Разработка процесса модификации поверхности наноалмазов детонационного синтеза - Дипломная работа

2.1.3 Результаты эксперимента3.2 Время работы лаборатории, расчет количества анализов за год на приборах и во всей лаборатории4.1 Техника Безопасности и охрана труда в химической лаборатории 4.2 Опасные и вредные факторы 4.3 Вредные вещества 4.12 Расчет избыточного давления взрыва для горючих газов, паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостейАлмаз, как природного, так и искусственного происхождения, обладает комплексом уникальных физико-химических свойств, таких как: высокая твердость, рекордно низкий коэффициент сжимаемости, большая ширина запрещенной зоны, высокая теплопроводность, высокая термическая и радиационная стойкость, а также химическая инертность. Вся совокупность этих свойств обусловливает высокий интерес к нему как к промышленно важному материалу. Некоторые свойства алмаза представлены в табл.1. Изначально совокупность исключительных свойств алмаза обусловлена, с одной стороны, наличием в его структуре коротких, прочных ковалентных химических связей С-С, которые, кроме того, имеют и значительную угловую жесткость. С другой стороны, относительно малый заряд ядра атома углерода обуславливает высокую радиационную стойкость алмаза, на 2-3 порядка превышающую радиационную стойкость кремния.Известно, что алмаз как таковой представляет собой диамагнетик. Согласно литературным данным [3, 4], сигнал ЭПР алмаза в основе своей обусловлен наличием азотных примесных центров в его решетке, которые имеют различную (порой весьма сложную) структуру. При этом g-фактор для изолированного N-центра (т.е. одиночного замещающего атома азота) составляет 2,0025±0,0004 [4]. Для алмазов регистрируют также сигнал ЭПР, обусловленный примесями переходных металлов. Авторы [7] обобщают классификацию азотных примесных парамагнитных центров в синтетических алмазах, оценивая возможности синтеза алмазов, близких к природным по дефектной структуре.Широкое использование, как отдельных свойств алмаза, так и их сочетаний в научной и производственной практике долгое время сдерживалось ограниченностью природных ресурсов алмаза, что вызвало необходимость его синтеза.Впервые теоретически обосновал возможность синтеза алмаза из графита советский ученый О.И. Но синтезировать искусственный алмаз удалось лишь в 1953 г. группе шведских ученых под руководством Э.Г. Синтез проводился при давлении 80000 атм и температуре 2500 ОС. Алмаз кристаллизовался из раствора графита в расплавленном железе. После многочисленных экспериментов ученые определили ряд условий и закономерностей образования алмаза рассматриваемым методом [24]: - давление и температура в системе должны соответствовать области термодинамической стабильности алмаза;В динамическом синтезе реакционная масса, представляющая собой графит или иной углеродсодержащий материал, либо их смесь с металлами, подвергается кратковременному ударному воздействию, причем температура, в отличие от статического синтеза, не может быть выбрана произвольно, а является функцией состояния исходного материала и давления ударного сжатия [29]. Собственно динамический синтез, в котором исходные вещества помещают в прочные металлические контейнеры (ампулы сохранения) и подвергают воздействию ударных волн, генерируемых детонацией взрывчатого вещества или ударом пластин, разгоняемых продуктами детонации. При соударении на скоростях 1 км/с и более в ампуле и ее содержимом создаются давление до 100 ГПА и температура до 3000 К. Достаточные для синтеза алмаза температура и давление сохраняются в течение нескольких микросекунд. Джемисоном [29] был впервые осуществлен синтез алмаза методом сжатия графита в ударной волне при давлении до 300000 атм.Синтез алмаза осуществляют и из газовой фазы (метод CVD [39-47]), если в ней содержатся углеродсодержащие молекулы или их фрагменты. Синтез происходит при давлениях и температурах, соответствующих области метастабильности алмаза на фазовой диаграмме углерода. Такие условия можно создать: - если поместить алмаз в среду атомов углерода, например, испаряемых нагретым до высокой температуры графитом, или в раствор углерода в расплавленных металлах [41]; или не прибегать к графиту, а использовать какой-нибудь углеродсодержащий газ, молекулы которого способны разлагаться при повышенной температуре, выделяя атомы углерода, например химический синтез алмаза можно осуществить при атм. давлении и температурах 600-900 ОС из СО, СО Н2, СН4 СО2 при их каталитической поликонденсации [42].Поверхность алмазных материалов в нативном состоянии всегда покрыта слоем кислородсодержащих функциональных групп (карбоксильные, кетонные, спиртовые, ангидридные и др.), образовавшихся за счет насыщения свободных валентностей поверхностных атомов углерода кислородом воздуха во время их синтеза и последующих обработок. Несмотря на наличие уже "готового" функционального покрова модифицирование поверхности алмаза затруднено вследствие полифункциональности покрова, приводящего к неселективности протекающих реакций. Методами ИК-спектроскопии, микрогравиметрии, дифракции электронов, рентгенофотоэ

Содержание

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Общие сведения об алмазе

1.1.1 Физико-химические свойства алмаза

1.1.1.1 Парамагнитные свойства алмазных материалов

1.1.2 Методы получения искусственных алмазов

1.1.2.1 Синтез алмаза методом статических сверхвысоких давлений

1.1.2.2 Синтез алмаза методом динамических сверхвысоких давлений

1.1.2.3 Синтез алмаза из газовой фазы

1.2.1 Химическое состояние поверхности алмаза

1.3 Химическое модифицирование поверхности алмаза

1.3.1 Монофункционализация поверхности алмаза

1.3.1.1 Гидрирование поверхности алмаза

1.3.1 Окисление поверхности алмаза

1.3.2 Галогенирование поверхности алмаза

1.3.2.1 Фторирование

1.3.2.2 Хлорирование

1.3.2.3 Бромирование

1.3.3 Реакции нуклеофильного замещения на галогенированной поверхности алмаза

1.3.3.1 Реакции с N-нуклеофилами

1.3.3.2 Реакции с С-нуклеофилами

1.3.3.3 Реакции с S-нуклеофилами

1.3.4 Радикальные реакции на поверхности алмаза

1.3.5 Реакции [2 2] и [2 4] циклоприсоединения на реконструированной поверхности алмаза

1.4 Сорбционные свойства наноалмазов

1.4.1 Наноалмазы как новый вид сорбентов для хроматографии

1.5 Роль наноалмазных присадок к смазочным маслам

1.5.1 Ультрадисперсные алмазные частицы как основа многофункциональной алмазосодержащей присадки

1.5.2 Механизм действия присадки

1.5.3 Перспективные направления применения присадки

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Методика проведения эксперимента

2.1.1 Основная реакция для проведения эксперимента

3.2 Время работы лаборатории, расчет количества анализов за год на приборах и во всей лаборатории

3.3 Определение стоимости основных фондов

3.4 Определение показателей по труду и расчет оплаты труда

3.5 Расчет затрат на анализ

3.6 Вывод по экономической части

Введение

В последние годы (20 лет) созданы новые углеродные материалы, такие как наноалмазы, различные углерод-углеродные композиционные материалы, а также углеродные наноструктуры (углеродные нанотрубки, графитовые нановолокна), пористые углеродные материалы (сибунит, волокнистый углерод). Углеграфитные материалы широко используются в качестве адсорбентов, однако, направленное модифицирование их поверхности с целью придания ей новых свойств достаточно затруднено, вследствие невысокой концентрации функциональных групп на ней. Функциональные группы есть только на призматических гранях кристалла графита. В случае нанотрубок и структурно подобных материалов, модифицирование, как правило, идет по местам заранее созданных дефектов, что приводит к серьезным структурным изменениям в материале. По этой причине наиболее перспективно исследовать химическое модифицирование алмазных материалов, тем более, что именно они обладают комплексом уникальных физико-химических свойств, которые обусловливают высокий интерес к ним, как к промышленно важным материалам.

Следует отметить большое разнообразие алмазных материалов. Это - монокристаллы и порошки различной дисперсности природных и синтетических алмазов, ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза, алмазные пленки, получаемые осаждением углерода из газовой фазы на различных подложках. Для всех этих материалов характерна кристаллическая решетка алмаза. Свойства синтетических алмазных материалов существенно зависят от метода получения и, что особенно важно в случае ультрадисперсных алмазов детонационного синтеза, от функционального состава поверхности.

В связи с этим важную роль приобретают химические и физико-химические методы направленного модифицирования поверхности алмазных материалов. Целью такого модифицирования является получение на поверхности алмазного материала преимущественно монофункционального слоя привитого поверхностного соединения [1] как органической, так и неорганической природы. Таким образом, химическое модифицирование алмазных порошков, приводит к созданию нового класса перспективных материалов, поскольку в них сочетаются уникальные свойства алмаза и специфические свойства привитого химического соединения.

Следует отметить две принципиальные особенности модифицирования углеродных материалов и, в частности алмазов, которые существенно отличают их от многих других минеральных носителей: - возможность получения практически любых типов функциональных групп на поверхности, что обусловлено уникальными свойствами атома углерода;

- связь между поверхностью и привитым слоем может осуществляться за счет связи С-С, что автоматически делает привитый слой существенно более химически и механически стойким.

Однако, несмотря на столь многообещающие свойства наноалмазных материалов, число работ, нацеленных на изучение направленного синтеза привитых соединений на их поверхности невелико. Одними из основных причин, сдерживающих подобные исследования, являются: отсутствие хорошо разработанных методов получения монофункциональных слоев на поверхности, что связано с ее исходной полифункциональностью, а также отсутствие ясных областей применения наноалмазов. На сегодняшний момент наиболее изучено лишь их применение при создании электролитических металло-алмазных покрытий: хромовых и никелевых. Очевидно, что эти две проблемы тесно взаимосвязаны между собой: без получения материалов с заданными физико-химическими свойствами, которые во многом определяются химическим состоянием поверхности, невозможно рассматривать перспективные области применения наноалмазных материалов и наоборот. В качестве более частной задачи, можно указать на необходимость количественного изучения процессов модифицирования на поверхности наноалмаза и разработки методов позволяющих экспрессно и однозначно определять структуру привитого слоя.

Помимо наноалмазов, перспективы практического применения, но уже в жидкостной хроматографии, имеет пористый дисперсный алмаз. В связи с этим встает задача получения стабильных привитых слоев на его поверхности и изучения сорбционно-хроматографических свойств полученных материалов.

Таким образом, целью работы является разработка недорогого процесса модификации поверхности наноалмазов детонационного синтеза, обеспечивающего их гидрофобизацию и совместимость с индустриальными и автомобильными маслами.