 и 350 нм, более предпочтительно до 100 нм, в одном из вариантов осуществления 50-100 нм, по сравнению со средним размером частиц 8-500 нм для сферических частиц углеродной сажи. В одном из вариантов осуществления, средняя длина волокна (то есть среднее расстояние между двумя соединениями) предпочтительно находится в пределах 100-10000 нм, более предпочтительно, 200-5000 нм, более предпочтительно, 500-5000 нм, как можно определить, например, с использованием SEM. Альтернативно, нановолокна или структуры могут предпочтительно описываться в терминах среднего аспектного отношения длины и толщины волокна, по меньшей мере, 2, предпочтительно, по меньшей мере, 3, более предпочтительно, по меньшей мере, 4, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 5; это дает резкий контраст с аморфными (физически ассоциируемыми) агрегатами, формируемыми из сферических частиц, получаемых при обычном получении углеродной сажи. Агрегаты сеток из углеродных структур по настоящему изобретению, как правило, имеют размеры порядка 0,1-100 мкм, предпочтительно, 1-50 мкм, что наблюдается с помощью анализа лазерной дифракции и динамического рассеяния света.These network-forming structures can be described as nanofibers that are continuous (i.e., non-hollow), preferably having an average diameter or thickness of 1-400 nm, more preferably between 5 and 350 nm, more preferably up to 100 nm, in in one embodiment, 50-100 nm, compared to an average particle size of 8-500 nm for spherical carbon black particles. In one embodiment, the average fiber length (i.e., the average distance between two connections) is preferably in the range of 100-10000 nm, more preferably 200-5000 nm, more preferably 500-5000 nm, as can be determined, for example, with using SEM. Alternatively, the nanofibers or structures may preferably be described in terms of an average fiber length to thickness aspect ratio of at least 2, preferably at least 3, more preferably at least 4, most preferably at least 5; this provides a sharp contrast to the amorphous (physically associated) aggregates formed from spherical particles produced in conventional carbon black production. The grid aggregates of the carbon structures of the present invention typically have dimensions on the order of 0.1-100 µm, preferably 1-50 µm, as observed by laser diffraction and dynamic light scattering analysis.

Настоящее изобретение также относится к композиту, содержащему сетки из углеродных структур по настоящему изобретению, дополнительно содержащему один или более полимеров, например, для придания механической прочности, электропроводности или теплопроводности указанному композиту на основе полимера. Сетки могут добавляться в любом количестве, адаптированном для желаемых характеристик, например, 1-70 мас.%, более предпочтительно 10-50 мас.%, еще более предпочтительно в пределах 20-40 мас.%, по отношению к общей массе полимера в композите. В одном аспекте, композит показывает зависимый от концентрации сеток модуль упругости (E-модуль, то есть увеличение с повышением концентрации сеток), например, как измерено согласно ISO 527.The present invention also relates to a composite containing networks of carbon structures of the present invention, additionally containing one or more polymers, for example, to impart mechanical strength, electrical conductivity or thermal conductivity of the specified polymer-based composite. Meshes can be added in any amount adapted to the desired characteristics, for example, 1-70 wt.%, more preferably 10-50 wt.%, even more preferably in the range of 20-40 wt.%, relative to the total weight of the polymer in the composite . In one aspect, the composite exhibits a mesh concentration dependent modulus (E-modulus, i.e. increase with mesh concentration), for example, as measured according to ISO 527.

ПримерыExamples

Пример 1A. Получение сетки из кристаллических углеродных структур.Example 1A. Obtaining a grid from crystalline carbon structures.

Приготавливают 100 галлонов (38 литров) исходных материалов, состоящих изPrepare 100 gallons (38 liters) of starting materials consisting of

a) суспензии в нефтепродукте для получения углеродной сажи (масло CBO или CBFS);a) slurries in carbon black oil (CBO or CBFS oil);

b) водной фазы, содержащей 3500 мМ соли предшественника металла (FeCl3);b) an aqueous phase containing 3500 mm metal precursor salt (FeCl 3 );

- 9 042394- 9 042394

c) водной фазы, содержащей восстанавливающий агент (3650 мМ лимонной кислоты);c) an aqueous phase containing a reducing agent (3650 mm citric acid);

d) поверхностно-активного вещества (TritonX; HLB 13,4).d) surfactant (TritonX; HLB 13.4).

Точная композиция микроэмульсий (a+b+d) и (a+c+d) детализируется ниже.The exact composition of the microemulsions (a+b+d) and (a+c+d) is detailed below.

Эмульсия Emulsion СВО NWO Вода/ВеС13 Water / Weight1 3 Вода/СА Water/SA TritonX TritonX a+b+d a+b+d 70% 70% 10% 10% 0% 0% 20% 20% a+c+d a+c+d 70% 70% 0% 0% 10% 10% 20% 20%

Обе микроэмульсии (a+b+d), (a+c+d) добавляют друг к другу и получают посредством перемешивания однофазную микроэмульсию, и указанная микроэмульсия стабильна в течение более 1 ч, это дольше, чем вся продолжительность эксперимента.Both microemulsions (a+b+d), (a+c+d) are added to each other and a single-phase microemulsion is obtained by stirring, and said microemulsion is stable for more than 1 hour, which is longer than the entire duration of the experiment.

Сетки, полученные таким образом, имеют следующие характеристики:Meshes obtained in this way have the following characteristics:

IAN=382,5 мг/г, согласно ASTM D1510;IAN=382.5 mg/g, according to ASTM D1510;

N2SA=350 м2/г (ASTM D6556);N2SA=350 m 2 /g (ASTM D6556);

STSA=160,6 м2/г (ASTM D6556);STSA=160.6 m 2 /g (ASTM D6556);

OAN=170 см3/100 г (ASTM D2414).OAN=170 cm 3 /100 g (ASTM D2414).

Пример 2. Углеродная сажа в сравнении с сеткой.Example 2 Carbon black versus mesh.

Углеродные сетки согласно примеру 1 сравнивают с обычной углеродной сажей, полученной с использованием (a). Углеродная сажа стандартных сортов, как правило, имеет площадь поверхности адсорбции азота (NSA или N2SA), изменяющуюся до 150 м2/г (каучуковая углеродная сажа сорта N100).The carbon nets according to example 1 are compared with conventional carbon black obtained using (a). Standard grade carbon black typically has a nitrogen adsorption surface area (NSA or N2SA) varying up to 150 m 2 /g (N100 grade rubber carbon black).

Морфологию углеродных сеток оценивают с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). Обнаружено, что составляющие элементы углеродной сетки представляют собой химически ковалентно связанные сплошные углеродные (нано)волокна со средним диаметром волокон ниже 100 нм. С другой стороны, составляющие элементы углеродной сажи представляют собой гранулы, в которых слои графита организованы в сферической форме (диаметр 8-300 нм). SEM изображения углеродной сажи и составляющих элементов углеродных сеток показаны на фиг. 2A и 2B, соответственно. Обнаружено, что углеродные сетки организованы в агрегаты размером 1-100 мкм, в то время как агрегаты углеродной сажи, как правило, соответствуют пределам 85-500 нм.The morphology of the carbon networks is assessed using scanning electron microscopy (SEM). It has been found that the constituent elements of the carbon network are chemically covalently bonded continuous carbon (nano) fibers with an average fiber diameter below 100 nm. On the other hand, the constituent elements of carbon black are granules in which graphite layers are organized in a spherical shape (diameter 8-300 nm). SEM images of the carbon black and the constituent elements of the carbon grids are shown in FIG. 2A and 2B, respectively. It has been found that the carbon networks are organized into 1-100 µm aggregates, while the carbon black aggregates generally fall within the 85-500 nm range.

Пример 3. Воздействие металлических наночастиц.Example 3. Exposure to metal nanoparticles.

Концентрация металлического катализатора оказывает влияние на конечные выходы реакций: приготавливают три бинепрерывных микроэмульсии, по 20 г, из изопропилпальмитата (35 мас.%), бутанола (11,25 мас.%), Tween 80 (33,75 мас.%), воды (20 мас.%). В то время как первая загрузка приготавливается без каких-либо металлических наночастиц, две загрузки содержат 50 и 200 мМ металлический наночастиц из FeCl3 (по отношению к лимонной кислоте и FeCl3 в отношении 10:1). Каждая из эмульсий стабильна в течение всей продолжительности экспериментов. Эксперимент без металлических наночастиц осуществляют, по меньшей мере, 10 раз.The concentration of the metal catalyst affects the final reaction yields: three bicontinuous microemulsions are prepared, 20 g each, from isopropyl palmitate (35 wt.%), butanol (11.25 wt.%), Tween 80 (33.75 wt.%), water (20 wt.%). While the first batch is prepared without any metal nanoparticles, two batches contain 50 and 200 mM metal nanoparticles from FeCl 3 (relative to citric acid and FeCl 3 in a ratio of 10:1). Each of the emulsions is stable throughout the duration of the experiments. The experiment without metal nanoparticles is carried out at least 10 times.

В каждом случае эмульсии вводят в среднюю часть кварцевой трубки термического горизонтального трубчатого реактора. Реактор нагревают до 750°C (3 К/мин) в потоке азота 130 см3/мин (н.у.) и выдерживают в течение 90 мин при этой же температуре. Через первые 60 мин поток газообразного азота уменьшают до 100 см3/мин (н.у.) и добавляют поток газообразного этилена при 100 см3/мин (н.у.). В течение последних 30 мин при 750°C этилен убирают продувкой из азота при 130 см3/мин (н.у.) в течение последних 30 мин, а затем реактор охлаждают.In each case, the emulsions are introduced into the middle part of the quartz tube of the thermal horizontal tubular reactor. The reactor is heated to 750° C. (3 K/min) under a nitrogen flow of 130 cc / min (N.O.) and maintained for 90 minutes at the same temperature. After the first 60 minutes, the nitrogen gas flow is reduced to 100 cm 3 /min (N.O.) and the ethylene gas stream is added at 100 cm 3 /min (N.O.). During the last 30 minutes at 750° C., ethylene is removed by purging from nitrogen at 130 cc / min (N.O.) for the last 30 minutes and then the reactor is cooled down.

Сетки из углеродных структур получают только с помощью металлических наночастиц. Ни в одном из десяти экспериментов без металлических наночастиц сеток не обнаруживают. Исследование, проделанное в присутствии 200 мМ FeCl3, показывает увеличение выхода сеток из углеродных структур, по сравнению с результатами, сообщаемыми для 50 мМ FeCl3.Grids from carbon structures are obtained only with the help of metal nanoparticles. In none of the ten experiments without metal nanoparticles, networks are found. A study done in the presence of 200 mM FeCl 3 shows an increase in the yield of nets from carbon structures compared to the results reported for 50 mM FeCl 3 .

SEM изображение сеток, полученных с помощью бинепрерывной микроэмульсии на основе изопропилпальмитата (35 мас.%), бутанола (11,25 мас.%), Tween 80 (33,75 мас.%) и воды (20 мас.%), с 100 мМ наночастиц Fe, показано на фиг. 3.SEM image of networks obtained using a bicontinuous microemulsion based on isopropyl palmitate (35 wt.%), butanol (11.25 wt.%), Tween 80 (33.75 wt.%) and water (20 wt.%), s 100 mM of Fe nanoparticles is shown in Fig. 3.

Пример 4. График E-модуля в PA6.Example 4. E-module plot in PA6.

Порошок углеродной сетки, такой как получают согласно рецепту примера 1, компаундируют при различных нагрузках (10, 20, 30, 40 мас.%) в Polyamide 6 (Akulon F223D), посредством двухшнекового экструдера (L/D=38, D=25 мм) и сравнивают со стекловолокном (Chopvantage 3540), компаундированным при нагрузках 10, 20, 30 мас.%, при таких же условиях. E модуль измеряют согласно ISO 527, на образцах, высушенных как формованные бруски для испытаний на растяжение. Результаты показаны в виде графика на фиг. 4, и показывают рабочие характеристики углеродных сеток, которые сравнимы с параметрами стекловолокна. Углеродная сажа, как обнаружено, не обеспечивает значительного армирования для термопластика, при любой концентрации.Carbon mesh powder, such as prepared according to the recipe of example 1, is compounded at various loads (10, 20, 30, 40 wt.%) in Polyamide 6 (Akulon F223D), by means of a twin screw extruder (L/D=38, D=25 mm ) and compared with glass fiber (Chopvantage 3540) compounded at loads of 10, 20, 30 wt.%, under the same conditions. E modulus is measured according to ISO 527, on specimens dried as molded tensile test bars. The results are shown graphically in FIG. 4 and show the performance of carbon meshes, which is comparable to glass fiber. Carbon black has not been found to provide significant reinforcement for thermoplastics, at any concentration.

Пример 5. График электропроводности PA6 и PET.Example 5 Conductivity plot of PA6 and PET.

Объемное сопротивление измеряют на различных компаундах, полученных с помощью углеродной сетки, приготовленной с использованием рецепта согласно примеру 1, при различных нагрузках Polyamide 6 (Akulon F223D) и PET (Ramapet N1), посредством двухшнекового экструдера (L/D=38, D=25 мм).Volume resistance is measured on various compounds prepared with a carbon mesh prepared using the recipe according to example 1, at various loads of Polyamide 6 (Akulon F223D) and PET (Ramapet N1), by means of a twin screw extruder (L/D=38, D=25 mm).

- 10 042394- 10 042394

Результаты показаны в виде графика на фиг. 5. Кривые перколяции показывают хороший контроль дозировки в статичном диссипативном диапазоне и то, что высокие характеристики проводимости достигаются при высоких нагрузках. В противоположность этому, порог перколяции углеродной сажи для проводящих применений обнаружен при более низких дозировках, то есть при <20 мас.%, и контроль дозировки в статичном диссипативном диапазоне является неудовлетворительным. Кроме того, компаунды углеродных сеток не расслаиваются до нагрузки 30 мас.%, в то время как компаунды с углеродной сажей, как известно, расслаиваются даже при низкой степени заполнения.The results are shown graphically in FIG. 5. The percolation curves show good dosage control in the static dissipative range and that high conductivity characteristics are achieved at high loads. In contrast, the percolation threshold of carbon black for conductive applications is found at lower dosages, i.e., <20 wt.%, and dosage control in the static dissipative range is unsatisfactory. In addition, carbon mesh compounds do not delaminate up to a load of 30% by weight, while carbon black compounds are known to delaminate even at low fill rates.

Пример 6. Механическая прочность.Example 6. Mechanical strength.

Сетки из углеродных нановолокон (низкая IAN, высокая кристалличность), полученные с помощью модифицированного способа получения углеродной сажи по настоящему изобретению, как обнаружено, могут улучшать механические свойства термопластичных (и термоусадочных) полимерных смол. Добавление 10 мас.% сеток из углеродных нановолокон в сополимер полипропилена дает в результате повышение прочности при растяжении (при разрыве) 15% и повышение модуля упругости 16% по сравнению с эталоном из чистого полимера. Brabender©Plasticorder© используют для смешивания достаточного количества сеток из углеродных нановолокон и полипропилена при 210°C и 80 об/мин. Образцы формуют под давлением и исследуют с помощью устройства для исследований на растяжение Instron 3366 10 kN при 23°C, RH (относительной влажности) 50%.______________________________________________Carbon nanofiber networks (low IAN, high crystallinity) produced by the modified carbon black production process of the present invention have been found to improve the mechanical properties of thermoplastic (and shrink) polymer resins. The addition of 10 wt% carbon nanofiber networks to the polypropylene copolymer results in a 15% increase in tensile strength (at break) and a 16% increase in modulus of elasticity compared to a pure polymer reference. The Brabender©Plasticorder© is used to mix enough carbon nanofiber and polypropylene meshes at 210°C and 80 rpm. Specimens are pressure molded and examined using an Instron 3366 10 kN tensile tester at 23°C, RH (relative humidity) 50%.______________________________________________

10% УглеродХ / РР 10% CarbonX/PP Модуль Юнга (напряжение растяжения при 0,05% 0,25%) Young's modulus (tensile stress at 0.05% 0.25%) Напряжение растяжения на пределе прочности (нулевая крутизна) Tensile stress at tensile strength (zero slope) Деформация растяжения на пределе прочности (нулевая крутизна) Tensile strain at tensile strength (zero slope) Напряжение растяжения при разрыве (автоматиче ский сброс нагрузки) Tensile stress at break (automatic load shedding) Деформация растяжения при разрыве (автоматиче ский сброс нагрузки) Tensile Strain at Break (Automatic Load Relief) (МПа) (MPa) (МПа) (MPa) (%) (%) (МПа) (MPa) (%) (%) Средн.зн ач. Mean Ah 1459,99 1459.99 20,05 20.05 7,68 7.68 19,76 19.76 9,80 9.80 Стандарт ное отклонен ие Standard deviation 149,72 149.72 1,13 1.13 0,20 0.20 1,14 1.14 0,91 0.91 10,3% 10.3% 5,6% 5.6% 2,6% 2.6% 5,8% 5.8% 9,3% 9.3% РР эталон RR standard Модуль Юнга (напряжение растяжения при 0,05% 0,25%) (МПа) Young's modulus (tensile stress at 0.05% 0.25%) (MPa) Напряжение растяжения на пределе прочности (нулевая крутизна) (МПа) Tensile stress at ultimate strength (zero slope) (MPa) Деформация растяжения на пределе прочности (нулевая крутизна) (%) Tensile strain at tensile strength (zero slope) (%) Напряжение растяжения при разрыве (автоматиче ский сброс нагрузки) (МПа) Tensile stress at break (automatic load shedding) (MPa) Деформация растяжения при разрыве (автоматиче ский сброс нагрузки) (%) Tensile Strain at Break (Auto Load Relief) (%) Средн.зн ач. Mean Ah 1258,35 1258.35 18,95 18.95 8,76 8.76 17,14 17.14 13,54 13.54 Стандарт ное отклонен ие Standard deviation 141,14 141.14 1,17 1.17 0,89 0.89 1,37 1.37 4,30 4.30 11,2% 11.2% 6,2% 6.2% 10,2% 10.2% 8,0% 8.0% 31,7% 31.7%

Пример 7. Получение с помощью плазменного реактора.Example 7 Preparation with a Plasma Reactor.

Сетки из углеродных нановолокон получают посредством использования плазмы вместо горения газообразного углерода. Используемая газообразная плазма представляет собой азот (N2) при 60 кВт, при начальной скорости потока плазмы 12 Нм3/ч. Скорость потока аргона устанавливают при 0,6 Нм3/ч. Скорость потока исходных материалов (эмульсии) устанавливают при 2,5 кг/ч. Осуществляют ГХ-измерения для мониторинга H2 и хода преобразования углерода. Температуру при инжектировании устанавливают при 1400°C, примерное время пребывания составляет 4 с. Собранный материал имеет плотность 0,13 г/см2 и показывает присутствие сеток из углеродных нановолокон, наблюдаемых с помощью SEM и TEM, смотри фигуры. Средний диаметр волокон, как определено, составляет 70 нм, в то время как длина между узлами составляет 5-10 диаметров волокна.Carbon nanofiber nets are produced by using plasma instead of burning carbon gas. The gaseous plasma used is nitrogen (N2) at 60 kW, with an initial plasma flow rate of 12 Nm 3 /h. The flow rate of argon is set at 0.6 Nm 3 /h. The flow rate of the starting materials (emulsion) is set at 2.5 kg/h. GC measurements are made to monitor H2 and carbon conversion progress. The injection temperature is set at 1400°C, the approximate residence time is 4 seconds. The collected material has a density of 0.13 g/cm 2 and shows the presence of carbon nanofiber networks observed by SEM and TEM, see figures. The average fiber diameter was determined to be 70 nm, while the length between knots was 5-10 fiber diameters.

Claims (12)

1. Способ получения сеток из кристаллических углеродных структур в печном реакторе 3 для получения углеродной сажи, содержащем реакционную зону 3b и зону 3c завершения, посредством инжектирования микроэмульсии вода в масле или бинепрерывной микроэмульсии c, содержащей наночастицы металлического катализатора, в реакционную зону 3b, имеющую температуру выше 600°C и до 3000°C, с получением сеток e из кристаллических углеродных структур, перемещения сеток e в зону завершения 3c и резкого охлаждения или приостановки формирования сеток из кристаллических углеродных структур в зоне завершения посредством впрыскивания воды d, причем масляная фаза в эмульсии является арома1. A method for producing networks of crystalline carbon structures in a carbon black furnace reactor 3 comprising a reaction zone 3b and a completion zone 3c by injecting a water-in-oil microemulsion or a bicontinuous microemulsion c containing metal catalyst nanoparticles into a reaction zone 3b having a temperature above 600°C and up to 3000°C, with the formation of networks e of crystalline carbon structures, moving the networks e to the completion zone 3c and abrupt cooling or suspension of the formation of networks of crystalline carbon structures in the completion zone by injecting water d, and the oil phase in the emulsion is an aroma - 11 042394 тической и/или алифатической и содержит по меньшей мере 50 мас.% соединений C14 или выше, по отношению к общей массе масляной фазы.- 11 042394 tic and/or aliphatic and contains at least 50 wt.% compounds C14 or higher, relative to the total weight of the oil phase. 2. Способ по п.1, где реактор 3 дополнительно содержит зону 3a горения, где зона горения 3a, реакционная зона 3b и зона 3c завершения расположены вдоль оси реактора 3 и где способ дополнительно содержит получение потока горячих отработанных газов a1 в зоне горения посредством сжигания топлива в кислородосодержащем газе b и прохождения отработанных газов a1 из зоны 3a горения в реакционную зону 3b, распыления микроэмульсии вода в масле или бинепрерывной микроэмульсии c, содержащей наночастицы металлического катализатора, в реакционной зоне 3b, содержащей горячие отработанные газы, карбонизации эмульсии при температуре выше 600°C и до 3000°C и резкого охлаждения или приостановки реакции в зоне завершения 3c посредством впрыскивания воды d, с получением сеток из кристаллических углеродных структур e.2. The method according to claim 1, wherein the reactor 3 further comprises a combustion zone 3a, wherein the combustion zone 3a, the reaction zone 3b, and the termination zone 3c are located along the axis of the reactor 3, and wherein the method further comprises obtaining a hot exhaust gas stream a1 in the combustion zone by combustion fuel in oxygen-containing gas b and passing the exhaust gases a1 from the combustion zone 3a to the reaction zone 3b, spraying a water-in-oil microemulsion or a bicontinuous microemulsion c containing metal catalyst nanoparticles in the reaction zone 3b containing hot exhaust gases, carbonizing the emulsion at a temperature above 600 °C to 3000°C and quenching or stopping the reaction in the completion zone 3c by injecting water d to obtain networks of crystalline carbon structures e. 3. Способ по любому из предыдущих пунктов, где температура в зоне 3b реактора составляет выше 1100 и до 2000°C.3. The method according to any one of the preceding claims, wherein the temperature in zone 3b of the reactor is above 1100 and up to 2000°C. 4. Способ по любому из предыдущих пунктов, где эмульсия содержит по меньшей мере 1 мМ наночастиц металлического катализатора.4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the emulsion contains at least 1 mM metal catalyst nanoparticles. 5. Способ по п.4, где наночастицы металлического катализатора имеют средний размер частиц в пределах между 1 и 100 нм.5. The method of claim 4, wherein the metal catalyst nanoparticles have an average particle size between 1 and 100 nm. 6. Сетка из кристаллических углеродных структур, получаемая способом по любому из предыдущих пунктов, где углеродные структуры химически связаны между собой с помощью множества соединений, включая Y- и H-соединения, где структуры имеют среднюю толщину 1-400 нм и/или среднюю длину в пределах 100-10000 нм и/или где структуры имеют среднее аспектное отношение длины к толщине по меньшей мере 2.6. A network of crystalline carbon structures obtainable by the method of any one of the preceding claims, wherein the carbon structures are chemically bonded to each other by a variety of compounds, including Y and H compounds, where the structures have an average thickness of 1-400 nm and/or an average length in the range of 100-10000 nm and/or where the structures have an average aspect ratio of length to thickness of at least 2. 7. Сетка по п.6, где структуры имеют среднюю толщину в пределах между 5 и 100 нм и/или среднюю длину в пределах 100-5000 нм.7. Mesh according to claim 6, wherein the structures have an average thickness between 5 and 100 nm and/or an average length between 100-5000 nm. 8. Композит, содержащий сетки из углеродных структур по любому из пп.6, 7, дополнительно содержащий одну или более термопластичных и термоусадочных полимерных смол, для придания механической прочности, электропроводности или теплопроводности композиту на полимерной основе, и где сетки находятся в количестве в пределах 1-70 мас.% по отношению к общей массе полимера в композите.8. A composite containing nets of carbon structures according to any one of claims 6, 7, additionally containing one or more thermoplastic and heat-shrinkable polymer resins, to impart mechanical strength, electrical conductivity or thermal conductivity to the polymer-based composite, and where the nets are in an amount in the range 1-70 wt.% relative to the total weight of the polymer in the composite. 9. Композит по п.8, в котором сетки находятся в количестве в пределах между 20 и 40 мас.% по отношению к общей массе полимера в композите.9. Composite according to claim 8, wherein the networks are in an amount between 20 and 40% by weight, based on the total weight of the polymer in the composite. 10. Композит по п.9, имеющий значение E модуля, повышающееся с концентрацией сетки, как измерено согласно ISO 527.10. The composite of claim 9 having an E value of modulus increasing with network concentration as measured according to ISO 527. 11. Способ полунепрерывного получения сеток из кристаллических углеродных структур в реакторе 3, где микроэмульсию вода в масле или бинепрерывную микроэмульсию c, содержащую наночастицы металлического катализатора, инжектируют из верхней части реактора 3 посредством распыления с использованием впуска 4 для аэрозоля с получением аэрозоля, и где сетки e формируют при повышенной температуре между 700-1200°C и осаждают в нижней части реактора, и где повышенную температуру получают с использованием пиролиза или посредством горения, причем масляная фаза в эмульсии является ароматической и/или алифатической и содержит по меньшей мере 50 мас.% соединений C14 или выше, по отношению к общей массе масляной фазы.11. A method for semi-continuous production of networks of crystalline carbon structures in a reactor 3, wherein a water-in-oil microemulsion or a bicontinuous microemulsion c containing metal catalyst nanoparticles is injected from the top of the reactor 3 by spraying using an aerosol inlet 4 to produce an aerosol, and where the networks e is formed at an elevated temperature between 700-1200° C. and deposited at the bottom of the reactor, and where the elevated temperature is obtained using pyrolysis or by combustion, the oil phase in the emulsion being aromatic and/or aliphatic and containing at least 50 wt. compounds C14 or higher, relative to the total weight of the oil phase. 12. Способ получения сеток из кристаллических углеродных структур в реакторе 3, где микроэмульсию вода в масле или бинепрерывную микроэмульсию c, содержащую наночастицы металлического катализатора, инжектируют из верхней части реактора 3, где реактор представляет собой реактор для получения термической сажи, посредством распыления с использованием впуска 4 для аэрозоля для получения аэрозоля, и где сетки e формируют при повышенной температуре между 700-1200°C и осаждают в нижней части реактора, и где повышенную температуру получают посредством начального этапа горения с использованием источника тепла внутри реактора с использованием воздуха или кислорода, и где эмульсию инжектируют исключительно при условиях пиролиза, причем масляная фаза в эмульсии является ароматической и/или алифатической и содержит по меньшей мере 50 мас.% соединений C14 или выше, по отношению к общей массе масляной фазы.12. A method for producing networks of crystalline carbon structures in a reactor 3, where a water-in-oil microemulsion or a bicontinuous microemulsion c containing metal catalyst nanoparticles is injected from the top of the reactor 3, where the reactor is a thermal carbon black reactor, by spraying using an inlet 4 for an aerosol to produce an aerosol, and where the nets e are formed at an elevated temperature between 700-1200° C. and deposited at the bottom of the reactor, and where the elevated temperature is obtained by an initial combustion step using a heat source inside the reactor using air or oxygen, and where the emulsion is injected exclusively under pyrolysis conditions, and the oil phase in the emulsion is aromatic and/or aliphatic and contains at least 50 wt.% compounds C14 or higher, relative to the total weight of the oil phase.
EA201990135 2016-06-28 2017-06-28 OBTAINING A NETWORK FROM CRYSTALLINE CARBON STRUCTURES EA042394B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16176599.5 2016-06-28
EP17150513.4 2017-01-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA042394B1 true EA042394B1 (en) 2023-02-09

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11859089B2 (en) Production of crystalline carbon structure networks
US20080031802A1 (en) Ozonolysis of carbon nanotubes
US20080176052A1 (en) Mixed Structures of Single Walled and Multi Walled Carbon Nanotubes
US20240092642A1 (en) New production method of carbon (nano)-structures from pyrolysis oil
EA042394B1 (en) OBTAINING A NETWORK FROM CRYSTALLINE CARBON STRUCTURES
RU2562278C2 (en) Method of production of nanostructured carbon material based on black carbon
CN112424272A (en) Use of carbon networks comprising nanofibrous carbon
Phasha Synthesis of Carbon Nanotubes-Polyphenylene Sulfone Composite Membranes for Waste Water Treatment from Petroleum Sources
IL293380A (en) Use of carbon networks comprising carbon nanofibers