[RU]

Раскрыты способы синтеза ex situ структур графена, оксида графена, восстановленного оксида графена, других производных графена и наночастиц, пригодных в качестве полирующих агентов. Кроме того, раскрыты способы и составы для полирования, увеличения твёрдости, защиты, повышения долговечности и смазывания подвижных и неподвижных деталей в устройствах и системах, включающих в себя, в том числе двигатели, турбонаддувы, турбины, гусеничные ленты, дорожки качения, колёса, подшипники, зубчатые передачи, броню, тепловые экраны и другие физические и механические системы, использующие обработанные взаимодействующие твёрдые поверхности, с помощью нанополирующих агентов, образуемых in situ из смазывающих составов, а в некоторых случаях ex situ , и их различные применения.

(57) Реферат / Формула:

Раскрыты способы синтеза ex situ структур графена, оксида графена, восстановленного оксида графена, других производных графена и наночастиц, пригодных в качестве полирующих агентов. Кроме того, раскрыты способы и составы для полирования, увеличения твёрдости, защиты, повышения долговечности и смазывания подвижных и неподвижных деталей в устройствах и системах, включающих в себя, в том числе двигатели, турбонаддувы, турбины, гусеничные ленты, дорожки качения, колёса, подшипники, зубчатые передачи, броню, тепловые экраны и другие физические и механические системы, использующие обработанные взаимодействующие твёрдые поверхности, с помощью нанополирующих агентов, образуемых in situ из смазывающих составов, а в некоторых случаях ex situ , и их различные применения.

---

Евразийское (21) 201301031 (13) A1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки 2014.06.30
(22) Дата подачи заявки 2012.03.15
(51) Int. Cl.
C01B 31/02 (2006.01) B82B 3/00 (2006.01) B82Y40/00 (2011.01) B82Y99/00 (2011.01) C10M125/02 (2006.01) F16D 13/74 (2006.01) F16N15/02 (2006.01) F01M 9/00 (2006.01)
(54) ПРОСТОЙ СИНТЕЗ ГРАФЕНА, ПРОИЗВОДНЫХ ГРАФЕНА И АБРАЗИВНЫХ
НАНОЧАСТИЦ И ИХ РАЗЛИЧНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ, В ТОМ ЧИСЛЕ В КАЧЕСТВЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИПОЛЕЗНЫХ ПРИСАДОК К СМАЗОЧНЫМ МАСЛАМ
(31) 61/452,781; 61/491,633; 61/503,203; 61/538,528; 61/541,637; 61/546,368;
61/568,957; 61/579,993; 61/596,936
(32) 2011.03.15; 2011.05.31; 2011.06.30; 2011.09.23; 2011.09.30; 2011.10.12; 2011.12.09; 2011.12.23; 2012.02.09
(33) US
(86) PCT/US2012/029276
(87) WO 2012/125854 2012.09.20
(71) Заявитель:
ПИРЛЕСС УОРЛДУАЙД, ЛЛСи (US)
(72) Изобретатель: Шэнкмэн Ричард С. (US)
(74) Представитель:
Курапов Г.П. (RU) (57) Раскрыты способы синтеза ex Бниструктур графена, оксида графена, восстановленного оксида графена, других производных графена и наноча-стиц, пригодных в качестве полирующих агентов. Кроме того, раскрыты способы и составы для полирования, увеличения твёрдости, защиты, повышения долговечности и смазывания подвижных и неподвижных деталей в устройствах и системах, включающих в себя, в том числе двигатели, тур-бонаддувы, турбины, гусеничные ленты, дорожки качения, колёса, подшипники, зубчатые передачи, броню, тепловые экраны и другие физические и механические системы, использующие обработанные взаимодействующие твёрдые поверхности, с помощью нанополирующих агентов, образуемых I in situro смазывающих составов, а в некоторых слу- I чаях ex sitiui их различные применения.
ПРОСТОЙ СИНТЕЗ ГРАФЕНА, ПРОИЗВОДНЫХ ГРАФЕНА И АБРАЗИВНЫХ НАНОЧАСТИЦ И ИХ РАЗЛИЧНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ, В ТОМ ЧИСЛЕ И В КАЧЕСТВЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИ-ПОЛЕЗНЫХ ПРИСАДОК К СМАЗОЧНЫМ МАСЛАМ
ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Эта заявка претендует на преимущества предварительной заявки на патент США № 61/596936, поданной 9 февраля 2012 г. под названием "Трибологически-полезные углеродистые материалы и молекулы наноабразивного смазочного масла на основе целенаправленного in situ пиролиза жертвенных циклических углеродистых компонентов" ("Tribologically BeHficial Carbonaceous Materials and Nano-Abrasive Lubricant Molecules From Intentional In-Situ Pyrolysis of Sacrificial Cyclic Carbon Constituents"); предварительной заявки на патент США № 61/579993, поданной 23 декабря 2011 г. под названием "Синтез графена и производных графена в результате дегидратация или пиролиза углеродистых материалов, паровой эксфолиации или образования полициклического ароматического углеводорода (РАН) и последующей гидрофобной самосборки ("Graphene and Graphene Derivatives Synthesis By Dehydration or Pyrolysis of Carbonaceous Materials, Vapor Exfoliation or PAH Formation, and Subsequent Hydrophobic Self-Assembly"); предварительной заявки на патент США № 61/568957, поданной 9 декабря 2011 г. под названием "Синтез графена, производных графена, углерод-инкапсулированных наночастиц металла и наностали и использование поглощённых углеродсодержащих отходов и парниковых газов в таких способах синтеза" ("Synthesis of Graphene, Graphene Derivatives, Carbon-Encapsulated Metallic Nanoparticles, and Nano-Steel, and the Use of Sequestered Carbonaceous Wastes and Greenhouse Gases in Such Synthesis Methods"); предварительной заявки на патент США № 61/546368, поданной 12 октября 2011 г. под названием "Синтез оксида графена и графена при сгорании" ("Combustion Synthesis of Graphene Oxide and Graphene"); предварительной заявки на патент США № 61/541637, поданной 30 сентября 2011 под названием "Смазывающие присадки, полирующие составы, наночастицы и трибологические покрытия и их применения, а также способы синтеза наночастиц, графена и оксида графена" ("Lubricating Additives, Polishing Compositions, Nanoparticles, and Tribological Coatings, and Uses Thereof, and Methods of Nanoparticle, Graphene, and Graphene Oxide Synthesis"); предварительной заявки на патент США № 61/538528, поданной 23 сентября 2011 г. под названием "Смазывающие присадки, полирующие составы, наночастицы и трибологические покрытия и их применения, а также
способы синтеза наночастиц, графена и оксида графена" ("Lubricating Additives, Polishing Compositions, Nanoparticles, and Tribological Coatings, and Uses Thereof, and Methods of Nanoparticle, Graphene, and Graphene Oxide Synthesis;"); предварительной заявки на патент США № 61/503203, поданной 30 июня 2011 под названием "Смазывающие присадки, полирующие составы и наночастицы и их применения, а также способы синтеза наночастиц" ("Lubricating Additives, Polishing Compositions, and Nanoparticles, and Methods and Uses Thereof, and Methods of Nanoparticle Synthesis"); предварительной заявки на патент США № 61/491633, поданной 31 мая 2011 под названием "Смазывающие составы, присадки к смазочным маслам, способы смазки и способы полирования поверхностей" ("Lubricating Compositions, Lubricant Additives, Methods of Lubrication, and Methods of Polishing Surfaces"); и предварительной заявки на патент США № 61/452781, поданной 15 марта 2011 г. под названием "Смазывающие составы, присадки к смазочным маслам и способы смазки" ("Lubricating Compositions, Lubricant Additives, and Methods of Lubrication"), содержание каждой из которых тем самым включено в данное описание путём ссылки во всей своей полноте.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ Изобретение относится к промышленным способам синтеза ex situ структур графена, оксида графена, восстановленного оксида графена, а также других производных графена и наночастиц и их использования, в том числе в композитах, при изготовлении композитов и покрытий, в области трибологии, нанотехнологии, при отделке поверхностей, машинной обработке и оснастке, бурении, сверлении, прокладке туннелей, в баллистике, антибаллистике, теплозащите, теплопоглощении, присадках к смазочным маслам, смазывающих составах, покрытиях, способах смазки, способах полирования твёрдых поверхностей и способах резки, сверления, упрочнения, защиты и изготовления стали и других твёрдых поверхностей. Кроме того, изобретение относится к использованию абразивных наночастиц в смазывающих составах для полировки, упрочнения, защиты, повышения долговечности и смазки подвижных и неподвижных деталей в устройствах и системах, включающих в себя, в том числе двигатели, турбонаддувы, турбины, гусеничные ленты, дорожки качения, колёса, подшипники, зубчатые передачи и другие физические и механические системы, использующие механически обработанные взаимодействующие твёрдые поверхности, причём абразивные наночастицы получают in situ из смазывающих
составов, а в некоторых случаях - ex situ и затем добавляют к смазочным маслам перед их использованием.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Синтез графена и производных графена.
Однослойный графен в результате его наблюдаемых и теоретических физических свойств, включающих в себя большую удельную поверхность, высокую собственную подвижности, высокий модуль Юнга (~1,0 ТПа), высокую удельную теплопроводность (-5000 Вт м"1 К"1), высокую оптическую прозрачность (~97,7 %), низкую газопроницаемость и высокую способность к переносу электронов, явился в последние годы предметом немалого числа научных работ, научных исследований и дискуссий (см., например, Geim, et al, "The Rise of Graphene", Nat. Mater., Vol. 6, pp.183-191 , 2007; and Zhu et al, "Graphene and Graphene Oxide: Synthesis, Properties, and Applications", Adv. Mater., Vol. 22, pp. 3906-3924, 2010). Исходя из этих свойств графена рассматривалась возможность его применения в многочисленных приложениях, таких как фотохимический катализ, аккумулированием энергии, солнечные фотоэлементы, прозрачные электроды, полупроводники, композитные материалы с высокой прочностью и низкой массой, защитные покрытия и полевая эмиссия. Однако способы масштабного и экономичного производства остались труднодостижимыми.
Чистый графен представляет собой пленарный полициклический одноатомный слой чистого углерода в сотоподобной решётке шестичленных яр2-гибридизированных углеродных колец. Графен - это теоретически один чистый слой графита, несмотря на то, что термин графен обычно используется также применительно к материалу с несколькими собранными пакетом атомными слоями графита или графитовому слою, с незначительными дефектами, сохраняющему свойства материала, подобные чистому графену. Графен является относительно гидрофобным, и обычно его получают или путём эксфолиации графита, которая может быть выполнена с использованием сверхкритического диоксид углерода, или путём микромеханического расслоения, или в результате эпитаксиального роста на кремниевом карбиде или определённых металлических подложках. Графен можно также получать в газовой фазе в результате пропускания жидких капель этанола в аргоновой плазме в микроволновом плазменном реакторе с атмосферным давлением (Dato et al, "Substrate-Free Gas-Phase Synthesis of Graphene Sheets", Nano Lett., Vol. 8, pp. 2012-2016, 2008).
Также были сообщения о синтезе нанотрубок графена способом аэрозольного пиролиза (Pinault et al, "Carbon nanotubes produced by aerosol pyrolysis: growth mechanisms and
post-annealing effects", Diamond and Related Materials, Vol. 13, pp. 1266-1269, 2004). Раствор 2,5-5 мас.% ферроцена в толуоле или циклогексане был переведён в аэрозольное состояние с помощью аргона и подвергнут пиролизу при 800-850°С. Были проведены наблюдения ранних стадий образования углеродных нанотрубок. Сначала на твёрдой подложке был образован слой наночастиц, который, как предполагается, включал в себя железо. Из этого слоя наночастиц был выращен упорядоченный ковёр из нанотрубок с одной нанотрубкой, растущей из каждой из наночастиц. Высокотемпературный отжиг образцов привёл к удалению железа из нанотрубок и усовершенствованию порядка в нанотрубках.
В нескольких недавних публикациях сообщалось об образовании графеновых связей графена в условиях сгорания. В одном случае в пламени парафиновой свечи были обнаружены незначительные количества наночастиц всех четырех форм углерода, а именно алмаза, графит, фуллерена и аморфного углерода (Su et al, "New insight into the soot nanoparticles in a candle flame", Chem. Commun., Vol. 47, pp. 4700-4702, 2011). В другом более раннем случае небольшие количества графитового углерода в виде наночастиц были найдены после кислотной обработки сажи из пламени метана (Tian et al., "Nanosized Carbon Particles From Natural Gas Soot", Chem. Mater., Vol. 21, pp. 2803-2809, 2009). В другом более раннем случае в высшей степени графитовые полые нанотубки были сформированы из пламени этанола (Pan et al, "Synthesis and growth mechanism of carbon nanotubes and nanofibers from ethanol flames", Micron, Vol. 35, pp. 461-468, 2004). Точно так же углеродные нанотрубки были синтезированы с использованием газовых смесей СО/Нг/Не/СгН!, горевших пламенем ацетилена в присутствии катализаторов в виде подвергнутых лазерной абляции наночастиц железа или никеля (Vander Wal et al., "Flame Synthesis of Carbon Nanotubes using Catalyst Particles Prepared by Laser Ablation", Am. Chem. Soc, Div. Fuel Chem., Vol. 49, pp. 879-880, 2004).
Полициклические ароматические углеводороды (PAHs) формируют в составе переносимой воздухом "сажи", содержащейся в остаточном материале в виде частиц (РМ) при неполном сгорании, пиролизе или другом термическом разложении углеводородов при низком содержании кислорода. Так как эти PAHs обычно считают нежелательными побочными продуктами неполного сгорания, то многочисленные исследования были сосредоточены на минимизации или полном предотвращении образования "сажи" в процессах (см., например, Coppalle et al., "Experimental and Theoretical Studies on Soot Formation in an Ethylene Jet Flame", Combust. Sci. and Techn., Vol. 93, pp. 375-386, 1993).
PAHs имеют практически планарную структуру сплавленных ароматических
углеродных колец с атомами водорода, связанными к периферийными атомами углерода матриц. PAHs можно рассматривать как миниатюрные наноскопические отложения графена.
Производные графена включают в себя структуры, имеющие графитовые связи, частично включающие в себя гетероатомы, такие как кислород или другие структурные несовершенства в решётке углерода. Производные графена в данном документе также включают в себя структуры, такие как нанотрубки, нанозародыши, фуллерены, наностручки, эндофуллерены, нанолуковицы, оксид графена, кружевной углерод и другие неграфитовые формы графитового углерода, которые могут содержать структурные или химические несовершенства.
Оксид графена (GO) является семейством примесных оксидированных форм графена, которое включает в себя гидроксил и эпоксидные группы, связанные с различными атомами углерода в матрице решетки. Структурные свойства GO были широко изучены (см. Mkhoyal et al., "Atomic and Electronic Structure of Graphene-Oxide", Nano Lett, Vol. 9, pp. 1058-1063, 2009), однако точная химическая структура GO по-прежнему является предметом многочисленных дискуссий и значительной изменчивости, по меньшей мере, с точки зрения частоты гидроксила и эпоксидной группы и расположения, наблюдаемого в различных исследованных образцах.
Также известно, что GO включает в себя группы карбоновых кислот, которые, как предполагается, располагаются на концах углеродных листов. Эти различные функциональные группы допускают дальнейшую химическую функционализацию GO. Недавно появилось сообщение о превращении карбоксильных групп в гидроксильные группы в производном графена и создании материала, который получил название "графенол". Сообщалось и о различных сложных и многоэтапных способах превращения этого графенола в графен через пиролиз, однако эти способы включают в себя использование токсических химикатов, таких как гидразин (см. заявка на патент США No. 2011/0201739, автор Beall, "Method and System for Producing Graphene and Graphenol" ("Способ и система для получения графена и графенола"), опубликованная 18 августа 2011 года).
Почти так же, как и графен GO обычно формируют из эксфолиированного оксида графена или путём окисления непосредственно графена. Листы GO могут быть целенаправленно сформированы в широких пределах уровней окисления с измеренными отношениями кислорода к углероду вплоть до приблизительно 1:2. Так как оксид графена имеет свои собственные уникальные физические и химические характеристики независимо от
графена, его структурная изменчивость сделала его менее привлекательным для многих экспериментальных исследований. В противоположность графену GO является гидрофильным и представляет собой электрический изолятор высокой жёсткости и высокой прочности (см. Dreyer et al, "The chemistry of graphene oxide", Chem. Soc. Rev., Vol. 39, pp. 228-240, 2010).
Оксид графена был впервые получен в результате обработки графита хлоратом калия и дымящей азотной кислотой (см. Brodie, "On the Atomic Weight of Graphite", Proc. of the Royal Soc. of London, Vol. 10, p. 249, 1859). В несколько более эффективном процессе для превращения графита в оксид графена использовали серную кислоту, нитрат натрия и перманганат калия (см. Hummer et al, "Preparation of Graphitic Oxide", J. Am. Chem. Soc, Vol. 80, p. 1339, 1958). Недавно появилось сообщение об ещё более эффективном способе с использованием серной кислоты, фосфорной кислоты и перманганата калия (см. Marcano et al, "Improved Synthesis of Graphene Oxide", ASC Nano, Vol. 4, pp. 4806-4814, 2010).
Коллоидно-диспергированный GO в воде может быть химически восстановлен до графена с использованием моногидрата гидразина. Другие химические восстановители для GO включают в себя гидрохинон, газообразный водород и сильнощелочные растворы. Для удаления образующегося побочного продукта в виде газообразного диоксида углерода проводят термическую эксфолиацию и восстановление GO при нагреве до 1050°С с экструзией. И наконец, возможно электрохимическое восстановление GO, реализуемое путём размещения электродов на противоположных концах плёнки GO на непроводящей подложке с последующим приложением электрического тока к плёнке.
Несмотря на отсутствие в литературе до настоящего времени сообщений о полном восстановлении GO до графена, GO может быть восстановлен в результате ряда различных процессов по созданию так называемого восстановленного оксида графена (rGO) с измеренными отношениями кислорода к углероду вплоть до приблизительно 1:24.
Стоить отметить, что по наблюдениям многие химические, физические и электрические свойства, проявляемые rGO, имеют большее сходство с графеном, чем с GO.
Графен и многие его производные являются в настоящее время предметом многочисленных научных работ и масштабных научных исследований, отчасти вследствие возможности их многих применений, включающих в себя, в том числе смазочные масла, покрытия молекулярного уровня для упрочнения композитов, теплозащиту, баллистические транзисторы, интегральные схемы и упрочнённые волокна и кабели.
Использование отделённых углеродных отходов в производстве графена.
В данной области техники известны различные формы отделения углеродных отходов, включающие в себя, в том числе превращение углеродистых отходов в вещества, подобные "биоуглю" или синтетическому метанолу из диоксида углерода (см., например, Hogan et ah, "Biochar: Concept to Sequester Carbon", Encyclopedia of Earth. National Council for Science and the Environment, Washington, D.C., 2011; Jiang et al, "Turning carbon dioxide into fuel", Phil. Trans. R. Soc. A, Vol. 368, pp. 3343-3364, 2010), однако сообщения о полезном использовании таких отделённых или захваченных углеродных отходов в качестве углеродистого исходного сырья или стимуляторов в синтезе графена отсутствуют.
Имплантируемые медицинские протезные устройства.
Важным фактором в успехе имплантированных медицинских протезов для целей как обеспечения долговечности, так и профилактики инфекции является однородности поверхностей трения. Неровности на поверхности имплантированных медицинских металлических устройств создают места для поселения бактерий. Для металлических устройств в сосудистой или кровеносной системе они также создают места для опасного скопления тромбоцитов, следствием которого может стать сердечный приступ или инсульт. Большим шагом вперёд в обеспечении безопасности и эффективности таких устройств могла бы стать нанополировка имплантируемых медицинских протезных устройств до совершенной гладкости, близкой к атомному уровню.
Нанофармацевтические препараты, онкология и медицинская томография.
Областями активных исследований в области медицины являются усовершенствования адресности излучения или химиотерапевтических лекарственных препаратов к месту локализации раковой опухоли и способности обеспечения контраста для медицинской томографии. В качестве контактного агента для магнитно-резонансной томографии опухолей были использованы наночастицы магнетита (см., например, Tiefenauer et al, "In vivo evaluation of magnetite nanoparticles for use as a tumor contrast agent in MRI", Magnetic Resonance Imaging, vol. 14, no. 4, pp. 391-402, 1996). Ведутся важные научные работы и научные исследования относительно "функционализированных" бакиболов в качестве средства доставки целевых лекарственных средств в опухоли в теле (см., например, Yoon et al, "Targeted medication delivery using magnetic nanostructures", J. Phys.: Condens. Matter, vol. 19, 9 pages, 2007).
Производство стали.
Углубления и выступы на поверхности стали создают поверхность для образования
деструктивной окалины в виде оксида железа (III), также известной как ржавчина. Восстановление или устранение этих углубления и выступов повышает долговечность таких стальных структур.
Реакционные среды из графена и GO.
В некоторых вариантах осуществления изобретения графен и структуры оксида графена используют в различных растворителях для действия в качестве реакционных оболочек, которые создают наносреду для проведения реакций, являющихся неблагоприятными с точки зрения термодинамики или с другой точки зрения неблагоприятными, подобно работе ферментов в биологических системах. Эти реакционные оболочки из графена (GREs) и реакционные оболочки из оксида графена (GOREs) обеспечивают возможность прохождения химических реакций и атомных преобразований, таких как реструктуризация атомов в кристаллы, которая обычно не происходит вне реакционной оболочки. GRE или GORE служат в качестве "микро- или нанореакционного сосуда" и при этом позволяют запирать часть оболочки в нанообразивной или другой наночастице, становясь, таким образом, частью продукта реакции. В одном варианте осуществления оболочка действует в качестве нанодоменной печи для производства наностали из железа.
В зависимости от условий изготовления сталь может принимать ряд различных форм, включающих в себя, в том числе феррит, аустенит, перлит, мартенсит, бейнит, ледебурит, цементит, бета-феррит, гексажелезо и любую их комбинацию. Наностали согласно изобретению, образованные в оболочках GREs или GOREs, могут быть в форме феррита, аустенита, перлита, мартенсита, бейнита, ледебурита, цементита, бета-феррита, гексажелеза и любой их комбинации.
Изготовление наностали, нанороботов и наномашин.
В данной области техники известен синтез нанокристаллических металлических сплавов (Alavi et ah, "Alkaline-Earth Metal Carbonate, Hydroxide and Oxide Nano-Crystals Synthesis Methods, Size and Morphologies Consideration", pp. 237-262 in Nanocrystals, ed. by Matsuda, InTech, Rijeka, Croatia, 2011). Однако сообщения о синтезе упрочнённых сталью наночастицах и нанолуковицах, а также о способах изготовления беспримесных наностальных кристаллов и наноскопических металлических листов отсутствуют.
Нанороботы обычно относят к науке нанотехнологической инженерии и изготовления механических устройств в интервале значений размеров 0,1-10 мкм из наноразмерных
компонентов. Другими обычными названиями для этих теоретических устройств являются наноботы, наноиды, наниты и наномиты. Предполагается, что будущие разработки в этой области техники позволят создавать, в том числе миниатюрный хирургический инструментарий с дистанционным управлением и наноразмерные электронные устройства. Лёгкие и недорогие способы наноизготовления миниатюрных кристаллов стали или заготовок по всей вероятности будут способствовать значительному продвижению этой науки. Технология бетонирования и асфальтирования.
Бетон и асфальтобетон - это два общих композитных материала, используемых в строительстве. Бетон является композитом, получаемым, как минимум, из цементирующего материала, мелкозернистого заполнителя, крупнозернистого заполнителя и воды. Асфальтобетон представляет собой композит, получаемый обычно, как минимум, из асфальта, липкого чёрного дёгтеподобного вещества высокой вязкости, присутствующего в некоторых сортах сырой нефти и природных месторождениях, и крупнозернистого заполнителя. Для повышения прочности этих материалов за эти годы было разработано множество видов добавок и присадок.
Наиболее распространённые из этих "присадок" бетона относятся к двум общим категориям: суперпластификаторам, снижающим водопотребность (также известным как вещества для значительного снижения расхода воды) и синтетическим упрочняющим волокнам, используемым для производства фибробетона (FRC). Суперпластификаторы (PCEs), включающие в себя последнее поколение суперпластификаторов на основе простого карбоксилатного эфира и добавок в виде производных полипропиленгликоля, служат для снижения количества воды, требуемого для образования композита. Кроме того, суперпластификаторы улучшают реологию (реологические свойства) бетонной суспензии и, таким образом, улучшают обрабатываемость до твердения (см. Palacios et al., "Effect of superplasticizer and shrinkage-reducing admixtures on alkali-activated slag pastes and mortars", Cement and Concrete Research, Vol. 35, pp. 1358-1367, 2004; Aitcin et ah, "Superplasticizers: How they Work and Why The Occasionally Don't", Concrete International, Vol. 16, pp. 45-52, 1994).
В случае FRC синтетические волокна (обычно полипропиленовые волокна) предназначены для повышения прочности матрицы и улучшения деформируемости бетона. Бетон-упрочняющие волокна предназначены для перекрытия микротрещин в бетоне и уменьшения расслоения, тем самым обеспечивая бетону возможность сохранения способности выдерживать нагрузку от собственного веса без сползания из-за полного расслоения вдоль
трещин (см. Soroushian et al., "Mechanical Properties of Concrete Materials Reinforced With Polyproplene or Polyethlene Fibers", Materials Journal, Vol. 89, pp. 535- 540, 1992).
На практике ни один из типов "присадки" не показал значительного повышения прочности бетона или продуктов асфальтобетона или систем. Считается, что вместо способов текущего состояния технологии в качестве упрочняющих "присадок" к бетону и асфальту могут быть использованы графен и определённые производные графена.
Военное дело и баллистика.
Согласно последним исследованиям в Колумбийском университете (New York, New York, United States) графен идентифицирован как самый прочный материал на Земле. Необычная прочность графена объясняется исследователями Колумбии его матрицей с ковалентными связями углерод-углерод. Тестированные образцы графена были бездефектными мономолекулярными слоями графена. Тестирование образцов показало, что отдельно взятый слой графена имеет собственную прочность 42 Нм"1.
Современная антибаллистика направлена на разработку постоянно преумножающихся более тонких средств обеспечения защиты от баллистических снарядов и осколков. С этой целью постоянно ведутся исследования новых средств для молекулярного упрочнения композитов с полимерной матрицей (PMCs). При текущем состоянии технологии используется несколько разновидностей баллистических нитей и волокон с высокими эксплуатационными характеристиками, включая S-стекло, арамиды (например, Kevlar(r) 29, Kevlar(r) 49, Kevlar(r) 129, Kevlar(r) KM2, Twaron(r)), высокоориентированныи полиэтилен со сверхвысокой молекулярной массой (например, Dyneema(r), Spectra(r)), РВО (например, Zylon(r)) и полипиридо-бис-имидазол (PIPD) (именуемый М5(r)) и др.
Типичными характеристиками этих волокон являются очень низкая плотность и высокая прочность на растяжение с соответственно высокой способностью к поглощению энергии. В случае баллистических панелей из композита с полимерной матрицей (РМС) способность волокон к деформации для рассредоточения нагрузки в значительной степени блокируется окружающей смолой композита, что приводит к отказу в работе в условиях разрушения и расслаивания матрицы смолы при ударе от снаряда. Графен и его производные, включённые в баллистические панели из текстильного композита, не будут подвергаться тем же ограничениям, что и типичные матрицы-смолы РМС.
Структуры графена и его производных представляют уникальную возможность и материал для антибаллистики. Графен и его производные имеют, в частности, высокие
4, **4^4i4SV"""!*fcWI^^
модули упругости и прочности на растяжение при модуле Юнга -1000 ГПа и прочности приблизительно 13-53 ГПа. По сравнению с традиционными антибаллистическими волокнами и композитами, потенциал графена и его производных значительно превосходит способы текущего состояния технологии.
Компания, известная как Nanocomp Technologies Inc. (Concord, New Hampshire, United States), работающая совместно с центром U.S. Army's Natick Soldier Center, ведёт работы по разработке нового поколения облегчённой баллистической брони на основе технологии углеродных нанотрубок (CNT). В апреле 2009 года компания, как сообщается, продемонстрировала баллистическую панель из CNT-композита толщиной ~5 мм, которая смогла остановить пулю калибра 9 мм. Дополнительные достижения в синтезе графена и производных графена в промышленных масштабах, несомненно, продвинут эту технологию в сторону коммерциализации.
Смазка механических систем.
Работа всех механических систем сопровождается трением между взаимодействующими составными частями. Такое взаимодействие может быть таким простым, как в случае шарикового подшипника, скользящего вдоль дорожки качения, поршневого кольца, движущегося относительно гильзы цилиндра, или контакта между кулачком распределительного вала и толкателем кулачка. Во всех этих примерах трение между взаимодействующими поверхностями является фактором, который необходимо учитывать. Трение в любой системе является причиной напряжений, усталости, износа, теплоты, шума, вибрации и, в конечном счете, поломки оборудования. Другой общий враг вышеупомянутых металлсодержащих механических систем - это коррозия.
В большинстве случаев исследования в области технических наук направлены на уменьшение трения, характерного для физических и механических систем с взаимодействующими поверхностями, путём машинной обработки и отделки таких поверхностей до самой высокой практической гладкости. В настоящее время не существует идеально гладких поверхностей трения, то есть поверхностей, полностью свободных от неровностей. Взаимодействие неровностей этих неровных поверхностей увеличивает трение. По мере необходимости взаимодействующие компоненты физических и механических систем подвергают машинной обработке и полировке с требуемыми допусками для обеспечения надлежащих рабочих характеристик и уменьшения характерного трения. Заметное уменьшение трения посредством так называемого "суперполирования"
компонентов до высоких допусков (Ra < 50 нм, где Ra - среднее арифметическое отклонение профиля) на сегодняшний день подразумевает существенное увеличение времени производства и себестоимости продукции. Как правило, современная наука машинной обработки вынуждена жертвовать точностью машинной обработки ради экономики.
Кроме того, все двигатели внутреннего сгорания, включая бензиновый и дизельный, как с нормальным, так и с турбонаддувом, турбины и другие системы, содержащие передачи, для своей надёжной работы требуют смазки. С момента создания этих машин были проведены различные эксперименты по обеспечению их оптимальной смазки в области смазки двигателей и передач. Первые такие эксперименты были проведены со смазками, такими как оливковое масло и определённые виды карболового мыла, которые со временем были заменены на более сложные смазочные масла на основе углеводородов, многие из которых содержат даже комплексы более сложных присадок, причём каждая такая присадка используется для решения различных характерных проблем в смазке этих систем.
Текущее состояние технологии в области смазки металлсодержащих механических систем, таких как двигатели внутреннего сгорания, определяется применением техники эластогидродинамической смазки (EHL), заключающейся в использовании способов и материалов, "нацеленных" на решение проблем неровностей на взаимодействующих металлических поверхностях механических систем в результате использования несжимаемых жидкостей и барьерных покрытий для предотвращения контакта металла с металлом. Ни один из этих способов не позволяет влиять на значения так называемого Ra (среднего арифметического отклонения профиля) взаимодействующих поверхностей металлических компонентов и ни в коей мере не способствует ослаблению влияния самих неровностей, вызывающих трение.
Для сохранения и защиты металлических поверхностей трения и систем с такими поверхностями для различных целей используют различные присадки к смазочным маслам, такие как дисперсанты, ингибиторы коррозии, улучшители вязкости, уплотнительные вспучивающие агенты, депрессанты температуры застывания, пеноингибиторы, противоизносные средства и антиоксиданты. Некоторые присадки к смазочным маслам, разработанные для уменьшения трения, включают в себя следующие вещества: триортокрезилфосфат (ТОСР, или просто TCP), популярный в авиационных смазочных маслах авиации, но известный своим медленным воздействием на эластомерые прокладки и уплотнения; нафтеновые углеводородные детергенты, известные тем, что в комбинации с
продуктами неполного сгорания образуют соляную кислоту; диалкилдитиофосфаты цинка (ZDDPs), проблемные для транспортных средств, оснащённых каталитическими нейтрализаторами выхлопных газов; хлорированные парафины, считающиеся во всём мире чрезвычайно вредными для водных организмов; суспендированные твёрдые вещества, такие как политетрафторэтилен (PTFE, с товарным знаком Teflon(r)), считающийся, по мнению многих, нежелательным для смазки; графитовый порошок, считающийся, по мнению многих, нежелательным в системах, использующих подшипники; молибден, являющийся металлом, снижающим, по сообщениям, расход топлива; нанолуковицы дисульфида вольфрама, раствор для предварительной барьерной обработки; бакминтерфуллерены, другой дорогой раствор для временной обработки и наноалмазы, суспендированные в графите, для предотвращения характерной агрегации абразивных частиц, использование которого вызывает новые нарекания со стороны противников использования графита в системах, содержащих подшипники. Присадки к смазочному маслу зачастую также содержат фосфаты и сульфиды, разложение которых может происходить с выделением вредных газов.
Углеродистые осадки в механических системах практически везде считаются нежелательными, так что многие современные смазочные масла специально разработаны и составлены так, чтобы препятствовать и/или предотвращать образование любых углеродистых осадков. Целесообразность обычной EHL позволяет предположить, что нефтяные смазочные масла для двигателя внутреннего сгорания должны быть составлены по возможности как физически и химически стойкие материалы, чтобы противостоять термическому разложению базового смазочного масла и его присадок в результате неполного сгорания и пиролиза, не поддерживать эти процессы; так как продукты такой термической деструкции обычных смазочных масел образуют вредные углеродистые осадки (в виде илистых отложений), которые, как правило, забивают клапаны, покрывают поршневые кольца и в целом уменьшают эффективность работы и срок службы двигателя. Дисперсанты обычно используются в смазочных маслах для предотвращения агрегации илистых отложений (см., например, Won et ah, "Effect of Temperature on Carbon-Black Agglomeration in Hydrocarbon Liquid with Adsorbed Dispersant", Langmuir, Vol. 21, pp. 924-932, 2005; Tomlinson et al., "Adsorption Properties of Succinimide Dispersants on Carbonaceous Substrates", Carbon, Vol. 38, pp. 13-28, 2000; Wang, "Synthetic and Characterization of Ethylene Carbonate Modified Polyisobutylene Succinimide Dispersants", University of Waterloo Masters Thesis, 2010). Сажа, просачивающаяся из двигателя в результате неполного сгорания, как было показано,
обладает высокой абразивностью и способна повреждать металлические детали (см., например, Jao et al., "Soot Characterisation and Diesel Engine Wear", Lubrication Science, Vol. 16, pp. 111-126, 2004; Ryason et al., "Polishing Wear by Soot", Wear, Vol. 137, pp. 15-24, 1990; Yamaguchi et ah, "Soot Wear in Diesel Engines", Journal of Engineering Tribology, Vol. 220, pp. 463-469, 2006; Gautam et al, "Effect of Diesel Soot Contaminated Oil on Engine Wear -Investigation of Novel Oil Formulations", Tribology International, Vol. 32, pp. 687-699, 1999). "Беззольные" моторные масла представляют собой другой пример продуктов в поддержку точки зрения о том, что смазывающие составы должны быть максимально свободны от частиц углерода, и что все углеродистые осадки в двигателе являются вредными и плохими. При существующей парадигме EHL термическое разложение и пиролиз присадок к смазочному маслу, приводящие к образованию углеродистой сажи и осадков, универсально считаются нежелательными.
Действующие стандарты тестирования для смазочных масел и присадок к ним являются ещё одним доказательством обоснованности и подтверждением этой парадигмы смазки. Тест Noack Volatility Test (ASTM D5800) на летучесть позволяет измерять испарение смазочной композиции в зависимости от температуры, так как смазочные составы становятся более вязкими с увеличенным испарением. Тест включает в себя помещение массы моторного масла в устройство Noack при 250°С с установившимся потоком воздуха над образцом в течение 1 часа. Затем образец подвергают взвешиванию, чтобы определить потерю массы, обусловленную потерей летучих органических соединений (VOC). Приемлемая потеря массы должна составлять не более чем ~13-15%. Смазочное масло должно пройти этот тест, чтобы получить сертификат по стандарту API CJ-4 на моторные масла (United States) или по стандарту ISLAC CF-4 на моторные масла (Евросоюз).
Другие промышленные тесты смазочных масел на испарение включают в себя ASTM D972 и ASTM D2595. ASTM D972 позволяет тестировать смазочную композицию при температурах между 100°С и 150°С с установившимся потоком воздуха (2 л/мин) над образцом. ASTM D2595 позволяет тестировать смазочную композицию при температурах между 93°С и 316°С с установившимся потоком воздуха (2 л/мин) над образцом.
В современном производстве смазочных масел почти исключительно используют базовое смазочное масло из углеводородов с линейными или разветвлёнными цепями в смазочных композициях EHL вместе с относительно небольшими количествами комбинации сравнительно дорогих присадок, включая, в некоторых случаях присадки, содержащие
циклический углерод, такие как определённый "затруднённые" фенолы-антиоксиданты, определённые салицилаты и определённые амины. Чаще всего использование антиоксидантных присадок к смазочным маслам, содержащим циклический углерод, при предшествующем уровне техники ограничивается действиями по улучшению или защите являющегося основным компонентом базового смазочного масла, главным образом, путём ингибирования его окисления радикалами образующихся in situ пероксидами.
Вся вышеупомянутая парадигма смазки EHL и промышленные стандарты тестирования основаны на предпосылке, что углеродистые продукты неполного сгорания или пиролиза универсально являются вредными и нежелательными в двигателях и механических системах. Это говорит о том, что оптимальным результатом использования смазочных масел, содержащих детергенты, дисперсанты и граничные плёнки, является поддержание смазываемых внутренних деталей механической системы совершенно чистыми и свободными углеродистых осадков, по возможности без абразивного износа.
Производство и использование фуллеренов в смазке.
Фуллерены, впервые обнаруженные в 1985 году и названные в честь покойного архитектора "геодезического здания" Бакминстера Фуллера, являются классом молекул с внешними оболочками, составленными полностью из углеродных колец. Базовая сферическая разновидность фуллерена представляет собой бакминстерфуллерен или просто "бакибол". Бакиболы могут быть в природе эндоэдральными с различными атомами, ионами или комплексами, захваченными внутрь в свои полые сердцевины. Эндоэдральные металлофуллерены, которые содержат ионы металлов, являются предметом значительных современных научных исследований и изучения.
В математических терминах бакибол представляет собой трёхвалентный выпуклый многогранник, состоящий из пятиугольных и шестиугольных углеродных колец. Бакиболы удовлетворяют формуле многогранника Эйлера, в том V - Е + F = 2, где V, Е и F являются числом вершин, ребёр и граней на наружной поверхности шарика. Среди неизоморфных фуллеренов существует приблизительно 214127713 различных разновидностей. Чистые простые бакиболы являются коммерчески доступными в конфигурациях Сбо и С7о, но достаточно дороги; обычно 900-1000 $ за 100 мг материала.
Баки-алмазы представляют собой наноразмерные углеродные комплексы алмазной сердцевины внутри фуллереновой или фуллеренподобной внешней оболочки (см., например, Barnard et al., "Coexistence of Bucky-diamond with nanodiamond and fullerene carbon phases",
Physical Review В, Vol. 68, 073406, 2003). Эта структура, как теперь полагают, является структурой-посредником между взаимопревращением нанолуковиц и наноалмазами. Учёные Barnard et al. делают предположение о том, что Баки-алмазы являются метастабильной формой углерода как сосуществование наноалмаза и фуллерена в диапазоне размеров -5001850 атомов (-1,4-2,2 нм в диаметре).
Учёные Barnard et al. ("Substitutional Nitrogen in Nanodiamond and Bucky-Diamond Particles", J. Phys. Chem. B, Vol. 109, pp. 17107-17112, 2005) указывают на возможность включения гетероатомов, таких как азот в этом случае, в структуру Баки-алмазов. Недавно учёные Yu et al. ("Is There a Stable Bucky-diamond Structure for SiC Cluster", submitted to the Journal of Chemical Physics on August 24, 2011) предложил стабильную структуру Si68C79 Баки-алмазов на основе компьютерного молекулярного моделирования. В стабильном состоянии наноалмазная сердцевина и фуллеренподобная оболочка, как полагают, химически не связаны друг с другом. Моделирование по Yu et al. показало, что при нагревании этой Si-С-структуры 35-атомная сердцевина разлагается при более низкой температуре, чем 112-атомная оболочка, и сердцевина при этом включается в оболочку для образования структуры большей сохранённой фуллереноподобной оболочки после охлаждения.
Фуллерены - это перспективная новая нанотехнология в науке смазки. Было много попыток использовать фуллерены в качестве барьерных смазочных масел для заполнения неровностей и создания трибологической плёнки на подвижных деталях. К сожалению, масштабное и коммерчески жизнеспособное средство для производства полезных фуллеренов оказался труднодостижимым. Кроме того, текущее состояние технологии в трибологии было сосредоточено на трибологических плёнках и покрытиях на поверхностях подвижных деталей. Однако эта старая парадигма не позволяет устранить первопричину самого трения - неровностей на взаимодействующих металлических деталях.
Появление нанотехнологии и науки о трибологии позволило ввести ряд новых подходов к смазке за счёт использования различных наночастиц. Заявка на патент США № 2007/0292698 под названием "Триметасферы в качестве сухих смазочных масел, мокрых смазочных масел, присадок к смазочным маслам, смазочных покрытий, антикоррозийных покрытий и термически проводящих материалов" ("Trimetaspheres as Dry Lubricants, Wet Lubricants, Lubricant Additives, Lubricant Coatings, Corrosion-Resistant Coatings and Thermally-Conductive Materials"), поданной Gause и опубликованной 20 декабря 2007 г., раскрывает использование скандийсодержащих металлофуллереновых бакиболов в виде
суспендированного твёрдого смазочного масла вместо простых углеродных фуллеренов или "бакиболов", которые быстро разлагаются при повышенной температуре.
Использование внешне отделённых единичных нано-Баки-алмазов (SNBDs) в качестве присадок к смазочным маслам является теоретически допустимым, однако по своей природе эти молекулы являются трудноотделяемыми от нежелательных агломератов, необходим этап, чтобы сделать их полезными в смазке и других применениях (см. например, Но, D. (ed.), Nanodiamonds: Applications in Biology and Nanoscale Medicine. Ch. 1, "Single-Nano Buckydiamond Particles, Synthesis Strategies, Characterization Methodologies and Emerging Applications", by Osawa, E., Springer Science + Business Media, LLC, New York, 2010).
Компания NanoMaterials, Ltd. (Nes Ziona, Israel) выпустила серию смазочных масел, содержащих порошок дисульфида вольфрама. Эти чёрные структуры луковиц сульфида вольфрама предназначены для заполнения неровностей поверхности и образования слоёв, действующих в качестве барьерной поверхности взаимодействия с низким коэффициентом трения между взаимодействующими металлическими компонентами двигателя.
Компания NanoLube, Inc. (Lombard, Illinois, United States) заявила о создании неабразивных углеродных наносфер под названием DiamondLube(tm), которые вводят в смазочные масла для уменьшения трения. Продукт NanoLube(tm) является по-видимому дорогим, но представляет собой простые фуллерены, суспендированные в лёгком масле.
Компания PlasmaChem GmbH (Berlin, Germany) продаёт присадку к моторным маслам с товарным знаком ADDO , которая по утверждениям содержит алмазные и графитовые наночастицы, образованные в результате детонационного синтеза, способные полировать внутренние детали двигателя до зеркальной гладкости. Графит предположительно добавляют к суспензии, чтобы уменьшить агломерацию наноалмазов.
Детонационный наноалмаз является наноалмазным продуктом, который обычно получают путём взрывной детонации смеси обеднённой кислородом смеси тринитротолуола и циклотриметилентринитроамина (см., например, Mochalin et al, "The properties and applications of nanodiamonds", Nature Nanotechnology, Vol. 7, pp. 11-23, 2012). Полученные наноалмазы обычно имеют вид одномикронных кластеров алмазоидных частиц размером 5 нм, причём каждая наночастица содержит алмазную сердцевину со слоем поверхностных функциональных групп.
В других способах образования наноалмазов используют недетонационные технологии, такие как лазерная абляция, высокоэнергетическое измельчение алмазных
микрокристаллов в шаровой мельнице, плазмостимулированное химическое осаждение из паровой фазы, автоклавный синтез, хлорирование карбидов, ионное облучение графита, электронное облучение углеродных нанолуковиц и ультразвуковая кавитация. Полученные недетонационные наноалмазы, как правило, кластеризируются при синтезе, и много усилий было потрачено на разработку процессов чистового отделения агломерированных наноалмазных продуктов.
Общим элементом в большинстве из этих решений для уменьшения трения, так же как и в текущем состоянии технологии, - это применение техники эластогидродинамической смазки (EHL), заключающейся в использовании способов и материалов, "нацеленных" на решение проблем неровностей на взаимодействующих металлических поверхностей механических систем, без устранения или "решения" первопричины проблемы - самих неровностей. В способах и материалах, направленных на решение проблем полировки и уменьшения неровностей, используются внешне добавленные наноалмазные абразивы, суспендируемые в материалах, применяемых предотвращения их агломерации в нежелательно большие кластеры. Ни один из вышеупомянутых способов и материалов не подразумевает ни техники, ни средств для образования in situ полезных углеродистых трибологических частиц или наноабразивов из жидких веществ-предшественников, ни нового подхода, направленного на решение характерной проблемы текущего состояния технологии, заключающейся в нежелательной агломерации частиц из внешне добавленных наноалмазных смазочных абразивов.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к способам простого синтеза графена, производных графена и наночастиц и их использованию в качестве трибологически-полезных присадок к смазочному маслу. Продукты, полученные способами согласно изобретению, имеют многочисленные приложения в областях техники, включающих в себя, в том числе трибологию, нанотехнологию, обработку и оснастку, смазку, металлообработку, сверление, горную промышленность, производство красок, изготовление антикоррозийных покрытий, горную проходку, прокладку трасс, изготовление пресс-форм, производство оптических линз, военно-инженерное дело, огранку и полировку драгоценных камней, аэрокосмическую технику, автомобильную технику, высокоскоростной железнодорожный транспорт, морскую технику, медицину, ядерную медицину, медицинскую томографию и диагностику, грузоперевозки, подъёмные краны и производство тяжёлого оборудования, производство
сельскохозяйственного оборудования, производство мотоциклов, производство электродвигателей, производство кабелей и проводов, шлифовку, атомную энергетику, солнечную энергетику, ветроэнергетику, обычную энергетику, гидроэнергетику, электронику, технологию интегральных схем, технологию аккумуляторов, производство полирующих соединений, производство стали, полировку металлов и химическое упрочнение металлических поверхностей.
Кроме того, изобретение относится к смазывающим составам, содержащим смазочное масло и, по меньшей мере, один присадку, выбранную в качестве жертвенного источника углерода при образовании in situ трибологически-полезной графитовой углеродной структуры при нормальных рабочих локально пиролитических условиях. Дополнительно раскрыты способы синтеза ex situ структур графена, оксида графена, восстановленного оксида графена, а также других производных графена и абразивных наночастиц. Средство для отделения ex situ продуктов синтеза далее раскрыто при помощи устройства "динамическая печь".
Кроме того, так как изобретение относится к смазывающим составам и способам смазки, то особенно оно полезно для полировки, упрочнения и смазки подвижных деталей в двигателях, турбонаддувах, турбинах, гусеничных лентах, дорожках качения, колёсах, подшипниках, валах, трансмиссиях, зубчатых передачах и других физических и механических системах, использующих обработанные взаимодействующие твёрдые поверхности. В одном варианте осуществления способы и смазывающие составы обеспечивают, среди прочего, почти свободное от трения совершенство металлических взаимодействующих поверхностей.
В одном варианте осуществления смазывающий состав согласно изобретению позволяет двигателю, турбонаддуву или турбине создавать большую полезную мощность и крутящий момент, чем при смазке обычным смазочным маслом, так как смазывающий и полирующий эффекты смазывающих составов и способов смазки позволяют уменьшать трение. Наблюдается повышение показателей эффективности, таких как мощность и крутящий момент двигателя в течение периода времени от нескольких дней до нескольких недель и месяцев нормальной эксплуатации после первоначального введения смазывающего состава в двигатель. В некоторых вариантах осуществления преимущества от способов и смазывающего состава, раскрытых в данном документе, включают в себя образование трибологической границы из наночастиц или нанолистов на поверхностях смазываемых
подвижных деталей, где такие наночастицы или нанолисты служат для активного удаления окалины с металлической поверхности и её инкапсуляции и обеспечивают выгодное использование молекул окалины в исполнении предполагаемой роли по уменьшению трения.
В случае медицины, ядерной медицины, медицинской томографии и диагностики изобретение позволяет создавать очень инертные, безопасные и бесконечно малые векторы для доставки радиоактивных изотопов, других ионов металлов или других терапевтических агентов, связанных с ионами, в патологические очаги внутри тела или для повышения разрешающей способности магнитных или других диагностических изображений. Кроме того, эти магнитные или парамагнитные сфероиды могут быть использованы для уничтожения опухолей и раковых клеток в искусственно индуцированном сильном магнитном поле, таком как в магнитно-резонансной томографии (MRI), чтобы обеспечить сильное вращение или колебания сфероидов с выделением теплоты, достаточной для термического уничтожения целевых клеток или тканей изнутри.
В одном варианте осуществления изобретение содержит экономичную реакцию дегидратации или пиролиз с дефлегмацией для образования графитового углерода из источника углерода в виде углеродистого материала. Способы могут быть масштабированы для промышленного производства. В качестве источника углерода предпочтительным является сахар или другая структура, содержащая шестиуглеродные кольца, однако и другие углеродистые материалы могут быть подвергнуты дегидратации, пиролизу, окислению или неполному сгоранию, чтобы служить источником углерода. Для образования графитового углерода как реагента исходного материала источник углерода подвергают пиролизу с дефлегмацией, окислению/восстановлению, неполному сгоранию или кислотной дегидратации. В одном варианте осуществления графитовый углерод подвергают дефлегмированию с жидким растворителем, и графен/оксид графена (GO) выделяется в виде наноскопических отложений или "наноотложений", суспендированных в паре/потоке паров. В одном варианте осуществления для получения механически эксфолиированных отложений графена без необходимости этапа пиролиза, дегидратации или окисления источник графитового углерода может быть подвергнут физическому воздействию жидкостью или паром высокого давления. Полученные отложения графена /GO могут перемещаться в парах, а сбор этих отложений может осуществляться или путём непосредственного осаждения на твёрдую подложку в физическом контакте с выделяемым паром, или путём нанесения паров, содержащих частицы, на водный раствор или жидкость, используемую для стимуляции
"гидрофобной самосборки" отложений в большие листы графена/GO.
В одном варианте осуществления окружающая среда реакции регулируется до достижения ограниченного количества окружающего кислорода (СЬ) в камере, которое препятствует полному сгоранию реагентов во время нагревания. В одном варианте осуществления реакцию проводят в присутствии добавленного растворителя. В одном варианте осуществления полученный GO превращают в листы восстановленного оксида графена (rGO) или графена, суспендированные в нагретой или ненагретой жидкой среде для сбора. Полученные листы rGO или графена могут быть использованы для изготовления широкого спектра полезных продуктов, включающих в себя, в том числе защитные покрытия, а также композиты, провода и волокна, упрочнённые графеном, с низким весом и высокой прочностью.
В одном варианте осуществления для образования графитового углерода углеродистый исходный материал подвергают реакции дегидратации или пиролизу. В одном варианте осуществления источник углерода является графитовым. Графитовый углерод подвергают дефлегмированию в присутствии растворителя, обеспечивающего выделение отложений графена/GO или полициклических ароматических углеводородов (PAHs), синтезированных в результате дефлегмации, в полученном паре при нагревании. Сбор отложений графена /GO или РАН осуществляют путём осаждения на твёрдую подложку в физическом контакте с выделяемым паром или нанесения пара на водный жидкий бассейн гидрофобной самосборки графена/GO. Процесс является промышленно масштабируемым. В некоторых вариантах осуществления полученный GO превращают в листы восстановленного оксида графена (rGO), суспендированные в нагретой или ненагретой жидкой среде.
В одном варианте осуществления изобретение относится к созданию абразивных наночастиц, используемых в качестве полирующих агентов. Абразивные наночастицы, согласно этому примеру осуществления могут быть созданы в результате добавления оксида металла или наноалмазов к реакционной смеси.
В одном варианте осуществления полученные листы графена могут быть использованы для получения ряда полезных продуктов, включающих в себя, в том числе композиты, упрочнённые графеном, с низким весом и высокой прочностью.
В одном варианте осуществления подходящие присадки к традиционным смазочным маслам стимулируют образование in situ трибологически-полезных наночастиц или микрочастиц, содержащих графитовый углерод в трибологически-эффективных количествах.
В одном варианте осуществления присадка содержит химическую структуру, имеющую, по меньшей мере, одно углеродное кольцо. В одном варианте осуществления наночастицы представляют собой абразивные наночастицы, действующие в качестве нанополирующих агентов для нанополировки поверхностей трения до высокой гладкости путём уменьшения или устранения неровностей и, таким образом, уменьшения трения между изнашивающимися поверхностями. В одном варианте осуществления присадка к смазочному маслу содержит графитового углерода, образованного ex situ, в дополнение к смазочному маслу для формирования смазывающего состава.
В одном варианте осуществления присадка к смазочному маслу содержит молекулу комплекса железа. В одном варианте осуществления присадка содержит наночастицы материала углеродсодержащих частиц. В одном варианте осуществления для образования смазывающего состава присадку растворяют в смазочном масле. В одном варианте осуществления для образования смазывающего состава присадку смешивают со смазочным маслом. В одном варианте осуществления углеродсодержащую молекулу вещества-предшественника в форме одного или более сахарных или сахароподобных амфифилов используют для создания сахарного или сахароподобного компонента в смазывающем составе, которому несвойственно застывание или забивание внутренних компонентов системы. В одном варианте осуществления молекулы, вещества-предшественника, содержащего циклический углерод, добавляют к смазочному маслу в форме существующего коммерчески доступного раствора, который уже содержит такие вещества-предшественники. Синтезированный графитовый углерод не улучшает характерные физические смазывающие свойства обычного базового смазочного масла, а скорее способствует передаче и поглощению теплоты, образованию трибологических покрытий на внутренних деталях и превращению в наноабразивы, которые стимулируют нанополировку металлических поверхностей смазываемой системы, приводящую к уменьшению трения.
В одном варианте осуществления дополнительное уменьшение трения и повышение эффективности смазке достигается за счёт использования обычного смазочного масла, имеющего более низкую вязкость, чем другие обычные смазочные масла. Эффективное устранение неровностей в результате нанополировки избавляет от необходимости использовать вязкие составы, которые обычно предназначены для адгезии к неровностям под действием высокой скорости сдвига. Гладкость изнашивающихся поверхностей также обеспечивает возможность работы двигателя с более тонкой плёнкой смазки, что является
результатом использования жидкости с более низкой вязкостью, между двумя изнашивающимися поверхностями без повреждения металлических деталей. Базовая жидкость с более низкой вязкостью создаёт меньшее сопротивление подвижным деталям и, таким образом, повышает эффективность системы смазки, а также смазываемой механической системы.
В одном варианте осуществления способы позволяют доставлять и создавать плёнку или покрытие, уменьшающее трение, за счёт циркуляции смазывающего состава при дополнительном использовании встречающихся в природе продуктов сгорания двигателя для создания плёнки или покрытия. В других вариантах осуществления способы позволяют доставлять и создавать плёнку или покрытие, уменьшающее трение, за счёт циркуляции только смазочного масла.
В одном варианте осуществления смазывающие составы композиции позволяют улучшать рабочие характеристики двигателей, турбонаддувов, турбин, редукторов или других компонентов или систем. В одном варианте осуществления смазывающие составы создают трибологические плёнки и покрытия, уменьшающие трение, в составах смазочных масел для автомобильной и аэрокосмической техники и приложениях, включающих в себя смазку редукторов, подшипников или систем шеек валов. В некоторых вариантах осуществления смазывающие составы уменьшают трение между изнашивающимися поверхностями в результате микрополировки изнашивающихся поверхностей до более низкой шероховатости поверхности с течением времени в процессе смазывания системы во время работы.
В одном варианте осуществления для создания трибологических плёнок и покрытий, уменьшающих трение, на поверхностях трения автомобильных и аэрокосмических механических деталей смазывающие составы комбинируют со встречающимися в природе продуктами сгорания и побочными продуктами в результате химической реакции. В одном варианте осуществления для создания трибологических плёнок и покрытий, уменьшающих трение, на поверхностях трения автомобильных и аэрокосмических механических деталей присадки в смазывающих составах комбинируют в результате химической реакции одной с другой.
В одном варианте осуществления изобретение содержит способ синтеза графена, содержащий дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, один углеродистый материал, стимулирующий
образование полициклического ароматического углеводорода в условиях, которые препятствуют полному сгоранию углеродистого материала, последующее собирание паров полученных в результате дефлегмации реакционной смеси, направление паров к подложке с последующим осаждением графена на поверхности подложки и регенерирование графена с поверхности подложки.
В одном варианте осуществления изобретение содержит способ получения оксида графена, содержащий дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель, по меньшей мере, один окислитель и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода в условиях, которые препятствуют полному окислению исходного углерода до диоксида углерода или моноксида углерода, последующее собирание потока паров, полученных в результате дефлегмации реакционной смеси, последующее направление потока паров к подложке с последующим осаждением оксида графена на поверхности подложки и регенерирование оксида графена с поверхности подложки.
Смазывающий состав, содержащий базовое смазочное масло и, по меньшей мере, одну углеродсодержащую присадку, которая образует трибологически-эффективное количество, по меньшей мере, одной структуры, содержащей графитовый углерод.
В одном варианте осуществления изобретение содержит смазывающий состав, содержащий базовое смазочное масло и графен, причём графен был образован до комбинации с базовым смазочным маслом.
В одном варианте осуществления изобретение содержит смазывающий состав, содержащий базовое смазочное масло, и один или более Баки-алмазов, причём, по меньшей мере, некоторые из Баки-алмазов содержат железо или железосодержащую молекулу.
В одном варианте осуществления изобретение содержит способ смазывания механической системы, содержащей, по меньшей мере, одну поверхность внутреннего трения, имеющую неровности, где способ содержит работу механической системы со смазывающим составом, содержащим нанополирующий агент, и устранение неровностей с поверхности внутреннего трения, причём смазывающий состав содержит, по меньшей мере, одну присадку, содержащую углерод, которая образует in situ в локально пиролитических условиях в механической системе, по меньшей мере, один нанополирующий агент.
В одном варианте осуществления изобретение содержит трибологическое покрытие, содержащее оксид графена.
В одном варианте осуществления изобретение содержит смазывающий состав, содержащий базовое смазочное масло и, по меньшей мере, одну углеродсодержащую присадку, которая образует в локально пиролитических условиях трибологически-эффективное количество оксида графена.
В одном варианте осуществления изобретение содержит смазывающий состав, содержащий базовое смазочное масло и, по меньшей мере, одну углеродсодержащую присадку, которая образует в локально пиролитических условиях трибологически-эффективное количество восстановленного оксида графена.
В одном варианте осуществления изобретение содержит способ синтезирования множества поверхностно-графитизированных абразивных наночастиц, содержащий дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель, по меньшей мере, один оксид металла и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода для образования, по меньшей мере, одной поверхностно-графитизированной абразивной наночастицы, и последующее собирание поверхностно-графитизированных абразивных наночастиц из реакционной смеси.
В одном варианте осуществления изобретение содержит способ использования графена в составах для доставки лекарственных средств, контрастных составах для медицинской томографии, в металлических протезных устройствах, полирующих агентах и металлических протезных устройствах, а также в стальных устройствах, полируемых с помощью полирующих агентов, в детергентных составах и макроскопических твёрдых материалах, содержащих поверхностно-графитизированные абразивные наночастицы.
В одном варианте осуществления изобретение содержит наночастицу, содержащую сердцевину, содержащую, по меньшей мере, один атом металла и поверхностно-графитизированную оболочку вокруг сердцевины. В одном варианте осуществления поверхностно-графитизированная оболочка содержит фуллереновую углеродную оболочку.
В одном варианте осуществления изобретение содержит агломерат из микрочастиц, содержащий, по меньшей мере, одну наночастицу, причём наночастица содержит сердцевину, содержащую, по меньшей мере, один атом металла, и поверхностно-графитизированную оболочку вокруг сердцевины, и, по меньшей мере, одну графитовую углеродную структуру, связанную с наночастицей. В одном варианте осуществления поверхностно-графитизированная оболочка содержит фуллереновую углеродную оболочку, а графитовая структура содержит графен и/или его производные.
В одном варианте осуществления изобретение содержит смазывающий состав, содержащий базовое смазочное масло и трибологически-эффективное количество множества наночастиц, содержащих сердцевину, содержащую, по меньшей мере, один атом металла, и поверхностно-графитизированную оболочку вокруг сердцевины. В одном варианте осуществления поверхностно-графитизированная оболочка содержит фуллереновую углеродную оболочку.
В одном варианте осуществления изобретение содержит присадочную композицию для добавления в базовое смазочное масло, где эта присадочная композиция содержит базовый растворитель и эффективное количество, по меньшей мере, одной углеродсодержащей присадки, причём эта углеродсодержащая присадка образует при локальном пиролизе эффективное количество, по меньшей мере, одной структуры, содержащей графитовый углерод.
В одном варианте осуществления изобретение содержит покрытие, нанесённое на поверхность материала, где это покрытие содержит, по меньшей мере, одну наночастицу, содержащую сердцевину, содержащий, по меньшей мере, один атом металла и поверхностно-графитизированную оболочку вокруг сердцевины. В одном варианте осуществления поверхностно-графитизированная оболочка содержит фуллереновую углеродную оболочку.
В одном варианте осуществления изобретение содержит композитный материал, содержащий материал матрицы и, по меньшей мере, одну наночастицу, диспергированную в материале матрицы, где наночастица содержит сердцевину, содержащую, по меньшей мере, один атом металла, и поверхностно-графитизированную оболочку вокруг сердцевины. В одном варианте осуществления поверхностно-графитизированная оболочка содержит фуллереновую углеродную оболочку.
В одном варианте осуществления изобретение содержит композитный материал, содержащий материал, покрытый раствором, содержащим графен, причём раствор, содержащий графен, приготовлен в процессе, содержащем дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода в условиях для предотвращения полного сгорания источника углерода в диоксид углерода или моноксид углерода, и последующее нанесение реакционной смеси на поверхность композитного материала.
В одном варианте осуществления изобретение содержит композитный материал,
содержащий волокна, покрытые раствором, содержащим графен, причём раствор, содержащий графен, приготовлен в процессе, содержащем дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода в условиях для предотвращения полного сгорания источника углерода в диоксид углерода или моноксид углерода, и последующее нанесение реакционной смеси на поверхность волокон, которые содержат композитный материал.
В одном варианте осуществления изобретение содержит композитный материал, содержащий волоконную сетку, покрытую раствором, содержащим графен, причём раствор, содержащий графен, приготовлен в процессе, содержащем дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода в условиях для предотвращения полного сгорания источника углерода в диоксид углерода или моноксид углерода, и последующее нанесение реакционной смеси на поверхность волоконной сетки, которая содержит композитный материал.
В одном варианте осуществления изобретение содержит бетонную смесь, смешанную с раствором, содержащим графен и его производные, причём раствор, содержащий графен и его производные, приготовлен в процессе, содержащем дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода в условиях для предотвращения полного сгорания источника углерода в диоксид углерода или моноксид углерода, и последующее смешивание реакционной смеси с бетонной смесью.
В одном варианте осуществления изобретение содержит асфальтовую смесь, смешанную с раствором, содержащим графен и его производные, причём раствор, содержащий графен и его производные, приготовлен в процессе, содержащем дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода в условиях для предотвращения полного сгорания источника углерода в диоксид углерода или моноксид углерода, и последующее смешивание реакционной смеси с асфальтовой смесью.
В одном варианте осуществления изобретение содержит стекловолокно, покрытое раствором, содержащим графен и его производные, причём раствор, содержащий графен и
его производные, приготовлен в процессе, содержащем дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода в условиях для предотвращения полного сгорания источника углерода в диоксид углерода или моноксид углерода, и последующее нанесение реакционной смеси на поверхность стекловолокна.
В одном варианте осуществления изобретение содержит пластик, покрытый раствором, содержащим графен и его производные, причём раствор, содержащий графен и его производные, приготовлен в процессе, содержащем дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода в условиях для предотвращения полного сгорания источника углерода в диоксид углерода или моноксид углерода, и последующее нанесение реакционной смеси на поверхность пластика.
В одном варианте осуществления изобретение содержит смесь полимеров, предназначенную для изготовления пластика, смешанного с раствором, содержащим графен и его производные, причём раствор, содержащий графен и его производные, приготовлен в процессе, содержащем дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода в условиях для предотвращения полного сгорания источника углерода в диоксид углерода или моноксид углерода, и последующее смешивание реакционной смеси со смесью полимеров, предназначенных для изготовления пластика.
В одном варианте осуществления изобретение содержит графит, покрытый раствором, содержащим графен и его производные, причём раствор, содержащий графен и его производные, приготовлен в процессе, содержащем дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода в условиях для предотвращения полного сгорания источника углерода в диоксид углерода или моноксид углерода, и последующее покрытие графита реакционной смесью.
В одном варианте осуществления изобретение содержит проволоку или кабель, покрытый раствором, содержащим графен и его производные, причём раствор, содержащий графен и его производные, приготовлен в процессе, содержащем дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере,
одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода в условиях для предотвращения полного сгорания источника углерода в диоксид углерода или моноксид углерода, и последующее покрытие проволоки или кабеля реакционной смесью.
В одном варианте осуществления изобретение содержит способ синтезирования наностали, содержащий дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель, по меньшей мере, один оксид металла, и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода для образования, по меньшей мере, одной поверхностно-графитизированной абразивной наночастицы, последующее собирание потока паров, полученных в результате дефлегмации реакционной смеси, содержащей поверхностно-графитизированную абразивную наночастицу, и отжиг собранного потока паров.
В одном варианте осуществления изобретение содержит способ сбора графена, содержащий дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода, и последующее собирание поток паров, полученных в результате дефлегмации реакционной смеси.
В одном варианте осуществления изобретение содержит способ сбора производного графена, содержащий дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода, и последующее собирание потока паров, полученных в результате дефлегмации реакционной смеси.
В одном варианте осуществления изобретение содержит сборку сбора, предназначенную для сбора пара, полученного в результате дефлегмирования реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода.
В одном варианте осуществления изобретение содержит гидрофобную самосборку, предназначенную для самосборки графена и его производных из пара, полученного в результате дефлегмирования реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода.
В одном варианте осуществления изобретение содержит способ гидрофобной
самосборки графена, содержащий дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, один углеродистый материал, стимулирующий образование полициклического ароматического углеводорода в условиях, которые препятствуют полному сгоранию углеродистого материала, последующее собирание паров, полученных в результате дефлегмации реакционной смеси, направление паров к водной подложке с последующим осаждением графена на поверхности водной подложки и регенерирование графена с поверхности водной подложки.
В одном варианте осуществления изобретение содержит способ получения графена, содержащий дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, один углеродистый материал, стимулирующий образование полициклического ароматического углеводорода в условиях, которые препятствуют полному сгоранию углеродистого материала, последующее собирание паров, полученных в результате дефлегмации реакционной смеси, направление паров к подложке с последующим осаждением графена на поверхности подложки и регенерирование графена с поверхности подложки.
В одном варианте осуществления изобретение содержит способ смазки механической системы, содержащий работу механической системы со смазывающим составом, содержащим эффективное количество, по меньшей мере, одной углеродсодержащей присадки, которая стимулирует химическое образование in situ трибологически-эффективного количества, по меньшей мере, одной структуры, содержащей трибологически-полезный графитовый углерод, во время работы механической системы.
В одном варианте осуществления изобретение содержит способ повышения эффективности двигателя, содержащий работу двигателя со смазывающим составом, содержащим эффективное количество, по меньшей мере, одной углеродсодержащей присадки, которая стимулирует химическое образование in situ трибологически-эффективного количества, по меньшей мере, одной структуры, содержащей трибологически-полезный графитовый углерод, во время работы механической системы.
В одном варианте осуществления изобретение содержит способ уменьшения отрицательной мощности двигателя, содержащий работу двигателя со смазывающим составом, содержащим эффективное количество, по меньшей мере, одной углеродсодержащей присадки, которая стимулирует химическое образование in situ трибологически-эффективного количества, по меньшей мере, одной структуры, содержащей
трибологически-полезный графитовый углерод, во время работы механической системы.
В одном варианте осуществления изобретение содержит способ уменьшения крутящего момента двигателя, содержащий работу двигателя со смазывающим составом, содержащим эффективное количество, по меньшей мере, одной углеродсодержащей присадки, которая стимулирует химическое образование in situ трибологически-эффективного количества, по меньшей мере, одной структуры, содержащей трибологически-полезный графитовый углерод, во время работы механической системы.
В одном варианте осуществления изобретение содержит способ производства трибологической смолы, плёнки, покрытия или лака, содержащий дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, один углеродистый материал, стимулирующий образование полициклического ароматического углеводорода в условиях, которые препятствуют полному сгоранию углеродистого материала, последующее смешивание реакционной смеси со смолой, плёнкой, покрытием или лаком до нанесения или отверждения смолы, плёнки, покрытия или лака.
В одном варианте осуществления изобретение содержит динамическую печь, предназначенную для производства поверхностно-графитизированных абразивных наночастиц, содержащего дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель, по меньшей мере, один оксид металла, и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода для образования, по меньшей мере, одной поверхностно-графитизированной абразивной наночастицы, последующее собирание потока паров, полученных в результате дефлегмации реакционной смеси, содержащей поверхностно-графитизированную абразивную наночастицу, и воздействие на собранный поток паров средой с высокой скоростью сдвига, содержащей высокоскоростное вращение, высокочастотное колебание или вибрацию, гидродинамическое сжатие, фрикционное воздействие одной или более подвижными деталями, высокоскоростное перемешивание или их любую комбинацию, и последующий сбор поверхностно-графитизированных абразивных наночастиц. В одном варианте осуществления динамическая печь дополнительно содержит поверхностную топографию, содержащую рёбра, стержни, выступы, углубления, отверстия, неровности, туннели их любую комбинацию.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже приводится описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на
которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.
Фиг. 1А и 1В - схематические изображения этапов получения соответственно графена/GO и SGAN в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 2А - технологическая схема процесса образования подложки, упрочнённой/покрытой графеном/GO, и пара с отложениями графена/GO из углеродистого или графитового исходного материала в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 2В - технологическая схема процесса образования подложки, покрытой плёнкой графена/GO, или листа графена/GO/rGO из пара с отложениями графена/GO в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 3 - схематическая система синтеза и сбора графена/GO/SGAN в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 4 - SEM-изображение (в сканирующем электронном микроскопе) сфероида SGAN на SEM-держателе образцов, покрытом первым способом осаждения из паровой фазы, с областью взятия образца в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 5А - SEM-изображение другого сфероида SGAN на SEM-держателе образцов с первой областью взятия образца.
Фиг. 5В - вторая область взятия образца сфероида SGAN, показанного на фиг. 5А.
Фиг. 5С - третья область взятия образца сфероида SGAN, показанного на фиг. 5А.
Фиг. 6 - SEM-изображение кристаллической структуры на SEM-держателе образцов с область взятия образца в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 7 - SEM-изображение сфероида SGAN, содержащего наносталь, в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 8 - SEM-изображение сфероида SGAN на SEM-держателе образцов, покрытом вторым способом осаждения из паровой фазы, с областью взятия образца в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 9 - SEM-изображение другого сфероида SGAN на SEM-держателе образцов.
Фиг. 10 - SEM-изображение области с многочисленными сфероидами SGAN на SEM-держателе образцов.
Фиг. 11 - SEM-изображение области SEM-держателя образцов, покрытой золотом/палладием.
Фиг. 12 - ТЕМ-изображение (в просвечивающем электронном микроскопе) первой области продукта графена на ТЕМ-сетке углерода в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 13 - ТЕМ-изображение второй области продукта графена, показанного на фиг. 12.
Фиг. 14 - ТЕМ-изображение третьей области продукта графена, показанного на фиг. 12.
Фиг. 15 - ТЕМ-изображение четвертой области продукта графена, показанного на фиг. 12.
Фиг. 16 - ТЕМ-изображение пятой области продукта графена, показанного на фиг. 12.
Фиг. 17 - ТЕМ-изображение шестой области продукта графена, показанного на фиг. 12.
Фиг. 18 - ТЕМ-изображение области продукта графена на ТЕМ-сетке меди в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 19 - ТЕМ-изображение области другого продукта графена на ТЕМ-сетке меди в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 20 - результаты измерений шероховатости поверхности на неизнашивающейся поверхности механически обработанного толкателя кулачка, из нержавеющей стали после воздействия смазывающим составом в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 21 - результаты измерений шероховатости поверхности на изнашивающейся поверхности механически обработанного толкателя кулачка из нержавеющей стали после воздействия смазывающим составом в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 22 - SEM-изображение первой части неизнашивающейся поверхности стопорного кольца толкателя кулачка после воздействия смазывающим составом в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 23 - SEM-изображение второй части неизнашивающейся поверхности стопорного кольца толкателя кулачка.
Фиг. 24 - SEM-изображение третьей части неизнашивающейся поверхности стопорного кольца толкателя кулачка.
Фиг. 25 - SEM-изображение четвертой части неизнашивающейся поверхности стопорного кольца толкателя кулачка.
Фиг. 26 - SEM-микрофотография пятой части неизнашивающейся поверхности стопорного кольца толкателя кулачка.
Фиг. 27 - SEM-изображение шестой части неизнашивающейся поверхности стопорного кольца толкателя кулачка.
Фиг. 28 - SEM-изображение седьмой части неизнашивающейся поверхности стопорного кольца толкателя кулачка.
Фиг. 29 - SEM-изображение восьмой части неизнашивающейся поверхности стопорного кольца толкателя кулачка.
Фиг. 30 - SEM-изображение девятой части неизнашивающейся поверхности стопорного кольца толкателя кулачка.
Фиг. 31 - SEM-изображение десятой части неизнашивающейся поверхности стопорного кольца толкателя кулачка.
Фиг. 32 - SEM-изображение одиннадцатой части неизнашивающейся поверхности стопорного кольца толкателя кулачка.
Фиг. 33 - SEM-изображение первого увеличенного изображения кристаллической структуры на левой стороне фиг. 32.
Фиг. 34 - SEM-изображение двенадцатой части неизнашивающейся поверхности стопорного кольца толкателя кулачка.
Фиг. 35 - SEM-изображение кристаллической структуры на левой стороне фиг. 32.
Фиг. 36 - SEM-изображение второго увеличенного изображения кристаллической структуры на левой стороне фиг. 32.
Фиг. 37 - SEM-изображение тринадцатой части неизнашивающейся поверхности стопорного кольца толкателя кулачка.
Фиг. 38А - SEM-изображение сфероида на неизнашивающейся поверхности стопорного кольца толкателя кулачка с первой областью взятия образца.
Фиг. 38В - вторая область взятия образца SGAN-сфероида на фиг. 38А.
Фиг. 38С - третья область взятия образца SGAN-сфероида на фиг. 38А.
Фиг. 39А - первая область взятия образца кристаллической структуры на фиг. 35.
Фиг. 39В - вторая область взятия образца кристаллической структуры на фиг. 35.
Фиг. 39С - третья область взятия образца кристаллической структуры на фиг. 35.
Фиг. 39D - четвертая область взятия образца кристаллической структуры на фиг. 35.
Фиг. 39Е - пятая область взятия образца кристаллической структуры на фиг. 35.
Фиг. 39F - шестая область взятия образца кристаллической структуры на фиг. 35.
Фиг. 39G - седьмая область взятия образца кристаллической структуры на фиг. 35.
Фиг. 40А - первая область взятия образца другого сфероида на неизнашивающейся поверхности стопорного кольца толкателя кулачка.
Фиг. 40В - вторая область взятия образца SGAN-сфероида на фиг. 40А.
Фиг. 40С - третья область взятия образца SGAN-сфероида на фиг. 40А.
Фиг. 41 - SEM-изображение другой кристаллической структуры на неизнашивающейся поверхности стопорного кольца толкателя кулачка с областью взятия образца.
Фиг. 42 - первое ТЕМ-изображение материала с поверхности толкателя кулачка. Фиг. 43 - второе ТЕМ-изображение материала с поверхности толкателя кулачка. Фиг. 44 - третье ТЕМ-изображение материала с поверхности толкателя кулачка. Фиг. 45 - четвёртое ТЕМ-изображение материала с поверхности толкателя кулачка. Фиг. 46 - пятое ТЕМ-изображение материала с поверхности толкателя кулачка. Фиг. 47 - шестое ТЕМ-изображение материала с поверхности толкателя кулачка. Фиг. 48 - седьмое ТЕМ-изображение материала с поверхности толкателя кулачка. Фиг. 49 - восьмое ТЕМ-изображение материала с поверхности толкателя кулачка. Фиг. 49В - увеличенный вид верхней левой части изображения на фиг. 49А. ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к способам простого синтеза графена, производных графена и наночастиц и их использованию в качестве трибологически-полезных присадок к смазочным маслам. Продукты способов изобретения имеют многочисленные применения, включая, в том числе покрытия молекулярного уровня для упрочнения композитов, теплозащиту, баллистические транзисторы, интегральные схемы, упрочнённые волокна и кабели и нанополирующие агенты.
Циклический - в данном документе относится к любой молекуле, по меньшей мере, с одним пяти-членным или более кольцом, где, по меньшей мере, половина атомов, образующих кольцо, является атомами углерода. Кольцо, может быть ароматическим или неароматическим.
Трибологически-эффективный - в данном документе относится к любому количеству присадки или количествам множества присадок к смазываемой системе, достаточному, чтобы быть трибологически-полезными для такой смазываемой системы.
Трибологически-полезный - в данном документе относится к любой присадке, которая уменьшает трение в механической системе, в которой она образуется, находится или используется.
Трибологический агент - в данном документе относится к молекуле, которая заметно уменьшает трение в механической системе, в которой она образуется, находится или используется.
Баки-алмаз или нано-Баки-алмаз - в данном документе относится к любой наночастице, имеющей наноалмазную сердцевину, которая может содержать неуглеродные гетероатомы, и фуллереновую углеродную оболочку, сформированную вокруг сердцевины.
Поверхностно-графитизированная абразивная наночастица (SGAN) - в данном документе относится к любой наноразмерной частице, содержащей, по меньшей мере, один неуглеродный гетероатом, окружённый внешней оболочкой, содержащей практически углерод.
Сфероид - в данном документе относится к частице, которая имеет форму практически сферы, но не является обязательно совершенно круглой.
Материал матрицы - в данном документе относится к любому материалу, образующему непрерывную фазу в композите из двух или более материалов.
Структура шпинели - в данном документе относится к любому кубическому минеральному кристаллу общей формулы А2В23+042" с оксидными анионами (О), размещёнными в кубической решетке с плотной упаковкой, где катионы А занимают все тетраэдрические позиции, а катионы В занимают все октаэдрические позиции в решетке.
Обратная структура шпинели - в данном документе относится к к любому
2 3"Ь 2
кубическому минеральному кристаллу общей формулы А В2 04 " с оксидными анионами, размещёнными в кубической решетке с плотной упаковкой, где катионы А занимают половину октаэдрических позиций, а катионы В занимают половину октаэдрических позиций и все тетраэдрические позиции в решетке.
Графитовый углерод - в данном документе относится к любой структуре, имеющей матрицу решётки углерода, включающую в себя, в том числе графит, графен, оксид графена, фуллерен, фулеренподобную структуру, эндофуллерен, нанолуковицу, наностручок, нанотрубку, нанозародыш, восстановленный оксид графена, кружевной углерод и полициклические ароматические соединения.
Матрица решётки углерода - в данном документе относится к любой двумерной
2 3
полициклической углеродной структуре, образованной из sp - или sp -гибридизированных атомов углерода.
Динамическая печь - в данном документе относится к печному устройству для синтеза нагретых наночастиц, которое использует перемешивающую, акустическую, центробежную, центростремительную, сжимающую или сдвигающую силу или комбинацию этих сил на этапе синтеза в процессе образования продукта наночастиц.
Способ синтеза ex situ структур графена, оксида графена, восстановленного оксида графена, а также других производных графена и наночастиц.
В одном аспекте изобретение относится к способу синтеза ex situ структур графена, оксида графена, восстановленного оксида графена, а также других производных графена и
наночастиц. Для образования графитового углерода из источника углерода в виде углеродистого материала может быть использована экономичная реакция дегидратации или пиролиз с дефлегмацией. Способы могут быть масштабированы для промышленного производства. В качестве источника углерода предпочтительным является сахар, содержащий шестичленную кольцевую структуру, однако и другие углеродистые материалы могут быть подвергнуты дегидратации, пиролизу или окислению и использованы. Для образования графитового углерода как реагента исходного материала источник углерода подвергают пиролизу с дефлегмацией, окислению/восстановлению, неполному сгоранию или кислотной дегидратации. В других вариантах осуществления этап дегидратации/окисления/пиролиза при синтезе для производства подходящего графитового углерода обходят, а в качестве исходного материала реагента используют сам графитовый углерод. Графитовый углерод может быть подвергнут дефлегмированию с жидким растворителем, и графен/оксид графена (GO) может быть выделен в виде наноскопических отложений или "наноотложений", суспендированных в паре/потоке паров. В другом варианте изобретения или дополнительно источник графитового углерода может быть подвергнут действию жидкости или пара высокого давления для получения отложений графена без этапа пиролиза, дегидратации или окисления. Полученные отложения графена/GO перемещаются в паре, а сбор этих отложений может осуществляться или путём непосредственного осаждения на твёрдую подложку в физическом контакте с выделяемым паром или путём нанесения паров, содержащих частицы, на водный раствор или жидкость, используемую для стимуляции "гидрофобной самосборки" отложений в большие листы графена/GO.
В одном варианте осуществления окружающая среда реакции регулируется до достижения ограниченного количества окружающего кислорода (02) в камере, которое препятствует полному сгоранию реагентов во время нагревания. В одном варианте осуществления реакцию проводят в присутствии добавленного растворителя. В одном варианте осуществления полученный GO превращают в листы восстановленного оксида графена (rGO) или графена, суспендированные в нагретой или ненагретой жидкой среде для сбора. Полученные большие гидрофобно самособирающиеся листы лёгко восстанавливаются до rGO или графена и могут быть использованы в промышленности для изготовления ряда полезных продуктов, включающих в себя, в том числе защитные покрытия, а также композиты, провода и волокна, упрочнённые графеном, с низким весом и высокой прочностью.
На фиг. 1А представлено схематическое изображение этапов получения графена/GO в варианте осуществления изобретения, в котором реакционная смесь, включающая в себя в качестве источника углерода фактически неграфитовый углеродистый материал, реагирует для образования графитового углерода в результате пиролиза, дегидратации, реакции окисления/восстановления или неполного сгорания. В одном варианте осуществления в качестве исходного материала используют графитовый углерод, что позволяет исключить необходимость этапа пиролиза или реакции дегидратации.
В одном варианте осуществления реакционную смесь подвергают дефлегмированию для образования потока паров. Наноотложения графена/оксида графена (GO) уносятся в полученном потоке паров, выделяющихся во время нагревания суспензии или раствора. Сбор отложений графена/GO осуществляют предпочтительно в результате барботирования пара через жидкость, которая улавливает и суспендирует отложения. Альтернативно, отложения графена/GO образуются на поверхности жидкости, когда поток паров направляют к поверхности. В процессе, именуемом в данном документе как "гидрофобная самосборка", происходит соединение отдельных отложений графена/GO и образование листов из слоев графена/GO на поверхности жидкости.
В одном варианте осуществления для образования графитового углерода и воды при пиролизе или реакции дегидратации источник углерода нагревают непосредственно с помощью внешнего источника теплоты. В одном варианте осуществления источником углерода является сахароза. В одном варианте осуществления образованная в результате вода служит в качестве растворителя для обеспечения дефлегмирования продуктов реакции. В одном варианте осуществления реакция для образования графитового углерода проходит по существу как в уравнении 1:
источник углерода нагрев * графитовый углерод + вода (1)
В одном варианте осуществления для образования графитового углерода и воды при пиролизе или реакции дегидратации источник углерода подвергают действию кислоты. В одном варианте осуществления источник углерода представляет собой сахарозу, и кислота -концентрированную серную кислоту. В одном варианте осуществления образованная в результате вода служит растворителем для обеспечения дефлегмирования продуктов реакции. В одном варианте осуществления продуктом реакции является графитовая пена. В одном варианте осуществления продукт реакции представляет собой графитовую суспензию. В одном варианте осуществления реакция для образования графена проходит по существу
как в уравнении 2:
источник углерода > графитовый углерод + вода (2)
В одном варианте осуществления для образования графитового углерода в форме оксида графена источник углерода реагирует с окислителем. В одном варианте осуществления реакция для образования GO проходит по существу как в уравнении 3:
источник углерода + окислитель нагрев, присадка * оксид графена (GO) (3)
где подводимое тепло возбуждает, а дополнительная присадка служит катализатором реакции и/или повышает выход целевого продукта реакции.
Продукт реакции GO схематично показан как молекула (1) ниже:
В рассмотренных выше вариантах осуществления условия реакции выбраны таким образом, чтобы реакция не приводила к полному сгоранию источника углерода в диоксид углерода или неполному сгоранию с образованием моноксида углерода. Условия реакции скорее разработаны предпочтительно при контроле атмосферы реакции для образования связей графитовый углерод/углерод. В некоторых вариантах осуществления часть источника углерода целенаправленно сжигают для обеспечения теплоты, требуемой для превращения другой части источника углерода с образованием целевых графитовых связей. В некоторых вариантах осуществления реакция происходит при неидеальных условиях сгорания, таких как пиролиз или медленное горение.
Пиролиз в данном документе относится к разложению источника углерода при повышенной температуре с низкими уровнями кислорода или другого окислителя.
Медленное горение в данном документе относится к медленной низкотемпературной беспламенной реакции, поддерживаемой теплотой от кислорода, непосредственно реагирующего с поверхностью твердого или жидкого топлива.
Отложения или наноотложения в данном документе относятся к дискретным фрагментам графена или производного графена.
Усилия по повышению эффективности сгорания затенили истинное значение соединений, прежде считавшихся бесполезными отходами, таких как углеродистая "флегма" ранее использовавшихся угольных печей (см., например, Coal-Таг and Ammonia. 5th ed.. by Lunge, D. Van Nostrand Co., New York, 1916), которая фактически содержит графитовый материал, включая графен. Точно так же, современные достижения в области сгорания не позволили оценить значение многих старых процессов, которые теперь считаются устаревшими, но которые на самом деле могут быть адаптированы к целенаправленной максимизации образования макрочастиц сажи, в конечном счёте, в виде графена, производного графена, углерод-инкапсулированной наночастицы металла и наностали.
Несмотря на известность образования PAHs в виде углеродистых макрочастиц "сажи" в качестве продукта неполного сгорания, возможности применения таких PAHs прежде были минимальными вследствие их ограниченного размера и стремления, по сообщениям в текущей технологии, как правило, отойти от условий синтеза, необходимых для непрерывного роста. Учёные Wiersum et al. ("The Formation of Polyaromatic Hydrocarbons, Fullerenes and Soot in Combustion: Pyrolytic Mechanisms and the Industrial and Environmental Connection", pp. 143-194 in Gas Phase Reactions in Organic Synthesis, ed. by Vallee, Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam, 1997) сообщают о ряде различных реакций в газовой фазе для образования PAHs. Ни один из известных способов газофазного синтеза РАН до настоящего времени не позволяет производить графен или любую форму планарного графитового углерода размером более 222 атомов углерода.
В одном варианте осуществления способы и процессы обработки, раскрытые в данном документе, стимулируют производство РАН за счёт расширения влияния благоприятных условий синтеза в результате собирания и улавливания паров продуктов реакционной смеси, что в результате позволяет выращивать PAHs до размеров, при которых проявляются общие свойства графена. Другие варианты осуществления способы и процессы, раскрытые в данном документе, разработаны, в частности, для стимуляции продления условий роста РАН в результате их самосборки в условиях обогащённого паром или водного раствора в большие листы графена. Эти процессы, обеспечивающие возможность синтеза графена или из соединений, стимулирующих образование РАН, или из соединений, стимулирующих образование РАН, и углеродистых или графитовых реакционных материалов, являются
масштабируемыми до удовлетворения объёмов промышленного производства.
В одном варианте осуществления одно или более соединений, которые стимулируют образование или рост РАН, используются в производстве графена, производных графена, углерод-инкапсулированных наночастиц металла или наностали. Эти соединения могут включать в себя, в том числе химикаты, известные как промежуточные соединения при образовании РАН, и химикаты, которые образуют промежуточные соединения при образовании РАН.
В одном варианте осуществления начальные реакции происходят в системе растворителя в условиях дефлегмации для стимуляции синтеза звеньев РАН, которые позже самособираются в большие листы графена. В некоторых вариантах осуществления условия дефлегмации представляют собой азеотропные условия дефлегмации (см., например, Udeye et al, "Ethanol heterogeneous azeotropic distillation design and construction", Internat. J. ofPhys. Sci., Vol. 4, pp. 101 -106, 2009; Sun et al, "ZrOCl2 8H20: An Efficient, Cheap and Reusable Catalyst for the Esterification of Acrylic Acid and Other Carboxylic Acids with Equimolar Amounts of Alcohols", Molecules, Vol. 11, pp. 263-271, 2006). При некоторых условиях дефлегмации добавляют стимулятор. В некоторых вариантах осуществления стимулятор является формой графитового углерода. В некоторых вариантах осуществления стимулятор представляет собой биоуголь, угольную флегму, наноуголь, активированную форму наноугля, активированный древесный уголь, частицы графита, твёрдые частицы сажи или другую форму отделённых углеродистых отходов.
Отделённые углеродистые отходы в данном документе представляют собой любые углеродистые побочные продукты синтеза, пиролиза или неполного сгорания, которые обычно собирают и изолируют для предотвращения превращения в или выброса в качестве атмосферного парникового газа. В одном варианте осуществления отделённые углеродистые отходы могут быть использованы в качестве источника углерода в реакционной смеси, в случае которых добавленный углерод стимулирует реакцию частично в качестве теплоносителя, усиливающего теплопрородность (Baby et al, "Enhanced Convective Heat Transfer Using Graphene Dispersed Nanofluids", Nanoscale Research Letters, Vol. 6, no. 289, 2011).
Отделённые углеродистые отходы могут быть собраны из выбросов любого процесса, включающего в себя, в том числе выбросы эмиссии дизельного грузовика или выбросов угольной электростанции. В некоторых вариантах осуществления для сбора углеродистых отходов как части "стратегии управления дизельными выбросами" используют дизельный
сажевый фильтр. В других вариантах для сбора углеродистых отходов используют скруббер. Совет California Air Resources Board (CARB) недавно принял закон, требующий уменьшения выбросов частиц и вредных газов, в том числе от дизельных грузовых автомобилей и автобусов, достигаемого путём введения фильтра в состав выхлопных систем грузовых автомобилей (см. California Code of Regulations, Title 13, Div. 3, Ch. 14 et seq.).
В некоторых вариантах осуществления используется многоразовый фильтр, разработанный в качестве альтернативы так называемым "регенеративным" технологиям, заключающимся в сжигании собранной сажи и продолжении выброса парниковых газов в окружающую среду. При наступлении времени замены грязного фильтра для улавливания частиц для водителя грузовика или другого пользователя вместо избавления от грязного фильтра и покупки нового фильтра пользователь обменивает загрязненный фильтр на чистый. Отделённые углеродистые отходы, содержащиеся в использованном фильтре, предпочтительно удаляют из фильтра для улавливания частиц или скруббера и используют в качестве источника углерода для синтеза графена или производных графена. Фильтр или скруббер предпочтительно повторно используют для сбора дополнительных углеродистых отходов из выбросов с повторением процесса ввиду стремления включить большую часть отделённого углерода в продукт графена, а не в выбросы парниковых газов. В некоторых вариантах осуществления отделённые углеродистые отходы собирают из фильтра для улавливания частиц или скруббера в виде раствора в органическом растворителе. В других вариантах осуществления отделённые углеродистые отходы собирают с использованием воды, водной смеси или пара.
Соединения, стимулирующие образование РАН, для применения в процессах включают в себя, в том числе простой диметиловый эфир, пропин, пропадиен, спирты, включающие в себя, в том числе пропаргиловый спирт и изопропанол, ацетилен, и соединения, которые стимулируют образование С i-Cs-углеводородных радикалов.
Метальные радикалы (СН3), как известно, стимулируют рост как углеводородов PAHs (см. Shukla et al, "Role of Methyl Radicals in the Growth of PAHs", J. Am. Soc. Mass Spectrom., Vol. 21, pp. 534-544, 2010), так и графена (см. Wellmann et al, "Growth of graphene layers on HOPG via exposure to methyl radicals", Surface Science, Vol. 542, pp. 81-93, 2003).
Простой диметиловый эфир образует метальные радикалы и стимулирует образование РАН в условиях сгорания газа в присутствии другого источника углерода (см. Yoon et al, "Synergistic effect of mixing dimethyl ether with methane, ethane, propane, and ethylene fuels on
polycyclic aromatic hydrocarbon and soot formation", Combustion and Flame, Vol. 154, pp. 368-377, 2008). Другие углеводородные радикалы, включающие в себя, в том числе С2Н-, С2Н3-, С3Н3-, С4Н3-, С4Н5- и С5Н3 также способны к зародышеобразованию и росту углеводородов PAHs (см. Pope et al., "Exploring Old and New Benzene Formation Pathways in Low-Pressure Premixed Flames of Aliphatic Fuels", Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 28, pp. 1519-1527, 2000).
Пропаргильный радикал (C3H3) был предложен в качестве ключевого посредника для образования РАН в ряде кинетических исследований (см. McEnally et al., "Computational and Experimental Study of Soot Formation in a Coflow, Laminar Ethylene Diffusion Flame", 27th Symposium (International) on Combustion, pp. 1497-1505, 1998; Shafir et al., Kinetics and Products of the Self-Reaction of Propargyl Radicals", J. Phys. Chem. A, Vol. 107, pp. 8893- 8903, 2003; Tang et al, "An Optimized Semidetailed Submechanism of Benzene formation from Propargyl Recombination", J. Phys. Chem. A, Vol. 110, pp. 2165-2175, 2006).
Пропин и пропадиен также стимулируют образование РАН (см. Gazi et al., "A Modelling Study of Allene and Propyne Combustion in Flames", Proceedings of the European Combustion Meeting, 2011). Ацетилен также может играть определённую роль в зародышеобразовании и росте РАН (см. Frenlach et al, "Aromatics Growth beyond the First Ring and the Nucleation of Soot Particles", Preprints of the 202nd ACS National Meeting, Vol. 36, pp. 1509-1516, 1991).
На фиг. 2A и 2B представлены блок-схемы процесса образования различных продуктов графена или из неграфитового углеродистого исходного материала или из графитового исходного материала.
Как показано на фиг. 2А, при использовании неграфитового углеродистого исходного материала углеродистый материал может быть превращён в графитовый материал несколькими различными путями.
В одном варианте осуществления углеродистый материал комбинируют с кислотой, и превращение происходит в результате реакции дегидратации с или без дополнительного нагрева и дефлегмирования реагентов. В одном варианте осуществления углеродистый материал является сахаром. В некоторых вариантах осуществления сахар представляет собой сахарозу. В одном варианте осуществления кислота является концентрированной серной кислотой.
В одном варианте осуществления углеродистый материал нагревают без растворителя. Нагрев углеродистого материала может происходить с или без присадки, которая может представлять собой окислитель, оксид металла или катализатор, по выбору с последующим
сбором и конденсацией любого полученного газа или пара для образования графитового материала. Использование окислителя или оксида металла стимулирует образование GO поверх графена, тогда как в отсутствие окислителя или оксида металла графен образуется преимущественно поверх GO. В одном варианте осуществления углеродистый материал предпочтительно нагревают до высокой температуры, например, с помощью прямого или непрямого пламени. В одном варианте осуществления присадка является металлсодержащим соединением. В одном варианте осуществления металл представляет собой железо. В некоторых вариантах осуществления присадка является оксидом металла. В одном варианте осуществления присадка представляет собой оксид железа (III). В других вариантах осуществления присадка является ферроценом.
В одном варианте осуществления для образования графитового материала углеродистый материал подвергают нагреву в дефлегмирующем растворителе. Углеродистый материал можно комбинировать с присадкой, который может быть окислитель, оксид металла или катализатор. Использование окислителя или оксида металла стимулирует образование GO поверх графена, тогда как в отсутствие окислителя или оксида металла графен образуется предпочтительно поверх GO. В одном варианте осуществления присадка является металлсодержащим каталитическим соединением. В некоторых вариантах осуществления металл представляет собой железо. В одном варианте осуществления присадка является оксидом металла. В одном варианте осуществления оксид металла представляет собой оксид железа (III). В некоторых вариантах осуществления присадка является ферроценом. В некоторых вариантах осуществления растворитель включает в себя одно или более из веществ: спирт, вода и минеральное масло. Растворитель предпочтительно допускает высокотемпературное дефлегмирование реакционной смеси. Кроме того, растворитель предпочтительно облегчает растворение реагентов, предотвращение сгорания реагентов и стимуляцию производства пара для сбора продукта. В некоторых вариантах осуществления использование растворителя позволяет повысить выход реакции и увеличить взаимодействие между реагентами, чтобы стимулировать образование продуктов графена или GO.
В одном варианте осуществления, когда углеродистый материал комбинируют с оксидом металла в реакционной смеси, образуются поверхностно-графитизированные абразивные наночастицы (SGANs), включающие в себя SGAN-сфероиды. Наночастицы SGANs могут быть восстановлены для любого использования, такого как в качестве нанополирующего агента или в качестве присадки к смазочному маслу. Предполагается, что
восстановление наночастиц SGANs из реакционной смеси может быть осуществлено путём использования магнита или в результате прикладывания внешнего магнитного поля. Кроме того, восстановление может быть достигнуто в результате центрифугирования. В одном варианте осуществления реакционная смесь, содержащая наночастицы SGANs, может быть использована в качестве присадки к смазочному маслу.
В одном варианте осуществления для стимуляции образования SGAN может быть использовано серийное устройство дугового разряда на постоянном токе (DC), камера или цилиндр. В некоторых вариантах осуществления в систему в качестве порошка для стимуляции образования SGAN подаётся оксид железа (III). В одном варианте осуществления оксид железа (III) содержит нанопорошок. В одном варианте осуществления в систему может подаваться пар с высоким содержанием углерода.
В одном варианте осуществления наночастицы SGANs можно получать в условиях с большой скоростью сдвига в "динамической печи". Условия с большой скоростью сдвига в "динамической печи" могут быть обеспечены любым способом или комбинацией способов, включающих в себя, в том числе, вращение трубчатой печи с высокими скоростями, колебания или вибрацию печи на высоких частотах, использование ультразвука, гидродинамическое сжатие, фрикционное воздействие со стороны одной или более движущихся деталей и перемешивание содержимого "динамической печи" на высоких скоростях. В одном варианте осуществления частота вращения "динамической печи" может составлять порядка 1000-11000 об\мин. В одном варианте осуществления "динамическая печь" может дополнительно включать в себя поверхностную топографию, которая может включать в себя, в том числе рёбра, стержни, выступы, углубления, отверстия, неровности и туннели для обеспечения дополнительных сдвигающих сил, таким образом, увеличивая сдвиг реакционной смеси. В одном варианте осуществления в устройство типа "динамической печи" могут подаваться реакционные газы. В одном варианте осуществления синтез SGAN может происходить при повышенных температурах, повышенных давлениях или пониженных давлениях. Температуры в "динамической печи" могут составлять порядка 200-800 °F.
В одном варианте осуществления "динамическая печь" содержит встроенную трубчатую печь для образования наночастиц SGANs. Изолирующая секция может окружать два концентрических вращающихся цилиндра. Цилиндры могут включать в себя сквозные отверстия, которые позволяют материалу проходить между областью снаружи от внешнего цилиндра, областью между этими двумя цилиндрами и областью внутри внутреннего
цилиндра. Для создания больших сдвигающих сил цилиндры могут быть коаксиальными и вращаться в противоположных направлениях с высокими скоростями. Динамическая трубчатая печь также может включать в себя линию подачи жидких компонентов и подогреватель, ведущий в основную камеру. Возможно также наличие отдельной линии подачи газообразных компонентов. Основная камера может быть однокамерной или камерой с двумя зонами.
Внутренняя поверхность внешнего цилиндра или наружная поверхность внутреннего цилиндра может включать в себя рёбра, лопасти, стержни, выступы или подобные структуры для обеспечения сдвига в системе. В одном варианте осуществления для обеспечения фрикционного контакта, сдвига и сжатия с целью стимуляции образования SGAN трубчатая печь может быть спроектирована в виде двигателя Ванкеля. "Динамическая печь" может включать в себя кожух, ротор, эксцентриковое колесо и внутренний механизм зацепления с наружным зубчатым колесом. Так как ротор движется в "динамической печи" вокруг кожуха, фрикционный контакт, сдвиг и сжатие жидкости между ротором и кожухом позволяют стимулировать образование SGAN. В одном варианте осуществления поверхности одной или более из этих структур являются наэлектризованными или электризующимися. В одном варианте осуществления наэлектризованные поверхности могут действовать в качестве наэлектризованного катода в интегральной трубчатой печи.
В одном варианте осуществления углеродистый материал является источником неграфитового углерода, который может включать в себя, в том числе сахар, сахарозу, сахарный амфифил, амфифил, стимулирующий образование графена, заменитель сахара, крахмал, целлюлозу, олефин, ацетат, один или более неграфитовых углеводородов, алкан, алкен, алкин, кетон, толуол, газолин, дизельное топливо, керосин, уголь, каменноугольную смолу, кокс или любую их комбинацию. В одном варианте осуществления уголь и дизельное топливо являются предпочтительными источниками углерода. В одном варианте осуществления уголь представляет собой угольную пыль. В одном варианте осуществления уголь является наноуглём, таким как наноуголь продаваемый Nano Fuels Technology, LLC (Reno, Nevada, United States) с размерами частиц в субмикронном диапазоне.
Сахарный амфифил или сахароподобный амфифил может быть любой молекулой с гидрофильным сахарным звеном и гидрофобным звеном, включающим в себя, в том числе амфифилы, описанные учёными Fenimore ("Interfacial Self-assembly of Sugar-based Amphiphiles: Solid- and Liquid-core Capsules", University of Cincinnati Ph.D. thesis dated October
16, 2009), Jadhav et al. ("Sugar-Derived Phase-Selective Molecular Gelators as Model Solidifiers for Oil Spills", Angew. Chem. Int. Ed., Vol. 49, pp. 7695-7698, 2010), Jung et al. ("Self-Assembling Structures of Long-Chain Sugar-Based Amphiphiles Influenced by the Introduction of Double Bonds", Chem. Eur. J., Vol. 11, pp. 5538-5544, 2005), Paleta et al. ("Novel amphiphilic fluoroalkylated derivatives of xylitol, D-glucose and D-galactose for medical applications: hemocompatibility and co-emulsifying properties", Carbohydrate Research, Vol. 337, pp. 24112418, 2002), Germaneau ("Amphiphilic Sugar Metal CarbeHs: From Fischer Type to N-Heterocyclic CarbeHS (NHCs)", Rheinische Friederich-Wilhems- Universitat Bonn Ph.D. thesis, 2007) и Ye et al. ("Synthesis of Sugar-Containing Amphiphiles for Liquid and Supercritical Carbon Dioxide", Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 39, pp. 4564-4566, 2000).
Амфифил, стимулирующий образование графена, может быть любой молекулой с гидрофильным звеном, стимулирующим образование графена, и гидрофобным звеном, включающим в себя, в том числе амфифилы, продаваемые Dow Chemical Company (Midland, Michigan, United States) под товарными знаками TRITON(tm) или TERGITOL(tm), включющими в себя, в том числе серии TRITON X этоксилатов октилфенолов и серии TERGITOL NP этоксилатов нонилфенолов.
Альтернативно возможно использование графитового исходного материала. Графитовый материал может представлять собой любой материал, включающий в себя графитовый углерод, включающий в себя, в том числе природный графит, синтетический графит, один или более полициклических ароматических углеводородов (PAHs), графен, активированный уголь, биоуголь, угольную флегму, один или более бензоидов, нафталин, или любую их комбинацию.
Как показано на фиг. 2А, графитовый материал в растворителе подвергается нагреву. В некоторых вариантах осуществления растворитель включает в себя одно или более из веществ: спирт, вода и минеральное масло. В некоторых вариантах осуществления смесь нагревают до температуры кипения. В некоторых вариантах осуществления кипящий растворитель подвергают дефлегмированию.
В одном варианте осуществления жидкий продукт графена, полученный в результате дефлегмации реакционной смеси, собирают непосредственно в реакционном сосуде. Графенсодержащая жидкость может быть нанесена непосредственно на материал или подложку для образования материала, упрочнённого графеном, подложки, покрытой графеном, материала, упрочнённого GO, или подложки, покрытой GO.
Альтернативно, жидкость, содержащая графен, может быть подвергнута дополнительному нагреву для образования пара, содержащего отложения графена/производного графена. Под отложением графена/производного графена в контексте данного документа подразумевают от одного до нескольких слоев графена или оксида графена, переносимых в потоке паров дефлегмирующего растворителя или смеси растворителей. Слои отложений в потоке паров могут быть по большей части плоскими или с морщинами или складками. Размеры слоев по длине и ширине предпочтительно значительно превышают толщину слоев.
Как показано на фиг. 2В, пар, содержащий отложения графена/производного графена, может быть нанесён на твёрдое вещество или жидкость.
Отложения графена/производного графена могут быть нанесены на твёрдую подложку в результате помещения твёрдой подложки в поток паров или путём нанесения потока паров на твёрдую подложку для образования подложки, покрытой плёнкой графена/производного графена. При осаждении на твёрдой подложке любые морщины или складки в слоях отложений предпочтительно сокращаются. В некоторых вариантах осуществления для повышения однородности осаждённые отложения после осаждения подвергают отжигу. В некоторых вариантах осуществления отжиг осаждённых отложений проводится путём нагрева подложки. В некоторых вариантах осуществления для образования больших листов графена/производного графена обеспечивают реакцию между реакционно-способными концевыми группами на соседних осаждённых отложениях. В некоторых вариантах осуществления для превращения GO в rGO в слоях используют восстанавливающий агент.
Альтернативно, пар, содержащий отложения графена/производного графена, может быть приложен к водному бассейну. Пар может быть приложен к поверхности водного бассейна сверху или в результате барботирования через водный бассейн.
В одном варианте осуществления водный бассейн представляет собой водяной бассейн без присадок. Если водяной бассейн не содержит присадок, то происходит гидрофобная самосборка отложений графена/производного графена в листы графена/производного графена на поверхности воды. В одном варианте осуществления для повышения однородности осаждённые отложения на поверхности воды подвергают отжигу. В одном варианте осуществления для образования больших листов графена/производного графена на поверхности воды обеспечивают реакцию между реакционно-способными концевыми
группами на соседних отложениях. В некоторых вариантах осуществления для превращения GO в rGO в сборке или в собранных слоях используют восстанавливающий агент.
Для ускорения гидрофобной самосборки отложений графена/производного графена в листы графена/производного графена на поверхности воды водный бассейн может включать в себя одно или более поверхностно-активных веществ в качестве присадки. В результате взаимодействия с поверхностно-активным веществом или при достижении поверхности воды любые морщины или складки в слоях отложений предпочтительно сокращаются. В одном варианте осуществления для повышения однородности осаждённые отложения подвергают отжигу на поверхности воды. В одном варианте осуществления для образования больших листов графена/производного графена на поверхности воды обеспечивают реакцию между реакционно-способными концевыми группами на соседних отложениях.
Для превращения GO в гСО во время гидрофобной самосборки отложений GO в листы rGO на поверхности воды водный бассейн может включать в себя один или более восстанавливающих агентов. В одном варианте осуществления восстанавливающий агент представляет собой гидразин. При достижении поверхности воды любые морщины или складки в слоях отложений предпочтительно сокращаются. В одном варианте осуществления для повышения однородности осаждённые отложения подвергают отжигу на поверхности воды, чтобы улучшить их однородность. В одном варианте осуществления для образования больших листов графена/производного графена на поверхности воды обеспечивают реакцию между реакционно-способными концевыми группами на соседних отложениях.
Листы графена/производного графена могут быть нанесены на твёрдое вещество в результате контакта твёрдого вещества с листами графена/производного графена на поверхности воды. Твёрдая поверхность может быть погружена вертикально, горизонтально или под углом в поверхность жидкости. Или твёрдая поверхность с самого начала может быть размещена в воде и поднята вверх к поверхности жидкости вертикально, горизонтально или под углом, или вода может быть слита для доведения листов графена/производного графена до твёрдой поверхности.
Альтернативно может быть обеспечено медленное испарение части воды из водного бассейна, в результате которого в верхней части жидкости в бассейне останется вязкий гелеобразный графен или гель графена.
В качестве источника углерода могут быть использованы вещества в многочисленных формах, в том числе сжиженное, порошкообразное твёрдое вещество или гранулированное
твёрдое вещество. В одном варианте осуществления источник углерода предпочтительно включает в себя, по меньшей мере, один фактически неграфитовый углеродистый материал, имеющий химическую структуру, содержащую, по меньшей мере, одно 6-членное углеродсодержащее кольцо, такой как сахароза, структура которой показана как молекула 2:
В одном варианте осуществления источник углерода имеет форму, имеющую значительное количество графитового углерода.
Считается, что углеродсодержащие кольца в углеродистом материале, в особенности любые ароматические углеродные кольца, сохраняются до некоторой степени в химических реакциях растущей углерод-кольцевой матрицы продуктов графена или GO; то есть считается, что структура 6-членного углеродного кольца сохраняется до некоторой степени непосредственно в продуктах графена или GO.
Фактически неграфитовый углеродистый материал может включать в себя одно или любую комбинацию приводимых ниже веществ, в том числе:
1. сахар, включающий в себя, в том числе:
a. патоку или заменитель патоки, включающий в себя, в том числе сладкое сорго, патоку сахарной свёклы, гранатовую патоку, шелковичную патоку, патоку рожкового дерева, финиковую патоку, виноградную патоку, тростниковую кормовую патоку, тёмную патоку, кленовый сироп или кукурузный сироп, включающий в себя, в том числе, кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы;
b. инвертированный сахар, включающий в себя, в том числе инвертированный сахарный сироп;
c. дезоксисахар, включающий в себя, в том числе дезоксирибозу, фукозу или рамнозу;
d. моносахарид, включающий в себя, в том числе глюкозу, фруктозу, галактозу, ксилозу или рибозу;
e. дисахарид, включающий в себя, в том числе сахарозу, лактулозу, лактозу, мальтозу, трегалозу или целлобиозу;
a.
f. полисахарид, включающий в себя, в том числе крахмал, гликоген, арабиноксилан, целлюлозу, хитин или пектин;
g. сахарный спирт, включающий в себя, в том числе эритрит, треит, арабит, ксилит, рибит, маннит, сорбит, дульцит, идит, изомальт, мальтит или лактит; или
h. амфифил, включающий в себя, в том числе сахарный амфифил или амфифил, стимулирующий образование графена;
2. заменитель сахара, включающий в себя, в том числе стевию, аспартам, сукралозу, неотам, ацесульфам калия, сахарин или сахарный спирт;
3. углеводород, включающий в себя, в том числе нафталин, дизельное топливо, керосин, газолин, или алкан, включающий в себя, в том числе метан, этан, пропан, циклопропан, бутан, изобутан, циклобутан, пентан, изопентан, неопентан, циклопентан, гексан, октан, керосин, изопарафины, жидкие парафины или парафиновые воски;
4. форму угля, включающую в себя, в том числе торф, лигнит, битуминозный уголь, полубитуминозный уголь, угольную пыль, наноуголь, паровичный уголь, кеннельский уголь, антрацит, древесный уголь, газовую сажу, активированный древесный уголь, "активированный наноуголь" или сахарный полукокс;
5. спирт, включающий в себя, в том числе этанол, метанол или изопропанол; или
6. нефть, включающую в себя, в том числе льняное масло, цитронелловое масло, гераниол или минеральное масло.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит пиранозу, фуранозу, циклический карбомер или бензоид (см. Katritzky et al., др., "Aqueous High-Temperature Chemistry of Carbo- and Heterocycles. 20.1 Reactions of some Benzenoid Hydrocarbons and Oxygen-Containing Derivatives in Supercritical Water at 460 °C", Enrgy & Fuels, Vol. 8, pp. 487-497, 1994), включающий в себя, в том числе кислородсодержащие бензоиды.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит сахар. В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит сахарозу. В одном варианте осуществления сахар содержит патоку или заменитель патоки, который может содержать, в том числе сладкое сорго, патоку сахарной свёклы, гранатовую патоку, шелковичную патоку, патоку рожкового дерева, финиковую патоку, виноградную патоку, тростниковую кормовую патоку, тёмную патоку, пчелиный мёд, кленовый сироп или кукурузный сироп, включающий в себя, в том числе кукурузный сироп с
высоким содержанием фруктозы. В некоторых вариантах осуществления сахар содержит инвертированный сахар, включающий в себя, в том числе инвертированный сахарный сироп.
В одном варианте осуществления сахар содержит дезоксисахар, который может содержать, в том числе дезоксирибозу, фукозу или рамнозу.
В одном варианте осуществления сахар содержит моносахарид, который может содержать, в том числе глюкозу, фруктозу, галактозу, ксилозу или рибозу.
В одном варианте осуществления сахар содержит дисахарид, который может содержать, в том числе сахарозу, лактулозу, лактозу, мальтозу, трегалозу, целлобиозу или софорозу.
В одном варианте осуществления сахар содержит полисахарид, который может содержать, в том числе крахмал, гликоген, арабиноксилан, целлюлозу, хитин или пектин.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит сахарный спирт, который может включать в себя, в том числе эритрит, треит, арабит, ксилит, рибит, маннит, сорбит, дульцит, идит, изомальт, мальтит или лактит.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит заменитель сахара, который может включать в себя, в том числе стевию, аспартам, сукралозу, неотам, ацесульфам калия или сахарин.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит производное сахара, которое может включать в себя, в том числе софорит, фенольный гликозид, стевиол-гликозид, сапонин, гликозид, глюкозид или амигдалин.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит циклометикон, который может включать в себя, в том числе фенилтриметикон или циклопентасилоксан.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит стероид, который может включать в себя, в том числе сапогенин или диосгенин.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит циннамат, который может включать в себя, в том числе метил- или этилциннамат. В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит коричную кислоту. В одном варианте осуществления присадка содержит коричное масло.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит фенилпропаноид, который может включать в себя, в том числе коричную кислоту, кумаровую кислоту, кофейную кислоту, феруловую кислоту, 5-гидроксиферуловую кислоту, синаповую кислоту, коричный альдегид, умбеллиферон, ресвератрол, монолигнол, который
может содержать, в том числе конифериловый спирт, кумариловый спирт или синапиловый спирт, или фенилпропен, который может содержать, в том числе энгенол, хавикол, сафрол или эстрагол.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит бензоат, который может включать в себя, в том числе бензоат железа (III), бензил-, этил-, метил-, фенил-, циклогексил-, 2-фенил-, пентаэритриттетрабензоат или бензоат натрия или калия. В одном варианте осуществления присадка включает в себя бензойную кислоту. В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит аминобензойную кислоту. В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит метил-2-гидроксиметилбензоат. В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал включает в себя убихинон.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит карбоксилат, включающий в себя, в том числе триметил(г/ис,г/мс)-1,3,5-циклогенсантрикарбоксилат.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит бензопиран, который может включать в себя, в том числе хромен, изохромен или замещённый бензопиран.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит встречающийся в природе или синтетический флавон или изофлавон, который может включать в себя, в том числе флаван-3-ол или флаванон.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит салицилат, который может включать в себя, в том числе салицилат железа (III), метил-, этил-, бутил-, циннамил-, циклогексил-, этилгексил-, гептил-, изоамил-, октил-, бензил-, фенил-, р-крезол-, о-крезол-, m-крезол или салицилат натрия. В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал включает в себя салициловую кислоту. В одном варианте осуществления присадка включает в себя аминосалициловую кислоту.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит антиоксидант. В одном варианте осуществления антиоксидант является циклическим антиоксидантом. В одном варианте осуществления антиоксидант представляет собой фенольный антиоксидант, который может включать в себя, в том числе 2,6-ди-трет-бутилфенол, 2-трет-бутил-4,6-диметилфенол, 2,6-ди-трет-бутил-4-этилфенол, 2,6-ди-трет
бутил-4-п-бутилфенол, 2,6-ди-трет-бутил-4-1 -бутилфенол, 2,6-ди-циклопентил-4-метилфенол,
2-(а-метилциклогексил)-4,6-диметилфенол, 2,6-ди-октадецил-метилфенол, 2,4,6-три-
цйклогексилфенол, 2,6-ди-трет-бутил-4-метоксиметилфенол, 2,6-ди-трет-бутил-4-
метоксифенол, 2,5-ди-трет-бутил-гидрохинон, 2,5-ди-трет-амил-гидрохинон, 2,6-дифенил-4-октадецилоксифенол, 2,2'-метилен-бис-(6-трет-бутил-4-метилфенол), 2,2'-метилен-бис-(6-трет-бутил-4-этилфенол), 2,2'-метилен-бис-[4-метил-6-(а-метилциклогексил)-фенол], 2,2'-метилен-бис-(4-метил-6-циклогексилфенол), 2,2'-метилен-бис-(6-нонил-4-метилфенол), 2,2'-метилен-бис-[6-(а-метилбензил)-4-нонилфенол], 2,2'-метилен-бис-[6-(а,а-диметилбензил)-4-нонилфенол], 2,2'-метилен-бис-(4,6-да-трет-бутилфенол), 2,2'-этилиден-бис-(4,6-ди-трет-бутилфенол), 2,2 '-этилиден-бис-(6-трет-бутил-4-изобутилфенол), 4,4'-метилен-бис-(2,6-ди-трет-бутилфенол), 4,4'-метилен-бис-(6-трет-бутил-2-метилфенол), 1,1 -бис(5-трет-бутил-4-гидрокси-2-метилфенил)-бутан, 2,6-ди-(3-трет-бутил-5-метил-2-гидроксибензил)-4-метилфенол, 1,1,3-трис-(5-трет-бутил-4-гидрокси-2-метилфенил)-бутан и любой встречающийся в природе фенольный антиоксидант из растительного сырья, который может включать в себя, в том числе аскорбиновую кислоту, токоферол, токотриенол, розмариновую кислоту и другие фенолокислоты и флавониды, такие как найденные, например, в винограде, ягодах, маслинах, сое, чайных листьях, розмарине, базилике, орегано, корице, тмине и куркуме.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит 4-винилфенол, антоцианидин или хроменилий.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит циклическую аминокислоту, которая может включать в себя, в том числе фенилаланин, триптофан или тирозин.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит производное циклогексана, которое может включать в себя, в том числе 1,3-циклогексадиен или 1,4-циклогексадиен.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит производное бензола, которое может включать в себя, в том числе полифенол, бензальдегид, бензотриазол, бензил-1-нафтилкарбонат, бензол, этилбензол, толуол, стирол, бензонитрил, фенол, фталевый ангидрид, фталевую кислоту, терефталевую кислоту, р-толуиловую кислоту, бензойную кислоту, аминобензойную кислоту, бензилхлорид, изоиндол, этилфталилэтилгликолят, N-фенилбензамин, метоксибензохинон, бензилацетон, бензилиденацетон, гексилциннамальдегид, 4-амино-2-гидрокситолуол, 3-аминофенол или
ванилин.
В одном варианте осуществления производное бензола содержит бензолдиол, который может включать в себя 1,2-дигидроксибензол (катехол), 1,3-дигидроксибензол (резорцин) или 1,4-дигидроксибензол (гидрохинон).
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит нафтоат, включающий в себя, в том числе метил 2-метокси-1-нафтоат или метил-3-метокси-2-нафтоат.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит акрилат, включающий в себя, в том числе бензил-2-пропилакрилат или 2-нафтилметакр илат.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит фталат, включающий в себя, в том числе диаллилфталат.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит сукцинат, включающий в себя, в том числе бис(2-карбоксифенил)сукцинат.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит карпан, включающий в себя, в том числе метил-О-метилподокарпан.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит флуорофор, который может включать в себя, в том числе флуоресцеинизотиоцианат, родамин, фталоцианин или фталоцианин меди.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит фармацевтический препарат, который может включать в себя, в том числе ацетилсалициловую кислоту, ацетаминофен, ибупрофен или бензодиазепин.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит фосфат, который может включать в себя, в том числе крезилдифенилфосфат, дикрезилфосфат, триортокрезилфосфат, трикрезилфосфат, паракрезилфосфат, ортокрезилфосфат или метакрезилфосфат.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит соединение, которое разлагается на одну или более из вышеупомянутых присадок под действием теплоты, выделяющейся при работе двигателя или механической системы, таких как определённые терпены или определённые природные ароматические или неароматические циклические сложные эфиры, кетоны или альдегиды, которые могут включать в себя, в том числе метилсалицилат (винтергреновое масло), масло из листьев/коры
коричного дерева (циннамальдегид), лимонен (дипентен), пинен и камфен.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит коммерческий пищевой персональный/половой смазывающий состав, включающий в себя сахарный или сахарозаменяющий амфифил.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит коммерческий состав для защиты от ультрафиолетовых лучей солнечного излучения, который может включать в себя октилметоксициннамат (октиноксат), бутил-метоксидибензоилметан (B-MDM, авобензон), октил-диметил-пара-аминобензойную кислоту (OD-PABA), октокрилен, оксибензон, алкилбензоат, диэтилгексил-2,6-нафталат, фенокси-этанол, гомосалат, этилгексилтриазон, 4-метил-бензилиден-камфору (4-МВС) или полисорбат.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит коммерческое средство в виде крема для кожи, которое может включать в себя, в том числе карбомер, аскорбилпальмитат, токоферилацетат, кетоконазол или минеральное масло.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит коммерческое дезинфицирующее средство для рук, которое может включать в себя карбомер, токоферилацетат или пропиленгликоль.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит коммерческий продукт по уходу за волосами человека или шерстью животного, который может включать в себя бензофенон, алкилбензоат, феноксиэтанол, сорбитанолеат, сополимер стирола, пропиленгликоль, гидроксиизогексил-3-циклогексенкарбальдегид, бутилированный гидрокситолуол, кетоконазол, вазелин, минеральное масло или жидкий парафин.
В одном варианте осуществления коммерческий продукт ухода за волосами представляет собой раствор для завивки или распрямления волос, который может включать в себя карбомер, гексилциннамаль, бензилсалицилат, троламинсалицилат, бензилбензоат, лимонен, эвгенол, 1,3-бис(гидроксиметил)-5,5-диметил-имидазолин-2,4-дион (DMDM гидантоин), пара-аминобензойную кислоту (РАВА), 2-этилгексил-4-диметиламинобензоат (падимат О), бутилфенилметилпропиональ, пропилпарабен, фенолсульфонфталеин (PSP, фенол красный) или полисорбат.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит коммерческий красящий состав для волос, который может включать в себя
гидрооксид железа (Ре(ОН)з), пара-фенилендиамин, орто-, мета- или парааминофенол, 4-
амино-2-гидрокситолуол, тридецет-2-карбоксамид МЕА, фенилметилпиразолон,
феноксиэтанол, поликватерниум, гексилциннамаль, бутилфенилметилпропиональ,
фенолсульфонфталеин (PSP, фенол красный), гидроксиизогексил-3-
циклогексенкарбальдегид, диоксид титана или оксид железа.
В одном варианте осуществления фактически неграфитовый углеродистый материал содержит коммерческий пестицид, который может включать в себя, в том числе орто-фенилфенол (ОРР), фенилгидрохинон (PHQ) или фенилбензохинон (PBQ).
Окислитель может быть в любой форме, включающей в себя, в том числе газообразное, сжиженное, порошкообразное твёрдое вещество или гранулированное твёрдое вещество. Окислитель может включать в себя одно или любую комбинация приводимых ниже веществ, в том числе нитрат калия, газообразный кислород, нитрат натрия, бихромат аммония, нитрат аммония, перхлорат аммония, перхлорат калия, перманганат калия, нитрат кальция, пероксид водорода, бикарбонат натрия или тиоцианат ртути.
В одном варианте осуществления реакционная смесь включает в себя растворитель. Растворитель может включать в себя спирт, включающий в себя одно или любую комбинацию приводимых ниже веществ, в том числе метанол, этанол, изопропиловый спирт, n-пропанол или гелеобразный спиртовой состав, включающий в себя, в том числе желированный денатурированный спиртовой состав, такой как состав, включающий в себя этанол и метанол, как в банке с сухим спиртом с фабричным знаком Sterno(r)) (The Stemo Group, LLC, Des Plaines, Illinois, United States), или гелеобразный спиртовой состав, такой как в антисептиках для рук, включающих в себя составы, содержащие такие загустители как полиакриловая кислота или пропиленгликоль.
В одном варианте осуществления реакционная смесь включает в себя один или более катализаторов или другие присадки. Присадка или катализатор может включать в себя одно или любую комбинацию из приводимых ниже веществ, в том числе бикарбонат натрия, бикарбонат алюминия, фосфат натрия-алюминия, сульфат натрия-алюминия, карбонат калия, фосфат калия, гидроксид калия, гидроксид алюминия, гидроксид магния, сульфат магния, фосфат магния, винный камень, лимонная кислота, аскорбиновая кислота, сахараза, инвертаза, ферроцен или катализатор в виде оксида переходного металла, который может быть в форме нанопорошка, где этот катализатор включает себя одно или любую комбинацию из приводимых ниже веществ, в том числе оксид железа, включающий в себя оксид железа (II),
оксид железа (II, III), оксид железа (III), гидроксид железа (II), гидроксид железа (III) или оксид-гидроксид железа (III), оксид алюминия, оксид меди, включающий в себя, в том числе оксид меди (I) или оксид меди (II), оксид никеля, включающий в себя, в том числе оксид никелля (I) или оксид никеля (II), оксид титана, включающий в себя, в том числе диоксид титана, оксид титана (I) или оксид титана (II), или оксид свинца, включающий в себя, в том числе оксид свинца (II), оксид свинца (IV), тетроксид свинца или сесквиоксид свинца.
В одном варианте осуществления для образования реакционной смеси сахарозу и бикарбонат натрия комбинируют в объёмном соотношении приблизительно 4 : 1 и в качестве растворителя добавляют этанол.
В одном варианте осуществления реагенты смешивают с огнеопасным растворителем, таким как метанол, этанол или изопропанол. В некоторых из этих вариантов осуществления источник углерода растворяют в огнеопасном растворителе. В других вариантах осуществления реагенты образуют с растворителем суспензию.
В одном варианте осуществления реакцию проводят в отсутствие растворителя.
В одном варианте осуществления сахарную пудру и порошок бикарбоната натрия комбинируют в соотношении 4 : 1 и перед нагревом смешивают с катализатором в виде оксида металла.
В одном варианте осуществления реакционная смесь может дополнительно или вместо этого включать в себя одно или более из веществ: бикарбонат натрия, нафталин и льняное масло.
В одном варианте осуществления для образования реакционной смеси сахарозу и азотнокислый калий комбинируют в соотношении приблизительно 35 : 65 (см. Rocket Manual for Amateurs by B.R. Brinley, Ballantine Books, New York, New York, 1960, and Amateur Experimental Rocketry, Vol. 7 by Richard Nakka, self-published on CD only, January 2011). В одном варианте осуществления реакционная смесь дополнительно включает в себя оксид металла в интервале значений приблизительно 1-30%, предпочтительно приблизительно 5%.
В одном варианте осуществления для образования пастообразной реакционной смеси сахарную пудру и спирт, предпочтительно этанол или изопропанол, помещают в реакционный сосуд и смешивают. Для получения пара, содержащего эксфолиированные паром отложения графена/производного графена, реакционную смесь подвергают нагреву. В некоторых вариантах осуществления реакционная смесь дополнительно включает в себя порошковый пигмент оксида железа BayFerrox(r) (Lanxess, Cologne, Germany). В других
вариантах осуществления оксид железа имеет форму нанопорошка Fe304 (15-20 нм) высокой чистоты (U.S Research Nanomaterials, Inc., Houston, Texas, United States).
В одном варианте осуществления для образования реакционной смеси сахарную пудру и гелеобразный спирт в форме обыкновенного антисептика для рук, включающего в себя воду, полиакриловую кислоту и ~ 60% изопропиловый спирт помещают в реакционный сосуд и смешивают. Для получения пара, содержащего эксфолиированные паром отложения графена/производного графена, реакционную смесь подвергают нагреву. В некоторых вариантах осуществления реакционная смесь дополнительно включает в себя порошковый пигмент оксида железа BayFerrox(r) (Lanxess, Cologne, Germany). В других вариантах осуществления оксид железа имеет форму нанопорошка Рез04 (15-20 нм) высокой чистоты (U.S Research Nanomaterials, Inc., Houston, Texas, United States).
В одном варианте осуществления реакционную смесь из сахарной пудры и спирта, предпочтительно этанола, нагревают в реакционном сосуде с помощью нагревательной пластины до температуры ниже, чем в ранее рассмотренных вариантах осуществления с использованием прямого пламени. Реакционную смесь нагревают до момента начала образования пара, содержащего эксфолиированные паром отложения графена/производного графена, В одном варианте осуществления реакционная смесь дополнительно включает в себя порошковый пигмент оксида железа BayFerrox(r) (Lanxess, Cologne, Germany). В других вариантах осуществления оксид железа имеет форму нанопорошка Рез04 (15-20 нм) высокой чистоты (U.S Research Nanomaterials, Inc., Houston, Texas, United States).
В одном варианте осуществления источником оксида железа является подложка, на которую помещают другие реагенты. В одном варианте осуществления источник оксида железа представляет собой ржавую деталь из металла на основе железа. Затем реагенты подвергают нагреву, как и в одном из ранее рассмотренных вариантов осуществления.
В одном варианте осуществления углеродистый материал является углём или производным угля. В одном варианте осуществления уголь представляет собой угольную пыль. В одном варианте осуществления уголь является наноуглём. В одном варианте осуществления углеродистый материал представляет собой одно или более из веществ: уголь, каменноугольную смолу и кокс. В одном варианте осуществления уголь или производное угля нагревают в растворителе с высокой температурой кипения до температуры дефлегмации. В одном варианте осуществления процесс представляет собой недостаточную или неправильную форму дистилляции каменноугольной смолы или коксовальной печи с
повторно конденсируемыми реакционными газами, стекающими назад в реакционную смесь.
В одном варианте осуществления углеродистый материал представляет собой сахарозу. В некоторых вариантах осуществления концентрированная серная кислота превращает сахарозу в графитовый углерод, образование которого может происходить с морфологией пены из захваченных реакционных газов в результате реакции дегидратации, как показано в уравнении 4:
С12Н22О11 98 % серная кислота * 12 Сграфитовый + 11Н20 (4)
В одном варианте осуществления серная кислота используется в избытке, при котором любой водяной пар или другие газы, образующиеся во время реакции дегидратации, выделяются из реакционной смеси и продукт графитового углерода образуется не в форме пены. В одном варианте осуществления для стимуляции выделения всех реакционных газов в систему подаётся избыточная теплота.
В одном варианте осуществления нагрев используют для превращения сахарозы в углерод в результате реакция дегидратации, как показано в уравнении 5:
С12Н22О11 Нагрев > 12 Сррафитовый + 1 1 Н20 (5)
В одном варианте осуществления источник графитового углерода и жидкость помещают в реакционный сосуд и смешивают для образования суспензионной смеси. Источником графитового углерода может быть любой материал, включающий в себя графитовый углерод, включающий в себя, в том числе природный графит, синтетический графит, один или более полициклических ароматических углеводородов (PAHs), графен, активированный уголь, биоуголь, угольную флегму, один или более бензоидов, нафталин или любая их комбинация. В одном варианте осуществления источник графитового углерода представляет собой природный или синтетический графит. В одном варианте осуществления графит измельчают в мелкодисперсный порошок. В одном варианте осуществления источником графитового углерода является активированный уголь. В одном варианте осуществления жидкость включает в себя одно или любую комбинацию веществ: спирт, вода и минеральное масло. В одном варианте осуществления жидкость представляет собой кислоту или сильнокислотный раствор. В одном варианте осуществления спирт является метанолом. Для получения пара, содержащего эксфолиированные паром отложения графена/производного графена, суспензионную смесь подвергают нагреву. В одном варианте осуществления реакционная смесь дополнительно включает в себя порошковый пигмент
оксида железа BayFerrox(r) (Lanxess, Cologne, Germany). В одном варианте осуществления оксид железа имеет форму нанопорошка РезОд (15-20 нм) высокой чистоты (U.S Research Nanomaterials, Inc., Houston, Texas, United States).
В одном варианте осуществления для образования суспензионной смеси продукт
графитового углерода, полученный в результате дегидратации сахарозы и растворителя,
помещают в реакционный сосуд и смешивают. В одном варианте осуществления
растворитель может включать в себя одно или любую комбинацию веществ: спирт, вода и
минеральное масло. В одном варианте осуществления спирт является метанолом, этанолом
или изопропанолом. Для получения пара, содержащего эксфолиированные паром отложения
графена/производного графена, суспензионную смесь подвергают нагреву. В одном варианте
осуществления реакционная смесь дополнительно включает в себя порошковый пигмент
оксида железа BayFerrox(r) (Lanxess, Cologne, Germany). В одном варианте осуществления
оксид железа имеет форму нанопорошка (15-20 нм) высокой чистоты (U.S Research
Nanomaterials, Inc., Houston, Texas, United States).
В одном варианте осуществления источником теплоты является прямое открытое пламя. В одном варианте осуществления источник теплоты представляет собой топливо, смешанное с реагентами, воспламеняемыми источником воспламенения. В одном варианте осуществления источником теплоты является нагревательная пластина. В одном варианте осуществления для стимуляции образования реакционного газа добавляют дополнительный реагент. В одном варианте осуществления дополнительный реагент является бикарбонатом натрия, а реакционный газ - диоксид углерода. В одном варианте осуществления реагенты нагревают до самовоспламенения.
В одном варианте осуществления химическая реакция может целенаправленно происходить в условиях пиролиза. В одном варианте осуществления реакция может целенаправленно происходить в условиях недостатка кислорода для сгорания или минимального содержания кислорода или в камере с частичным вакуумом. В одном варианте осуществления, по меньшей мере, часть реагентов подвергают нагреву во время образования продукта в контролируемой атмосфере с низким содержанием кислорода. В одном варианте осуществления при реакции может целенаправленно использоваться присадка для стимуляции неполного сгорания и образования сажи или других продуктов неполного сгорания или пиролиза. В одном варианте осуществления возможно проведение реакции с высокой скоростью, обеспечиваемой за счёт нагрева реакционной смеси прямым пламенем.
В одном варианте осуществления твердые реагенты смешивают и нагревают прямым пламенем в реакционном контейнере, таком как тигель. Топливом для пламени может служить любое топливо в пределах сущности настоящего изобретения, однако в этих вариантах осуществления предпочтительным является относительно полностью сгорающее топливо, такое как метан, этан, пропан или бутан.
В одном варианте осуществления источником теплоты является прямое пламя.
В одном варианте осуществления систему подвергают внешнему нагреву до температуры чуть ниже температуры самовоспламенения для системы, чтобы инициировать образование продукта.
В одном варианте осуществления графен или GO образуется в качестве продукта нагрева вспучивающегося вещества. Вспучивающиеся вещества обычно используют в качестве антипиренов. Вспучивающееся вещество в данном документе представляет собой любой углеродистый материал, который под действием теплоты набухает, но не горит. Вспучивающееся вещество может включать в себя одно или любую комбинацию приводимых ниже веществ, в том числе вещества-предшественники полимерных смол в виде дикрезилфосфатов, трикрезилфосфатов, включающих в себя, в том числе паракрезилфосфаты, ортокрезилфосфаты и метакрезилфосфаты, или определённые эпоксидные смолы, включающие в себя, в том числе термореактивные смолы, включающие в себя, в том числе фенол-формальдегидные (PF) смолы, меламиновые смолы, смолы на основе сложных цианатных эфиров или полицианураты, полифениленэфирные смолы (РРО), смолы на основе этилен-пропилен-диеновых мономеров (EPDM) или смолы на основе полеолефиновых пластомеров (POP).
В одном варианте осуществления при нагревании вспучивающегося вещества образуется низкосортный теплопроводящий лёгкий полукокс. В одном варианте осуществления при нагревании вспучивающегося вещества образуется тяжёлый полукокс. В одном варианте осуществления для получения продукта графена или GO образующийся полукокс подвергают воздействию растворителя и повторному нагреву. В одном варианте осуществления образующийся полукокс может затем служить в качестве углеродистого материала в дополнение к и для реакции с окислителем. В одном варианте осуществления для получения продукта реакции в виде графена или GO полукокс можно комбинировать с маслом и подвергать нагреву.
В одном варианте осуществления, как указано выше, источник углерода в виде
углеродистого материала, добавленный к реагентам, или присадка может включать в себя одно или любую комбинацию из приводимых ниже веществ, в том числе льняное масло, лёгкое парафиновое масло, нафталиновое соединение, смолу, вещество-предшественник смолы, алкид, алкидную смолу или вещество-предшественник алкида, включающее в себя, в том числе полиол, включающий в себя, в том числе мальтит, ксилит, сорбит, изомальт, пентаэритрит, этиленгликоль, глицерин или сложный полиэфир.
В одном варианте осуществления реагенты включают в себя один или более полиолов, один или более ангидридов кислот или один или более триглицеридов ненасыщенных жирных кислот.
Предполагается, что модификации вышеописанных способов могут обеспечить более лёгкий сбор графена или GO и более высокий выход продукции.
В одном варианте осуществления не используют никакой жидкой или гелевой смесительной среды. В одном варианте осуществления смесительной средой является метанол. В одном варианте осуществления смесительная среда представляет собой воду. В одном варианте осуществления смесительной средой является твердый, полутвёрдый или гелеобразный воспламеняющийся материал, который может быть смешан с источником углерода. В одном варианте осуществления воспламеняющийся материал является гелевым топливом, полученным из денатурированного спирта, воды и геля, таким как в банке с сухим спиртом с фабричным знаком Sterno(r)' (The Sterno Group, LLC, Des Plaines, Ilinois, United States). В одном варианте осуществления денатурированный спирт включает в себя этанол с одной или более присадками, которые могут включать в себя одно или любую комбинацию из приводимых ниже веществ, в том числе метанол, изопропанол, ацетон, метилэтилкетон, метилизобутилкетон или денатоний.
В одном варианте осуществления гелевое топливо получают из уксуса, карбоната кальция и изопропанола. В таких вариантах осуществления гелевое топливо может быть подвергнуто осторожному нагреву для достижения большей текучести для смешивания с реагентами и последующему охлаждению до возврата в гелеобразное состояние. В таком варианте осуществления прямое пламя можно использовать только на начальной стадии для зажигания гелевого топлива и инициирования реакции, поскольку пламя поддерживается горением самого гелевого топлива.
В одном варианте осуществления переносимые паром отложения графена или производного графена собирают путём осаждения на твёрдую поверхность, контактирующую
с переносимыми паром отложениями.
В одном варианте осуществления переносимые паром отложения графена или производного графена собирают с использованием чистой угольной технологии. В одном варианте осуществления для сбора любых переносимых паром отложений графена или GO используют скруббер (см., например, Semrau, "Practical process design of particulate scrubbers", Chem. Eng., Vol. 84, pp. 87-91, 1977), предпочтительно мокрый скруббер. В одном варианте осуществления для сбора переносимых паром частиц, включающих в себя любые переносимые паром отложения графена или GO, дымовые газы обрабатывают паром.
В одном варианте осуществления переносимые паром отложения графена или производного графена собирают в результате барботирования полученного потока паров через жидкость. В одном варианте осуществления жидкость является водой. В других вариантах осуществления жидкость представляет собой масло, которое может включать в себя, в том числе растительное масло или смазочное масло. В одном варианте осуществления для стимуляции образования однородного слоя графена или производного графена на поверхности воды к воде добавляют поверхностно-активное вещество. В одном варианте осуществления для стимуляции образования однородного слоя графена или производного графена на поверхности жидкости путём самосборки эту жидкость подвергают нагреву. В одном варианте осуществления жидкость нагревают до температуры, близкой к её температуре кипения. В одном варианте осуществления для подъёма температуры кипения жидкости используют присадки. В одном варианте осуществления для стимуляции самосборки графена или производного графена на поверхности жидкости на эту жидкость воздействуют ультразвуком. В одном варианте осуществления для стимуляции самосборки графена или производного графена на поверхности жидкости на эту жидкость воздействуют ультрафиолетовым излучением. В одном варианте осуществления стимуляцию самосборки графена или производного графена на поверхности жидкости обеспечивает атмосфера аргона над этой жидкостью. В одном варианте осуществления для стимуляции амосборки графена или производного графена используют пониженное давление (см. Putz et al., "Evolution of Order During Vacuum-Assisted Self-Assembly of Graphene Oxide Paper and Associated Polymer Nanocomposites", ASC Nano, Vol. 5, pp. 6601-6609, 2001).
В одном варианте осуществления растворитель, остающийся в реакционной колбе, содержащей графитовый материал, после завершения этапа пиролиза, используют в качестве покрытия для образования композит, упрочнённого графитовым материалом. В одном
варианте осуществления графитсодержащий растворитель наносят путём погружения материала, на которое наносят покрытие, в графитсодержащий растворитель. В одном варианте осуществления покрытие наносят на отдельные волокна. В других вариантах осуществления покрывают волоконную сетку. В одном варианте осуществления для покрытия любых трещин в графитовом материале и, следовательно, для упрочнения этого покрытия наносят множество слоёв.
В одном варианте осуществления для образования графен-упрочнённого композита графитсодержащий растворитель смешивают со структурным материалом. В одном варианте осуществления для образования графен-упрочнённого композитного материала графитсодержащий растворитель комбинируют с предварительно пропитанными композитными волокнами (препрегом). В одном варианте осуществления источником углерода для графитового материала является вещество-предшественник смолы для конкретной смолы, которую упрочняют с помощью графитового материала.
В одном варианте осуществления для облегчения изготовления твёрдых композитных материалов, которые используют продукты сгорания, водособирающую жидкость, используемую для накопления паров продуктов сгорания, используют в пресс-форме.
В одном варианте осуществления реакционные пары собирают и направляют непосредственно на внутреннюю или внешнюю поверхность пресс-формы без использования жидкой среды для сбора.
В одном варианте осуществления реакционные пары собирают и направляют непосредственно на поверхность твёрдой подложки. В одном варианте осуществления твёрдая подложка представляет собой волокно, и графен-упрочнённый волоконный композит образуется при осаждении. В одном варианте осуществления волокно является углеродным волокном. В одном варианте осуществления волокно является полимерным. Графеновое покрытие может быть нанесено на волокно или до или после сплетания отдельных волокон вместе в зависимости от приложения и требуемых свойств для графен-волоконного композита. В одном варианте осуществления множественные слои осаждают для перекрытия трещин в листах графена и, таким образом, усилить покрытие.
В одном варианте осуществления полученный собранный пар суспендируют на жидкости, которую позже сливают, выпаривают или удаляют иначе, в результате чего листы графена, GO или rGO покрывают внутреннюю поверхность пресс-формы или осаждаются на твёрдой или жидкой подложке уже в такой пресс-форме или вводятся в эту пресс-форму для
получения композитного материала.
В системе на фиг. 3 реакционную смесь помещают в реакционный сосуд 10. Подача теплоты в реакционный сосуд 10 осуществляется с помощью нагревательного элемента 12. Генерируемые реакционные газы и переносимый газом продукт повышают давление в реакционном сосуде 10 и выходят из реакционного сосуда через трубку 14. Поток реакционных газов выходит из трубки 14 над поверхностью жидкости 16. В другом варианте осуществления (не показано) трубка 14 направляет пар ниже поверхности жидкости 16, после чего он барботирует к поверхности 18 жидкости 16. В одном варианте осуществления (не показано) к концу трубки 14 прикреплён барботёр, который создаёт множество точек выброса для распределения пузырьков потока реакционных газов или под или над поверхностью жидкости. Реакционные газы выбрасываются в атмосферу 22 над поверхностью 18 жидкости, в то время как продукт графена/производного графена остаётся в жидкости и накапливается в основном на поверхности 18 жидкости. Или трубка 14 может выбрасывать поток реакционных газов непосредственно в атмосферу 22 над поверхностью 18 жидкости. В некоторых таких вариантах осуществления поток реакционных газов направляют в сторону поверхности 18 жидкости с помощью трубки 14.
Регулирование температуры жидкости за счёт нагрева или охлаждения для стимуляции образования больших листов оксида графена в результате гидрофобной самосборки на поверхности жидкости может осуществляться с помощью элемента 24 регулирования температуры. Или элемент 24 регулирования температуры или отдельный ультразвуковой элемент может создавать ультразвуковую вибрацию, чтобы стимулировать образование больших листов оксида графена на поверхности жидкости. Для обеспечения покрытия жидкости 16 и, таким образом, создания замкнутой регулируемой среды над поверхностью жидкости 16 может быть использовано покрытие (не показано). В одном варианте осуществления (не показано) в среде 22 с помощью источника давления через клапан можно поддерживать повышенное давление. В одном варианте осуществления источником давления является инертный газ, такой как аргон, для создания инертной среды над жидкостью. В одном варианте осуществления (не показано) клапан сброса обеспечивает возможность сброса избыточного давления из атмосферы 22. Реакционный сосуд 10 предпочтительно включает в себя клапан 34 выравнивания давления для уменьшения избыточного вакуума, образующегося в реакционном сосуде 10, и предотвращения втягивания жидкости в трубке 14 в сторону реакционного сосуда 10 во время
дефлегмирования и реакции.
В одном варианте осуществления реакционный сосуд является устройством с колбой Бюхнера. В одном варианте осуществления верхняя часть колбы закрыта пробкой, а трубка соединена со штуцером шланга колбы. В одном варианте осуществления другой конец трубки располагается над жидкостью без какого-либо барботёра на конце трубки. В одном варианте осуществления клапан выравнивания давления соединён со шлангом, проходящим через пробку на верхней части колбы Бюхнера.
В одном варианте осуществления графен или производное графена, образованные на поверхности жидкости, переносятся на твёрдую подложку в результате простого приведения в контакт такой твёрдой подложки с поверхностью жидкости, такого как осаждение типа Лэнгмюра-Блоджетт (см., например, Blodgett, "Films built by depositing successive monomolecular layers on a solid surface", J. Amer. Chem. Soc, Vol. 57, pp. 1007-1022, 1935).
В одном варианте осуществления собранный продукт GO или графена далее подвергается восстановлению или иной обработке, чтобы удалить остаточные примеси из продукта.
В одном варианте осуществления продукт реакции GO превращают в восстановленный оксид графена (rGO). В одном варианте осуществления GO химически восстанавливают до rGO, как в общем представлено в уравнении 6:
оксид графена + восстановитель > восстановленный оксид графена (rGO) (6)
В одном варианте осуществления GO подвергают коллоидному диспергированию в воде или другой жидкости и химическому восстановлению до rGO с использованием моногидрата гидразина (см. Stankovich et al, "Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide", Carbon, Vol. 45, pp. 1558-1565, 2007, Gao et al, "Hydrazine and Thermal Reduction of Graphene Oxide: Reaction Mechanisms", J. Phys. Chem. C, Vol. 1 14, pp. 832-842, 2010), Si et al, "Synthesis of Water Soluble Graphene", Nano Lett., Vol. 9, pp. 1679-1682, 2008). В другом варианте осуществления GO химически восстанавливают до rGO с помощью гидрохинона (см Wang et al, "Facile Synthesis and Characterization of Graphene Nanosheets", J. Phys. Chem. C, Vol. 112, pp. 8192-8195, 2008). В другом варианте осуществления GO химически восстанавливают до rGO с помощью газообразного водорода (см. Wu et al, "Synthesis of high-quality graphene with a predetermined number of layers", Carbon, Vol. 47, pp. 493-499, 2009). В других вариантах осуществления GO химически восстанавливают до rGO с помощью сильнощелочного раствора (см. Fan et al, "Deoxygenation of Exfoliated Graphite Oxide under
Alkaline Conditions: A Green Route to Graphene Preparation", Adv. Mater., Vol. 20, pp. 4490-4493, 2008, Boehm et al, "Das Adsorptionsverhalten sehr diinner Kohlenstoff-Folien", Z Anorg. Allg. Chem., Vol. 316, pp. 119-127, 1962).
В одном варианте осуществления для восстановления GO до rGO используют теплоту или электрический ток. В одном варианте осуществления GO подвергают эксфолиации и восстановлению до rGO при нагревании до 1050 °С, а для удаления генерируемого диоксида углерода - экструзии (см. McAllister et ah, "Single Sheet Functionalized Graphene by Oxidation and Thermal Expansion of Graphite", Chem. Mater., Vol. 19, pp. 4396-4404, 2007).B одном варианте осуществления GO электрохимически восстанавливают до rGO путём размещения электродов на противоположных концах оксидной плёнки графена на непроводящей подложке и приложения электрического тока (см. Zhou et al., "Controlled Synthesis of Large-Area and Patterned Electrochemically Reduced Graphene Oxide Films", Chem. -Eur. J., Vol. 15, pp. 6116-6120, 2009).
В одном варианте осуществления добавление гидразинового моногидрата к воде, через которую полученный оксид графена барботируется, с последующим нагревом водного раствора до ~ 80 °С обеспечивает превращение продукта оксида графена в самособранную плёнку из пластинок восстановленного оксида графена на границе раздела воздух-вода (см. Zhu et al, "Transparent self- assembled films of reduced graphene oxide platelets", Appl. Phys. Lett., Vol. 95, pp. 103,104-1-103,104-3, 2009). Для содействия самосборке пластинок rGO к жидкости могут быть приложены дополнительные внешние силы, включающие в себя, в том числе сверхзвуковые колебания или ультрафиолетовое излучение.
В одном варианте осуществления вышеописанные продукты используют в комбинации с полимерными смолами для образования высокопрочных композитов. Полимерные смолы представляют собой предпочтительно эпоксидные полимерные смолы. В некоторых вариантах осуществления композиты дополнительно включают в себя углеродные волокна.
В одном варианте осуществления полимерную смолу и графен/производное графена выполняют в виде чередующихся слоёв в композите. В одном варианте осуществления слой графена/производного графена осаждают в виде пара на слой полимерной смолы. В одном варианте осуществления слой графена/производного графена осаждают из водной поверхности на слой полимерной смолы. В одном варианте осуществления графен/производное графена наносят на слой полимерной смолы.
В одном варианте осуществления графен/производное графена образуется
непосредственно на слое полимерной смолы в результате дегидратация сахарозы с использованием концентрированной серной кислоты, где материал полимерной смолы обладает высокой устойчивостью к серной кислоте. Полимерные материалы с высокой устойчивостью к серной кислоте включают в себя, в том числе поливинилхлорид (PVC), хлорированный PVC (CPVC), поливинилиденфторид, политетрафторэтилен (PTFE), поли(хлортрифторэтилен) (CTFE), эпоксидный стеклопластик и смолу EP21AR epoxy(Master Bond, Inc., Hackensack, New Jersey, United States).
В одном варианте осуществления смола является одной из приводимых ниже или комбинацией гибридного типа приводимых ниже полимерных смол: (1) одна или более термопластичных алкилфенольных смол, обычно используемых в производстве шин, (2) одна или более параоктилфенол(РОР)формальдегидных смол типа NOVOLAC(r), (3) одна или более паратретбутилфенол(РТВР)формальдегидных нетермореактивных смол, повышающих клейкость, типа POLYTONE(r), (4) одна или более полифениленэфирных (РРЕ) смол и (5) одна или более полифениленоксидных (РРО) смол, включающих в себя, в том числе одну или более силоксановых полифениленоксидных смол.
В одном варианте осуществления графен/производное графена смешивают полимерной смолой перед отверждением смолы. В одном варианте осуществления углеродные волокна также смешивают с графеном/производным графена и неотверждённой полимерной смолой. Тип полимерной смолы и относительные уровни графена/производного графена и углеродного волокна предпочтительно выбирают для обеспечения подходящего баланса прочности и гибкости, предпочтительного для конкретного особого использования или применения для полученного композитного продукта.
В одном варианте осуществления смола для полимера композита также является источником углерода для части графена/производного графена в составе композита.
В одном варианте осуществления полимерный композит, упрочнённый графеном/GO, используют применительно к конструкциям, в которых обычно ограничиваются металлическими материалами, таким как рама транспортного средства. В одном варианте осуществления полимерный композит может быть подвергнут повторному формованию и поэтому годен для повторного использования и после использования в одной конструкции может быть использован в другой конструкции.
В способе образования гелеобразного графена или геля графена испарение вводного бассейна, содержащего отложения графена/производного графена, происходило с течением
времени. В одном варианте осуществления исходные материалы для реакционной смеси с целью получения отложений графена/производного графена содержат сахарозу, разрыхлитель, этанол и оксид железа. В одном варианте осуществления вода в водном бассейне испарялась очень медленно, и после периода приблизительно в один месяц при приблизительно комнатной температуре в мензурке оставалась половина исходного объёма ~ 800 мл жидкости. Клейкий слой геля, который можно было снять, образовывался в верхней части жидкости. Под этим верхним слоем находился мутный белесоватый слой толщиной приблизительно V/г дюйма (порядка 38 мм) с консистенцией низковязкого геля. Дополнительное тестирование состава и физических свойств этих гелей графена не проводилось, однако ожидают, что эти формы графена будут иметь полезные физические и химические свойства.
В одном варианте осуществления для образования композитного материала вместо воды используют водный гелеобразный графен или водный бассейн с собранным графеном или производным графена. В одном варианте осуществления водный гелеобразный графен или водный бассейн с собранным графеном или производным графена использую вместо воды в цементной смеси для образования графен-упрочнённого бетона с улучшенной прочностью относительно обычного бетона. В одном варианте осуществления водный гелеобразный графен или водный бассейн с собранным графеном или производным графена используют при образовании асфальтобетона для образования графен-упрочнённого асфальтобетона с улучшенной прочностью относительно обычного асфальтобетона.
В одном варианте осуществления в качестве источника углерода при производстве графена, производного графена, углерод-инкапсулированной металлической наночастицы или наностали используют диоксид углерода или моноксид углерода, что, таким образом, оеспечивает потенциальное удаление избыточного углерода из окружающей среды. Моноксид углерода и диоксид углерода превращают в ряд различных продуктов, подходящих в качестве исходного углеродистого сырья для способов синтеза, содержащихся в данном документе, таких как синтетический метанол (см., например, Sakakura et al, "Transformation of Carbon Dioxide", Chem. Rev., Vol. 107, pp. 2365-2387, 2007, Yu et al, "Copper- and copper-N- heterocyclic carbene-catalyzed C-H activating carboxylation of terminal alkynes with C02 at ambient conditions", PNAS, Vol. 107, pp. 20184-20189, 2010, Jiang et al, "Turning carbon dioxide into fuel", Phil. Trans. R. Soc. A, Vol. 368, pp. 3343-3364, 2010). В одном варианте осуществления моноксид углерода или диоксид углерода сначала превращют в одну
tropin ^Ш^Щ^^'Ш/т"*'-' *,^У*.*^л"!(r)"?я"*Й1в
или более промежуточных форм углеродистого материала с возможностью ракций сгорания или пиролиза для включения атома углерода из таких газов в полезную графитовую связь углерод-углерод. В одном варианте осуществления промежуточным соединением при таком превращнии является спирт, образующийся в результате реакции диоксида углерода с газообразным водородом. В одном варианте осуществления диоксид углерода подают непосредственно в дефлегмирующую смесь для реакции с газообразным водородом, образующимся в результате дефлегмирования дефлегмирующей смеси, и, таким образом, получают in situ синтетический метанол.
В одном варианте осуществления с использованием оксида железа процесс происходит как в наноразмерной печи Бессемера для получения наностали. Как показано, в частности, на фиг. 7, по всему образцу, в частности, на краевых участках сфероида наблюдается значительная электризация. Так как образец электризуется в целом, то вероятной причиной, вызывающей эту электризацию, является присутствие непроводящего вещества по всему образцу. Единственным возможным непроводящим материалом по данным элементного анализа является оксид. Таким образом, можно сделать вывод о существовнии оксидной плёнки по всему держателю образцов. Что касается электризации сфероидов, то отсутствие острого края на изображениях свидетельствует о том, что сфероиды должны содержать как проводящее, так и непроводящее вещество. Наиболее вероятной причиной этого является элементарное железо в ловушке из непроводящей углерод-оксидной матрицы.
Элементарное железо проводит электрический ток и светится под SEM, но непроводящая углерод-оксидная матрица достаточно прочна, чтобы препятствовать разрушению сфероидной структуры, несмотря на то, что является непроводящей и не способна передавать заряд на оксидный слой по всему образцу. С учётом того, что данные EDS указывают на присутствие только железа, углерода, и кислорода, из этого следует, что оксидный внешний слой представляет собой оксид графена, а проводящий материал -железо. Если бы внешняя оболочка шариков была чистым углеродом, такой как если бы структура была графеном или фуллереном, то она была бы проводящей, и никакой электризации образцов бы не наблюдалось, как в случае углеродных нанотрубок или углеродных ленточных материалов, обычно используемых в качестве принадлежностей SEM. Так как внешний слой электризуется, то он должен быть непроводящим, и, таким образом, наиболее вероятной формой углерода является оксид графена. Кроме того, как упоминалось
ранее, электризация до некоторой степени наблюдается по всему образцу, как показано на SEM-изображениях. Поэтому можно также сделать вывод о наличии слоев оксида графена по всему образцу.
В одном варианте осуществления наносталь подвергают механической обработке для образования наносхемы или другой наноструктуры. В некоторых вариантах осуществления для формировния наностали используют лазерный травящий нанопучок.
Результаты тестов
Для создания и регенерации графена и его производных с целью получения наночастиц SGAN согласно изобретению было проведено несколько тестов. Тест 1
В способе синтеза наночастиц SGAN реакционная смесь была нагрета с использованием прямого пламени. Для образования реакционной смеси в реакционный сосуд были помещены и смешаны в пасту оксид железа в форме порошкового пигмента оксида железа BayFerrox(r) (Lanxess, Cologne, Germany), сахарная пудра и этанол. Реакционная смесь была нагрета с помощью прямого пламени пропановой горелки, и SEM-держатель образцов был выдержан над нагретой реакционной смесью в дыме и/или паре, полученном в результате нагрева реакционной смеси.
Поверхность SEM-держателя образцов была затем просмотрена с использованием микроскопа Philips(r) XL серии XL 30 ESEM-FEG (FEI(tm) Company, Hillsboro, Oregon, United States), использующего программное обеспечение EDAX(r) Genesis(tm) версии 4.61 (AMATEK(r) Inc., Mahwah, New Jersey, United States) и платформу Scandium Imaging Platform. Полученные электронно-микроскопические изображения поверхностей держателя образцов показаны на фиг. 4-7. Данные сопутствующего элементного анализа по методу EDS (энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии) для области взятия образца (после удаления показаний по меди и алюминию с самого держателя образцов) показали только углерод, кислород и железо в массовых (мае. %) и атомных (ат. %) процентах, приведённых в таблице 1 для областей в чёрных ячейках, являющихся областями взятия образца на фиг. 4-7. На фиг. 4-6 представлены сфероидные структуры с диаметрами в интервале значений 2-5 мкм, и все фигуры показывают несфероидные структуры неправильной формы с длинами в интервале значений ~ 1-5 мкм.
Все области взятия образца сфероидов на фиг. 4-5С показывают в основном углерод и кислород с подобными низкими значениями железа. Как показано, в частности, на фиг. 4, пучок EDAX(r) был нацелен на большую площадь сфероидной структуры, имеющей диаметр почти 5 мкм. Как показано, частности, на фиг. 5А, точечный пучок EDAX(r) был нацелен на верхний слой на поверхности сфероида, имеющего диаметр порядка 2-3 мкм. Как показано, в частности, на фиг. 5В, пучок EDAX(r) был нацелен на небольшую белую область на поверхности сфероида на фиг. 5А, изображение которой в явном виде показывает сфероидную природу структуры и наличие поверхностных несовершенств. Как показано, в частности, на фиг. 5С, пучок EDAX(r) был нацелен на более широкий участок сфероида на фиг. 5А. Эта структура, как полагают, содержит значительно более высокие уровни внутреннего железа, чем измеренные с помощью EDS, так как низкие показания по железу с помощью EDS указывают на слабое поникновение пучка EDAX(r) во внешнюю оболочку в верхнем слое сфероида. Сфероидные структуры, как полагают, являются многослойными нанолуковицами оксида графена, с множественными слоями оксида графена, экранирующими внутреннее железо от обнаружения с помощью EDS.
На фиг. 6 представлена нерегулярная структура одного из несфероидных элементов, наблюдаемых на поверхности держателя образцов. Морфология этих структур, как полагают, представляет собой бумагу оксида графена. Более яркие области этого изображения указывают на более высокие концентрации железа. Количество железа в этой структуре по данным измерений с помощью EDS почти в десять раз превышает измеренное в сфероидных структурах. Считается, что электронный луч способен проникать через эту тонкую бумагу оксида графена на большую глубину, чем в многослойные сфероиды, так что сообщается о
большем содежании железа в этом образце.
Наблюдаемые сфероидные структуры были определены как высокоустойчивые, так как фокусировка пучка EDAX(r) на структуре в течение более 20 минут не оказывала никакого наблюдаемого эффекта на структуру.
В некоторых SEM-изображениях наблюдалась квадратная область тени на держателе образцов, указывающая на электронное возбуждение и непроводящую поверхность, по-видимому, покрытую оксидной плёнкой графена.
Тест 2
В другом способе синтеза наночастиц SGAN реакционная смесь была нагрета с использованием прямого пламени. Для образования реакционной смеси в реакционный сосуд были помещены и смешаны порошковый пигмент оксида железа BayFerrox(r) (Lanxess, Cologne, Germany), сахарная пудра и гелеобразный спирт в форме общего дезинфицирующего средства для рук, включающего в себя воду, полиакриловую кислоту и ~ 60% изопропиловый спирт. Реакционная смесь была нагрета с помощью прямого пламени пропановой горелки, и SEM-держатель образцов был выдержан над нагретой реакционной смесью в дыме и/или паре, полученном в результате нагрева реакционной смеси.
Поверхность SEM-держателя образцов была изучена с использованием микроскопа Philips(r) XL серии XL 30 ESEM-FEG (FEI(tm) Company, Hillsboro, Oregon, United States), использующего программное обеспечение EDAX(r) Genesis(tm) версии 4.61 (AMATEK(r) Inc., Mahwah, New Jersey, United States) и платформу Scandium Imaging Platform. Полученные электронно-микроскопические изображения поверхностей держателя образцов показаны на фиг. 8-11. Данные сопутствующего элементного анализа по методу EDS для области взятия образца на фиг. 8 (после удаления показаний по меди и алюминию с самого держателя образцов) показали только углерод (64,40 мас.% / 79,37 ат.%), кислород (16,95 мас.% / 15,68 ат.%) и железо (18,65 мас.% / 4,94 ат.%). Наблюдаемые структуры на SEM-держателе образцов были в общем меньше, чем при предыдущем синтезе с использованием этанола, а не гелеобразного спирта. По наблюдениям, число сфероидных структур относительно хлопьевидных структур было намного больше, чем при синтезе с использованием этанола. На фиг. 10 показана область высокой концентрации сфероидных структур.
На фиг. 11 представлена большая область SEM-держателя образцов при более низком увеличении. Изображение показывает очень тонкую непрерывную плёнку, осаждённую по большой площади SEM-держателя образцов. В целях отображения на образец из паровой
фазы было осаждено покрытие золота/палладия. Однако, по наблюдениям, покрытие золота/палладия было намного более толстым, чем покрытие из паров оксида графена, что приводило к полному маскированию любой детали покрытия оксида графена из паровой фазы покрытием золота/палладия. Важно также отметить, что покрытие золота/палладия показывает, что покрытие из паров оксида графена было неповреждённым на всём держателе образцов.
Тест 3
В другом способе синтеза наночастиц SGAN реакционная смесь была нагрета с использованием прямого пламени. Оксид железа в форме порошкового пигмента оксида железа BayFerrox(r) (Lanxess, Cologne, Germany), активированный древесный уголь, метанол и минеральное масло были помещены в реакционный сосуд и подвергнуты смешивания для образования реакционной смеси. Реакционная смесь была нагрета прямым пламенем пропановой горелки, и SEM-держатель образцов был выдержан над горячей реакционной смесью в дыме и/или паре, образовавшемся за счёт нагрева реакционной смеси.
Поверхность SEM-держателя образцов была изучена с использованием микроскопа Philips(r) XL серии XL 30 ESEM-FEG (FEI(tm) Company, Hillsboro, Oregon, United States), использующего программное обеспечение EDAX(r) Genesis(tm) версии 4.61 (AMATEK(r) Inc., Mahwah, New Jersey, United States) и платформу Scandium Imaging Platform. Полученные электронно-микроскопические изображения поверхностей держателя образцов продемонстрировали структуры, похожие по внешнему виду на сруктуры из вышеописанных экспериментов, в том числе сфероиды с даметром в интервале значений 5-15 мкм и большие нерегулярные кристаллические структуры, имеющие минимальные размеры по ширине в интервале значений 10-50 мкм. Данные сопутствующего элементного анализа по методу EDS (после удаления показаний по меди и алюминию с самого держателя образцов) показали в дополнение к углероду, кислороду и железу наличие ряда примесей, включая кальций, медь, натрий, кремний и свинец, каждая которых может образовывать гранецентрированный кубический кристалл (FCC).
Тест 4
В другом способе синтеза наночастиц реакционная смесь была нагрета с использованием нагревательной пластины до более низкой температуры, чем в ранее описанном способе с использованием прямого пламени. Порошок оксида железа, сахарная пудра и этанол были помещены в колбу Бюхнера. Верхняя часть колбы была закрыта
пробкой, а пластиковая трубка соединена со штуцером шланга колбы. Другой конец пластиковой трубки был помещён под водой в мензурке с дистиллированной водой. Реакционная смесь была нагрета с образованием пара, который барботировал через дистиллированную воду. После завершения реакции воде дали возможность медленно испаряться в мензурке, причём после испарения воды поверхность воды приобрела гелеобразную консистенцию, а на стенках мензурки над поверхностью воды появился белый осадок. Несмотря на нехарактерность этого белого осадка, было сделано предположение, что это - наночастицы SGAN. Тест 5
В другом способе синтеза наночастиц в колбе были комбинированы сахарная пудра ("365 Organic Powdered Sugar" от Whole Foods Market, LP (Austin, Texas, United States). Ингредиенты: органический тростниковый сахар, органический крахмал тапиока), дезинфицирующее средство для рук ("Instant Hand Sanitizer" от Greenbrier International, Inc. (Chesapeake, Virginia, United States). Ингредиенты: этиловый спирт 62%, вода, триэтаноламиновый глицерин, пропиленгликоль, токоферолацетат, гель с барбадосским алоэ, карбомер, отдушка), изопропанол ("99% Isopropyl Alcohol" от Meijer Distributing Inc. (Grand Rapids, Michigan, United States)), разрыхлитель ("Dr. Oetker Baking Powder" от Oetker Canada, Ltd. (Mississauga, Ontario, Canada). Ингредиенты: кислый пирофосфат натрия, бикарбонат натрия, кукурузный крахмал) и минеральное масло ("Walgreens Mineral Oil Intestinal LubricanfoT Walgreen Co. (Deerfield, Illinois, United States)). Для превращения сахара в графитовый углерод колба была нагрета прямым пламенем. Верхняя часть колбы была закрыта пробкой, и трубка направляла поток реакционных газов, содержащий эксфолиированные паром отложения графена для барботирования в водяную баню. Для поддержания жидкости в колбе минеральное масло добавлялось в колбу по мере необходимости.
В контакт с поверхностью водяной бани, на которой в результате транспортировки с помощью водяного пара образовался продукт реакции, для сбора этого продукта реакции был приведён металлический шпатель. После сушки в течение ночи на металлическом шпателе наблюдалась видимая плёнка. Металлический шпатель погружали в жидкость под углом, однако в другом варианте изобретения продукт реакции может быть перенесён на твёрдую поверхность в результате погружения твёрдой поверхности параллельно или перпендикулярно к поверхности жидкости, в зависимости от твёрдой поверхности и требуемого поверхностного покрытия. Или твёрдая поверхность, может быть поднята вверх
через границу раздела снизу от поверхности жидкости или в результате слива жидкости, чтобы осадить продукт на твёрдую поверхность в жидкости.
Покрытую металлическую поверхность затем вытерли об углеродную ТЕМ-сетку для переноса части графенового покрытия на ТЕМ-сетку. Наблюдение покрытия на ТЕМ-сетке проводили с использованием микроскопа Philips(r) ТЕМ (FEI(tm) Company, Hillsboro, Oregon, United States) с серийным номером D609, и в результате были записаны изображения, представленные на фиг. 12-17. По составу и морфологии эти структуры подобны структурам, называемым дырявым углеродом или кружевным углеродом. На фиг. 12 показана морфология довольно большого равномерного листа графена. Фиг. 13 демонстрирует морфологию большого листа графена с усиком, проходящим на левую сторону изображения. На фиг. 14 показаны сложенные многослойные листы графена. Фиг. 16 и 17 демонстрируют тонкие пряди графена, соединяющего большие области листа, а на фиг. 15 множественные слои такой пряди показаны с более высоким увеличением. Кроме того, в изображениях на фиг. 12-17 участки ТЕМ-сетки оказываются полностью чёрными под ТЕМ, так как осаждённый слой является слишком толстым, чтобы электронный луч мог пройти через него. В нескольких других областях плёнка, по-видимому, не была полностью сухой, и графеновое покрытие при наблюдении меняло свою форму под электронным лучом.
Тест 6
В способе образования листов графена активированный уголь, вода, минеральное масло и изопропанол нагревали в закупоренной колбе Бюхнера. С началом кипения и дефлегмации началось образование белого дыма с паром. Беловатый дым выносился с паром из колбы через пластиковую трубку и наносился на поверхность водного бассейна, при этом на поверхности образовывалась непрозрачная пленка. После выдержки в течение нескольких минут после образования плёнки участки плёнки были перенесены на медные ТЕМ-сетки для дальнейшего изучения.
Медные ТЕМ-сетки были изучены с использованием микроскопа Philips(r) Tecnai F20 (S)TEM (FEI(tm) Company, Hillsboro, Oregon, United States). На фиг. 18 и 19 показаны характерные изображения образцов. Для элементного анализа пучок EDAX(r) был использован для определения соотношений углерод-кислород в восьми различных точках на образце. Результирующий анализ показал, что соотношение углерод-кислород в образцах составляло 97,4 : 2,6-99,1 : 0,9 ат.% при среднем числе 98,4 : 1,6 ат.% из восьми образцов. По сравнению с экспериментами с оксидом железа в реакционной смеси в отсутствие оксида
железа полученный продукт был почти чистым углеродом в форме графена.
Получение in situ трибологически-эффективных количеств полезных углеродистых осадков в смазывающих составах.
В вариантах осуществления изобретения используют присадки, содержащие циклический углерод, к базовым смазочным маслам для быстрого пиролиза in situ и получения трибологически-эффективны количеств полезных углеродистых осадков и молекул внутри двигателя или механической системы. В одном варианте осуществления присадка образует полезные абразивные графитовые частицы in situ в смазочном составе, которые служат в качестве нанополирующих агентов для нанополировки поверхностей трения и устранения неровностей до начала значительного разложения базового смазочного масла. Как только поверхности трения наноотполированы почти до совершенства на атомном уровне, на поверхностях трения больше не остаётся неровностей для скапливания вредных осадков. Таким образом, образование вредных осадков на внутренних деталях системы и необходимость в обычных детергентных присадках к смазывающим составам резко сокращается или отпадает совсем.
Присадки, раскрытые в данном документе, выбирают не для улучшения или защиты являющегося основой базового смазочного масла. На самом деле присадки выбирают для стимуляции быстрого in situ преимущественного образования полициклических ароматических углеводородов или других форм графитового углерода, которые являются наночастицами или микрочастицами, содержащими трибологически-полезный графитовый углерод в трибологически-эффективных количествах. В одном варианте осуществления присадка включает в себя присадку, содержащую углеродное кольцо, которая состоит из атомов только углерода, водорода и кислорода. В одном варианте осуществления присадка, содержащая углеродное кольцо, является углеводородом. Любые радикалы в смазывающем составе предпочтительно способствуют образованию полезных частиц графитового углерода. В одном варианте осуществления наночастицы действуют в качестве, по мере, нанополирующих агентов для нанополировки поверхностей трения до высокой гладкости в результате уменьшения или устранения неровностей, и, таким образом, уменьшения трения между изнашивающимися поверхностями. Со временем обычные базовые смазочные масла, как правило, теряют вязкость, в результате чего возникает опасность повреждения поверхностей трения. А при использовании вариантов осуществления настоящего изобретения поверхности трения становятся всё более нанополированными, так что любое
разбавление базового смазочного масла в результате непрерывного использования фактически позволяет механической системе работать более эффективно за счёт снижения вязкости базового смазочного масла. В одном варианте осуществления базовое смазочное масло начинает работать в качестве тяжёлого масла и постепенно с течением времени разбавляется до более лёгкого масла, поскольку поверхности трения становятся нанополированными. В одном варианте осуществления смазывающий состав обеспечивает эффективную смазку, несмотря на увеличение интервалов слива или замены по сравнению с обычными базовыми смазочными маслами.
Вместо стимулирования разложения с течением времени для образования соединений, которые превращаются в илистые отложения аморфного углерода, по меньшей мере, одна из присадок предпочтительно стимулирует образование одной или более форм трибологически-полезного графитового углерода, описываемых в данном документе.
Смазывающие композиции согласно настоящему изобретению предпочтительно включают в себя присадку, выбранную в качестве жертвенного источника углерода, для образования in situ графитового углерода при продолжении смазывания работающего жвигателя или другой механической системы базовым смазочным маслом. Базовое смазочное масло может представлять собой минеральное или синтетическое масло нефть, густую смазку или жидкость. В условиях работающего двигателя или другой механической системы присадка может быть подвергнута пиролизу для образования графитового углерода. В одном варианте осуществления присадка может быть подвергнута пиролизу при температуре между ~ 50 °С и ~ 550 °С. В одном варианте осуществления присадка может быть подвергнута пиролизу при температуре, меньше чем ~ 50 °С или температуре больше, чем ~ 550 °С. В работающем двигателе такие условия могут быть достигнуты локально на поверхностях трения или на поверхностях внутреннего двигателя, турбонаддува, турбины или редуктора.
Присадка подаётся в таком трибологически-эффективном количестве, при котором в смазывающем составе образуются in situ и имеются структуры для изначального создания достаточно эффективного трибологического покрытия на поверхностях трения смазываемой системы. Количество присадки, добавляемой к смазочному маслу, может варьироваться в соответствии с необходимой скоростью изменения характеристик работающего двигателя или другой механической системы и количеством базового смазочного масла, которое должно остаться неразбавленным. Добавление большего количества присадки повышает скорость образования in situ структур, но и ведёт к разбавлению базового смазочного масла.
Поэтому эффективное количество присадки может содержать от ~ 10 мг на литр базового смазочного масла до ~ 500 г/л базового смазочного масла. Эти количества не накладывают каких-либо ограничений на изобретение и могут быть определены специалистом по рецептурам для каждого отдельного случая.
В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает трение в смазываемой системе относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает трение в смазываемой системе, по меньшей мере, на 1% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает трение в смазываемой системе, по меньшей мере, на 2% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает трение в смазываемой системе, по меньшей мере, на 3% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает трение в смазываемой системе, по меньшей мере, на 4% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает трение в смазываемой системе, по меньшей мере, на 5% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает трение в смазываемой системе, по меньшей мере, на 10% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют.
В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает отрицательную мощность в смазываемой системе относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает отрицательную мощность в смазываемой системе, по меньшей мере, на 1% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает отрицательную мощность в смазываемой системе, по меньшей мере, на 2% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления
трибологически-эффективное количество присадки уменьшает отрицательную мощность в смазываемой системе, по меньшей мере, на 5% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает отрицательную мощность в смазываемой системе, по меньшей мере, на 10% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает отрицательную мощность в смазываемой системе, по меньшей мере, на 20% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает отрицательную мощность в смазываемой системе, по меньшей мере, на 50% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют.
В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки увеличивает выходной вращающий момент в смазываемой системе относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки увеличивает выходной вращающий момент в смазываемой системе, по меньшей мере, на 1% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки увеличивает выходной вращающий момент в смазываемой системе, по меньшей мере, на 2% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки увеличивает выходной вращающий момент в смазываемой системе, по меньшей мере, на 5% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки увеличивает выходной вращающий момент в смазываемой системе, по меньшей мере, на 10% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки увеличивает выходной вращающий момент в смазываемой системе, по меньшей мере, на 20% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки увеличивает выходной вращающий момент в смазываемой системе, по меньшей мере, на 50% относительно смазки
обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют.
В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает шероховатость поверхности внутреннего трения в смазываемой системе относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает шероховатость поверхности внутреннего трения в смазываемой системе, по меньшей мере, на 5% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает шероховатость поверхности внутреннего трения в смазываемой системе, по меньшей мере, на 10% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает шероховатость поверхности внутреннего трения в смазываемой системе, по меньшей мере, на 20% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает шероховатость поверхности внутреннего трения в смазываемой системе, по меньшей мере, на 50% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает шероховатость поверхности внутреннего трения в смазываемой системе, по меньшей мере, на 75 % относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют. В одном варианте осуществления трибологически-эффективное количество присадки уменьшает шероховатость поверхности внутреннего трения в смазываемой системе, по меньшей мере, на 90% относительно смазки обычным смазочным маслом, к которому эту присадку добавляют.
В одном варианте осуществления измеряемое изменение в трении, снижение отрицательной мощности или снижение шероховатости поверхности происходит в течение 100 часов работы смазываемой системы после добавления трибологически-эффективного количества присадки. В одном варианте осуществления измеряемое изменение в трении, снижение отрицательной мощности или снижение шероховатости поверхности происходит в течение 80 часов работы смазываемой системы после добавления трибологически-эффективного количества присадки. В одном варианте осуществления измеряемое изменение в трении, снижение отрицательной мощности или снижение шероховатости поверхности
происходит в течение 60 часов работы смазываемой системы после добавления трибологически-эффективного количества присадки. В одном варианте осуществления измеряемое изменение в трении, снижение отрицательной мощности или снижение шероховатости поверхности происходит в течение 40 часов работы смазываемой системы после добавления трибологически-эффективного количества присадки. В одном варианте осуществления измеряемое изменение в трении, снижение отрицательной мощности или снижение шероховатости поверхности происходит в течение 20 часов работы смазываемой системы после добавления трибологически-эффективного количества присадки. В одном варианте осуществления измеряемое изменение в трении, снижение отрицательной мощности или снижение шероховатости поверхности происходит в течение 10 часов работы смазываемой системы после добавления трибологически-эффективного количества присадки. В одном варианте осуществления измеряемое изменение в трении, снижение отрицательной мощности или снижение шероховатости поверхности происходит в течение 5 часов работы смазываемой системы после добавления трибологически-эффективного количества присадки. В одном варианте осуществления измеряемое изменение в трении, снижение отрицательной мощности или снижение шероховатости поверхности происходит в течение 2 часов работы смазываемой системы после добавления трибологически-эффективного количества присадки. В одном варианте осуществления измеряемое изменение в трении, снижение отрицательной мощности или снижение шероховатости поверхности происходит в течение одного часа работы смазываемой системы после добавления трибологически-эффективного количества присадки. В одном варианте осуществления измеряемое изменение в трении, снижение отрицательной мощности или снижение шероховатости поверхности происходит в течение 30 минут работы смазываемой системы после добавления трибологически-эффективного количества присадки. В одном варианте осуществления измеряемое изменение в трении, снижение отрицательной мощности или снижение шероховатости поверхности происходит в течение 10 минут работы смазываемой системы после добавления трибологически-эффективного количества присадки. В одном варианте осуществления измеряемое изменение в трении, снижение отрицательной мощности или снижение шероховатости поверхности происходит в течение 5 минут работы смазываемой системы после добавления трибологически-эффективного количества присадки. В одном варианте осуществления измеряемое изменение в трении, снижение отрицательной мощности или снижение шероховатости поверхности происходит практически мгновенно после добавления
трибологически-эффективного количества присадки.
Смазывающие составы, включающие в себя, по меньшей мере, одну присадку, как описано, улучшают работу двигателя и нанополируют смазываемые металлические поверхности. По меньшей мере, одна из присадок химически модифицируется in situ для образования смазывающих и нанополирующих частиц, которые наблюдались на смазываемых металлических поверхностях с помощью как сканирующей электронной микроскопии (SEM), так и просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ). Наблюдаемые сфероидные структуры на нетрущихся поверхностях, в общем, имеют размер в диапазоне значений 1-10 мкм и определены, как состоящие в основном из углерода, кислорода, и железа. Эти структуры из микрочастиц отличаются по размеру от базовой частицы не больше, чем на ~ 3 нм и являются достаточно твёрдыми, чтобы нанополировать стальные поверхности до измеренной шероховатости поверхности (Ra) 3,44 нм.
Для одного варианта осуществления эта базовая частица была аналитически определена как SGAN и, в частности, металлическая SGAN. В некоторых вариантах осуществления металлическая SGAN является SGAN, содержащий трехвалентное железо. Сердцевина SGAN может представлять собой кубическую плотноупакованную кристаллическую структуру металлом в гранецентрированной кубической решётке. Кубический плотноупакованный кристалл может быть оксидом металла семейства шпинели, который может включать в себя, в том числе магнетит (Рез04), шпинель (MgAbC^), ганит (ZnAbCv), герцинит (FeAbCv), купрошпинель (CuFe204), франклинит, галаксит, якобсит (MnFe204), треворит (NiFe204), ульвошпинель (TiFe204), феррит цинка, хромит (FeCr204) и магнезиохромит (MgCr204). В других вариантах осуществления сердцевина может иметь нешпинельную кубическую кристаллическую структуру.
Кубическая кристаллическая структура может включать в себя, по меньшей мере, один атом железа. В некоторых вариантах осуществления кристаллическая сердцевина может быть гидрооксидом железа в форме шпинели (Belleville et al., "Crystallization of ferric hydroxide into spinel by adsorption on colloidal magnetite", Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 150, pp. 453-460, 1992). В одном варианте осуществления кристаллическая сердцевина может представлять собой FexCui.xRh2Se4, где 0 < х < 0,3, в форме шпинели (Kim et al., "Magnetic properties of the spinel phase for FexCui_xRh2Se4", J. Appl. Phys., Vol. 64, 342190, 1988).
В одном варианте осуществления кристаллическая сердцевина образуется in situ. В одном варианте осуществления присадка включает в себя кристаллическую сердцевину. В
некоторых вариантах осуществления образование кристаллической сердцевины может происходить по одному или более механизмам, описываемых учёными Dekker ("Chapter 5: Deoxidation in Low Carbon Steel Killed with Aluminum" in Ph.D. Thesis, Katholieke Universiteit Leuven, Leuven, pp. 43-65, Belgium, 2002), Botta et al. ("Mechanochemical synthesis of hercynite", Materials Chemistry and Physics, Vol. 76, pp. 104-109) или Chen et al. ("Synthesis of hercynite by reaction sintering", Journal of the European Ceramic Society, Vol. 31 , pp. 259-263, 2011).
В одном варианте осуществления оболочка SGAN, как полагают, является углеродным фуллереном или фулерен-подобной структурой. В некоторых вариантах осуществления источник углерода, как полагают, превращается in situ в углеводороды РАН, как раскрыто учёными Bohme ("РАН and Fullerene Ions and Ion/Molecule Reactions in Interstellar and Circumstellar Chemistry", Chem. Rev., Vol. 92, pp. 1487- 1508, 1992), Mansurov ("Formation of Soot from Polycyclic Aromatic Hydrocarbons as well as Fullerenes and Carbon Nanotubes in the Combustion of Hydrocarbon", Journal of Engineering Physics and Thermodynamics, Vol. 84, pp. 125- 159, 2011) или Ravindra et al. ("Atmospheric polycyclic aromatic hydrocarbons: Source attribution, emission factors and regulation", Atmospheric Environment, Vol. 42, pp. 2895-2921, 2008), для образования листов графена, причём графен затем превращается в фуллерен в присутствии железа в соответствии с механизмом, раскрытым учёными Chuvilin et al. ("Direct transformation of graphene to fullerene", Nature Chemistry, Vol. 2, pp. 450-453, 2010). В одном варианте осуществления углеродные осадки на поверхности частицы железа, как полагают, имеют форму кокса, как раскрыто учёными Meima et al. ("Catalyst deactivation phenomena in styrene production", Applied Catalysis A: General, Vol. 212, pp. 239-245, 2001). В одном варианте осуществления SGAN, как полагают, является поверхностно-графитизированной.
В одном варианте осуществления углерод может быть осаждён на поверхность частицы железа в форме поперечно-сшитой стирольной сферы, такой как в процессе алкилирования, поперечного сшивания и полимеризации по Фриделю-Крафтсу, описываемом учёными Barar et al. ("Freidel-Crafts Cross-Linking for Polystyrene Modification", Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., Vol. 22, pp. 161-166, 1983).
В наблюдаемых наночастицах SGAN, по меньшей мере, часть измеренного железа, как ожидают, находится в форме магнетита, который делает наночтицы SGAN ферримагнитными. В других вариантах осуществления SGAN или поперечно-сшитые стирольные сферы могут включать в себя одну или более ферромагнетных, парамагнитных или суперпарамагнитных частиц. В одном варианте осуществления наночастицы SGAN, как
полагают, образуют in situ агломерат и покрыты графитовым углеродом в форме одной или любой комбинации полициклических ароматических углеводородов (РАН), графена, оксида графена, микротрубочки и фуллерена для образования микрочастиц большего размера. Под действием сдвига эти агломераты, как полагают, разрушаются на блоки меньшего размера или теряют поверхностные слои, но реагломерируются сразу после удаления из среды с высокой скоростью сдвига.
Магнитная природа наночастиц SGAN или железосодержащих поперечно-сшитых стирольных сфер обусловливает их притяжение одной к другой, к графитовому углероду и железосодержащим поверхностям и железосодержащим частицам, суспендированным в смазывающем составе. Когда содержащая трёхвалентное железо SGAN или агрегат большего размера приближается к стальной поверхности трения, то затем частица притягивается к поверхности и служит как для обеспечения смазки, так и для микрополировки поверхности трения. Сердцевина, поддерживающая оболочку SGAN, обеспечивает прочность, требуемую для полировки стальных деталей.
Раскрытые наночастицы SGAN являются превосходящие нанополировальными составами для наноалмазов. Поскольку сердцевина SGAN, как полагают, не связана химически с её оболочкой, оболочка, как полагают, может вращаться независимо от сердцевины, чтобы действовать в качестве наношарикоподшипника. Кроме того, несвязанная оболочка SGAN, как полагают, является менее жёсткой, чем наноалмаз и, таким образом, может рассеивать ударные силы в большей степени.
В одном варианте осуществления сердцевину, содержащую ароматическое углеродное кольцо, могут иметь не кристаллические металлсодержащие сердцевины, a SGAN. В одном варианте осуществления сердцевина, содержащая ароматическое углеродное кольцо, может представлять собой сердцевину, содержащую стирол или производное стирола. В одном варианте осуществления образование сердцевины, содержащей ароматическое углеродное кольцо, может происходить in situ в смазывающем составе в результате самосборки амфифильных молекул, содержащих ароматические углеродные кольца. В одном варианте осуществления амфифильные молекулы, содержащие ароматические углеродные кольца, могут быть амфифильными молекулами стирола или производного стирола. В одном варианте осуществления самособранная сердцевина может содержать реактивные группы, обеспечивающие возможность самопроизвольного химического поперечного сшивания молекул одно с другой после самосборки. В одном варианте осуществления вокруг
самособранной сердцевины может образоваться фуллереновая оболочка для образования нанчастицы, подобной вышеописанным наночастицам SGAN, для образования нанополирующего агента.
Для достижения подобных результатов в смазывающих составах в дополнение к тестированным присадкам может быть использован и ряд других классов присадок. Присадка предпочтительно имеет структуру, по меньшей мере, с одним циклическим кольцом, которое может быть ароматическим или неароматическим, и, по меньшей мере, одной функциональной группой, отходящей от кольца или от цепи, отходящей от кольца. В одном варианте осуществления структура включает в себя конденсированные кольца. Присадка предпочтительно имеет структуру, включающую в себя помимо углерода и водорода, по меньшей мере, один атом кислорода. В одном варианте осуществления в химической структуре могут быть и другие гетероатомы, но они могут быть необязательными для достижения нужных результатов и могут быть нежелательными.
В одном варианте осуществления присадка находится в смазывающем составе в растворённом состоянии. В варианте осуществления присадка является жидкостью, смешивающейся со смазочным маслом. В одном варианте осуществления присадка включает в себя частицу. Так как обычные фильтры моторного масла предназначены для удаления практически всех частиц с размером больше, чем ~ 40 мкм, приблизительно половины частиц с размером ~ 20 мкм и приблизительно 10-20% частиц с размером ~ 10 мкм, присадки с частицами для моторного масла предпочтительно имеют средний размер частиц меньше, чем ~ 10 мкм, чтобы предотвратить забивку масляного фильтра. В одном варианте осуществления практически все частицы имеют размер меньше, чем ~ 10 мкм. В одном варианте осуществления присадки с частицами имеют средний размер частиц меньше, чем ~ 5 мкм. В одном варианте осуществления практически все частицы имеют размер меньше, чем ~ 5 мкм. В одном варианте осуществления присадки с частицами имеют средний размер частиц меньше, чем ~ 1 мкм. В одном варианте осуществления практически все частицы имеют размер меньше, чем ~ 1 мкм.
В одном варианте осуществления присадка содержит сахарную пудру (сахарозу). Сахарные пудры коммерчески доступны с разной тонкостью помола и обычно используются для выпечки. Сахарные пудры 6Х имеют средний размер частиц меньше, чем ~ 200 мкм. Сахарные пудры 10Х имеют средний размер частиц меньше, чем ~ 150 мкм. Помадные сахара представляют собой сахарные пудры со средним размером частиц до ~ 50 мкм.
Коммерчески доступные помадные сахара включают в себя "Celebration" (British Sugar, Peterborough, UK, Great Britan), сахар сверхтонкого помола со средним размером частиц ~ 11 мкм, "Silk Sugar" (British Sugar, Peterborough, United Kingdom, Great Britain), сахар ультратонкого помола со средним размером частиц ~ 8 мкм и С &Н Baker's Drivert (С &Н Sugar Company, Inc., Crockett, California, United States) со средним размером частиц ~ 5-7 мкм.
В одном варианте осуществления сахарная пудра имеет средний размер частиц меньше, чем ~ 5 мкм. В одном варианте осуществления практически все частицы имеют размер меньше, чем ~ 5 мкм. В некоторых вариантах осуществления сахарная пудра имеет средний размер частиц меньше, чем ~ 1 мкм. В одном варианте осуществления практически все частицы имеют размер меньше, чем ~ 1 мкм. В одном варианте осуществления размер частиц сахарной пудры доводят до заданной величины путём измельчения кристаллической сахарозы в сухой среде. В одном варианте осуществления сахарную пудру измельчают с использованием известного метода сухого микроизмельчения кристаллов до микронных или субмикронных частиц. В одном варианте осуществления размер частиц сахарной пудры доводят до заданной величины методами испарения, такими как испарение растворителя из микрокапель раствора распущенного сахара или лиофилизация (сушка вымораживанием) раствора распущенного сахара.
В одном варианте осуществления сахар, предпочтительно микропорошкообразную или нанопорошкообразную сахарозу, добавляют к обычной смазывающей жидкости в качестве источника углерода для образования in situ графитового углерода при смазывании работающего двигателя смазывающим составом. В одном варианте осуществления к обычному базовому смазочному маслу добавляют только сахар. В одном варианте осуществления к обычному базовому смазочному маслу добавляют сахар и оригинальную рецептуру Marvel Mystery Oil (Turtle Wax, Inc., Westmont, Illinois, United State) (источник нафтеновых углеводородов и терпенов). В одном варианте осуществления к обычному базовому смазочному маслу добавляют сахар и минеральное масло. В одном варианте осуществления сахар комбинируют с масляным поверхностно-активным веществом для придания совместимости сахару до добавления к базовому смазочному маслу (см. Hiteshkumar et al., "Self-assembly in sugar- oil complex glasses", Nature Materials, 6, pp. 287-290, 2007). В одном варианте осуществления придание совместимости сахару препятствует забивание фильтра сахаром в смазываемой системе в качестве геля или твёрдого вещества. В одном варианте осуществления масляное поверхностно-активное вещество представляет
собой терпен. В одном варианте осуществления терпен является лимоненом. В одном варианте осуществления сахар и масляное поверхностно-активное вещество комбинируют в соотношении меньше, чем приблизительно 1 : 1. В одном варианте осуществления во время добавления к смазывающей жидкости смесь сахара и масляного поверхностно-активного вещества находится в жидком состоянии. В одном варианте осуществления сахар яляется сахарным амфифилом.
В одном варианте осуществления присадка содержит пиранозу, фуранозу, циклический карбомер или бензоид (см. Katritzky et ah, др., "Aqueous High-Temperature Chemistry of Carbo- and Heterocycles. 20.1 Reactions of some Benzenoid Hydrocarbons and Oxygen-Containing Derivatives in Supercritical Water at 460 °C", Eurgy & Fuels, Vol. 8, pp. 487497, 1994), включающий в себя, в том числе кислородсодержащие бензоиды.
В одном варианте осуществления присадка содержит сахар, кроме сахарозы. В одном варианте осуществления присадка содержит сахарозу. В одном варианте осуществления сахар содержит патоку или заменитель патоки, который может содержать, в том числе сладкое сорго, патоку сахарной свёклы, гранатовую патоку, шелковичную патоку, патоку рожкового дерева, финиковую патоку, виноградную патоку, тростниковую кормовую патоку, тёмную патоку, пчелиный мёд, кленовый сироп или кукурузный сироп, включающий в себя, в том числе кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы. В некоторых вариантах осуществления сахар содержит инвертированный сахар, включающий в себя, в том числе инвертированный сахарный сироп.
В одном варианте осуществления сахар содержит дезоксисахар, который может содержать, в том числе дезоксирибозу, фукозу или рамнозу.
В одном варианте осуществления сахар содержит моносахарид, который может содержать, в том числе глюкозу, фруктозу, галактозу, ксилозу или рибозу.
В одном варианте осуществления сахар содержит дисахарид, который может содержать, в том числе сахарозу, лактулозу, лактозу, мальтозу, трегалозу, целлобиозу или софорозу.
В одном варианте осуществления сахар содержит полисахарид, который может содержать, в том числе крахмал, гликоген, арабиноксилан, целлюлозу, хитин или пектин.
В одном варианте осуществления присадка содержит сахарный спирт, который может включать в себя, в том числе эритрит, треит, арабит, ксилит, рибит, маннит, сорбит, дульцит, идит, изомальт, мальтит или лактит.
В одном варианте осуществления присадка содержит заменитель сахара, который
может включать в себя, в том числе стевию, аспартам, сукралозу, неотам, ацесульфам калия или сахарин.
В одном варианте осуществления присадка содержит производное сахара, которое может включать в себя, в том числе софорит, фенольный гликозид, стевиол-гликозид, сапонин, гликозид, глюкозид или амигдалин.
В одном варианте осуществления присадка содержит циклометикон, который может включать в себя, в том числе фенилтриметикон или циклопентасилоксан.
В одном варианте осуществления присадка содержит стероид, который может включать в себя, в том числе сапогенин или диосгенин.
В одном варианте осуществления присадка содержит циннамат, который может включать в себя, в том числе метил- или этилциннамат. В одном варианте осуществления присадка содержит коричную кислоту. В одном варианте осуществления присадка содержит коричное масло.
В одном варианте осуществления присадка содержит фенилпропаноид, который может включать в себя, в том числе коричную кислоту, кумаровую кислоту, кофейную кислоту, феруловую кислоту, 5-гидроксиферуловую кислоту, синаповую кислоту, коричный альдегид, умбеллиферон, ресвератрол, монолигнол, который может содержать, в том числе конифериловый спирт, кумариловый спирт или синапиловый спирт, или фенилпропен, который может содержать, в том числе энгенол, хавикол, сафрол или эстрагол.
В одном варианте осуществления присадка содержит бензоат, который может включать в себя, в том числе бензоат железа (III), бензил-, этил-, метил-, фенил-, циклогексил-, 2-фенил-, пентаэритриттетрабензоат или бензоат натрия или калия. В одном варианте осуществления присадка включает в себя бензойную кислоту. В одном варианте осуществления присадка содержит аминобензойную кислоту. В одном варианте осуществления присадка содержит метил-2-гидроксиметилбензоат. В одном варианте осуществления присадка включает в себя убихинон.
В одном варианте осуществления присадка содержит карбоксилат, включающий в себя, в том числе триметил(уыс,уис)-1,3,5-циклогенсантрикарбоксилат.
В одном варианте осуществления присадка содержит бензопиран, который может включать в себя, в том числе хромен, изохромен или замещённый бензопиран.
В одном варианте осуществления присадка содержит встречающийся в природе или синтетический флавон или изофлавон, который может включать в себя, в том числе флаван
3-ол или флаванон.
В одном варианте осуществления присадка содержит салицилат, который может включать в себя, в том числе салицилат железа (III), метил-, этил-, бутил-, циннамил-, циклогексил-, этилгексил-, гептил-, изоамил-, октил-, бензил-, фенил-, р-крезол-, о-крезол-, m-крезол или салицилат натрия. В одном варианте осуществления присадка включает в себя салициловую кислоту. В одном варианте осуществления присадка включает в себя аминосалициловую кислоту.
В одном варианте осуществления присадка содержит антиоксидант. В одном варианте
осуществления антиоксидант является циклическим антиоксидантом. В одном варианте
осуществления антиоксидант представляет собой фенольный антиоксидант, который может
включать в себя, в том числе 2,6-ди-трет-бутилфенол, 2-трет-бутил-4,6-диметилфенол, 2,6-ди-
трет-бутил-4-этилфенол, 2,6-ди-трет-бутил-4-п-бутилфенол, 2,6-ди-трет-бутил-4-1 -
бутилфенол, 2,6-ди-циклопентил-4-метилфенол, 2-(а-метилциклогексил)-4,6-диметилфенол,
2,6-ди-октадецил-метилфенол, 2,4,6-три-циклогексилфенол, 2,6-ди-трет-бутил-4-
метоксиметилфенол, 2,6-ди-трет-бутил-4-метоксифенол, 2,5-ди-трет-бутил-гидрохинон, 2,5-
ди-трет-амил-гидрохинон, 2,6-дифенил-4-октадецилоксифенол, 2,2'-метилен-бис-(6-трет-
бутил-4-метилфенол), 2,2'-метилен-бис-(6-трет-бутил-4-этилфенол), 2,2'-метилен-бис-[4-
метил-6-(а-метилциклогексил)-фенол], 2,2'-метилен-бис-(4-метил-6-циклогексилфенол), 2,2'-
метилен-бис-(6-нонил-4-метилфенол), 2,2'-метилен-бис-[6-(а-метилбензил)-4-нонилфенол],
2,2'-метилен-бис-[6-(а,а-диметилбензил)-4-нонилфенол], 2,2'-метилен-бис-(4,6-ди-трет-
бутилфенол), 2,2'-этилиден-бис-(4,6-ди-трет-бутилфенол), 2,2 '-этилиден-бис-(6-трет-бутил-4-
изобутилфенол), 4,4'-метилен-бис-(2,6-ди-трет-бутилфенол), 4,4'-метилен-бис-(6-трет-бутил-
2-метилфенол), 1,1 -бис(5-трет-бутил-4-гидрокси-2-метилфенил)-бутан, 2,6-ди-(3-трет-бутил-
5-метил-2-гидроксибензил)-4-метилфенол, 1,1,3-трис-(5-трет-бутил-4-гидрокси-2-
метилфенил)-бутан и любой встречающийся в природе фенольный антиоксидант из растительного сырья, который может включать в себя, в том числе аскорбиновую кислоту, токоферол, токотриенол, розмариновую кислоту и другие фенолокислоты и флавониды, такие как найденные, например, в винограде, ягодах, маслинах, сое, чайных листьях, розмарине, базилике, орегано, корице, тмине и куркуме.
В одном варианте осуществления присадка содержит 4-винилфенол, антоцианидин или хроменилий.
В одном варианте осуществления присадка содержит циклическую аминокислоту,
которая может включать в себя, в том числе фенилаланин, триптофан или тирозин.
В одном варианте осуществления присадка содержит производное циклогексана, которое может включать в себя, в том числе 1,3-циклогексадиен или 1,4-циклогексадиен.
В одном варианте осуществления присадка содержит производное бензола, которое
может включать в себя, в том числе полифенол, бензальдегид, бензотриазол, бензил-1-
нафтилкарбонат, бензол, этилбензол, толуол, стирол, бензонитрил, фенол, фталевый
ангидрид, фталевую кислоту, терефталевую кислоту, р-толуиловую кислоту, бензойную
кислоту, аминобензойную кислоту, бензилхлорид, изоиндол, этилфталилэтилгликолят, N-
фенилбензамин, метоксибензохинон, бензилацетон, бензилиденацетон,
гексилциннамальдегид, 4-амино-2-гидрокситолуол, 3-аминофенол или ванилин.
В одном варианте осуществления производное бензола содержит бензолдиол, который может включать в себя 1,2-дигидроксибензол (катехол), 1,3-дигидроксибензол (резорцин) или 1,4-дигидроксибензол (гидрохинон).
В одном варианте осуществления присадка содержит нафтоат, включающий в себя, в том числе метил 2-метокси-1 -нафтоат или метил-З-метокси-2-нафтоат.
В одном варианте осуществления присадка содержит акрилат, включающий в себя, в том числе бензил-2-пропилакрилат или 2-нафтилметакрилат.
В одном варианте осуществления присадка содержит фталат, включающий в себя, в том числе диаллилфталат.
В одном варианте осуществления присадка содержит сукцинат, включающий в себя, в том числе бис(2-карбоксифенил)сукцинат.
В одном варианте осуществления присадка содержит карпан, включающий в себя, в том числе метил-О-метилподокарпан.
В одном варианте осуществления присадка содержит флуорофор, который может включать в себя, в том числе флуоресцеинизотиоцианат, родамин, фталоцианин или фталоцианин меди.
В одном варианте осуществления присадка содержит фармацевтический препарат, который может включать в себя, в том числе ацетилсалициловую кислоту, ацетаминофен, ибупрофен или бензодиазепин.
В одном варианте осуществления присадка содержит фосфат, который может включать в себя, в том числе крезилдифенилфосфат, дикрезилфосфат, триортокрезилфосфат, трикрезилфосфат, паракрезилфосфат, ортокрезилфосфат или метакрезилфосфат.
В одном варианте осуществления присадка содержит соединение, которое разлагается на одну или более из вышеупомянутых присадок под действием теплоты, выделяющейся при работе двигателя или механической системы, таких как определённые терпены или определённые природные ароматические или неароматические циклические сложные эфиры, кетоны или альдегиды, которые могут включать в себя, в том числе метилсалицилат (винтергреновое масло), масло из листьев/коры коричного дерева (циннамальдегид), лимонен (дипентен), пинен и камфен.
В одном варианте осуществления присадка содержит коммерческий пищевой персональный/половой смазывающий состав, включающий в себя сахарный или сахарозаменяющий амфифил.
В одном варианте осуществления присадка содержит коммерческий состав для защиты от ультрафиолетовых лучей солнечного излучения, который может включать в себя октилметоксициннамат (октиноксат), бутил-метоксидибензоилметан (B-MDM, авобензон), октил-диметил-пара-аминобензойную кислоту (OD-PABA), октокрилен, оксибензон, алкилбензоат, диэтилгексил-2,6-нафталат, фенокси-этанол, гомосалат, этилгексилтриазон, 4-метил-бензилиден-камфору (4-МВС) или полисорбат.
В одном варианте осуществления присадка содержит коммерческое средство в виде крема для кожи, которое может включать в себя, в том числе карбомер, аскорбилпальмитат, токоферилацетат, кетоконазол или минеральное масло.
В одном варианте осуществления присадка содержит коммерческое дезинфицирующее средство для рук, которое может включать в себя карбомер, токоферилацетат или пропиленгликоль.
В одном варианте осуществления присадка содержит коммерческий продукт по уходу за волосами человека или шерстью животного, который может включать в себя бензофенон, алкилбензоат, феноксиэтанол, сорбитанолеат, сополимер стирола, пропиленгликоль, гидроксиизогексил-3-циклогексенкарбальдегид, бутилированный гидрокситолуол, кетоконазол, вазелин, минеральное масло или жидкий парафин.
В одном варианте осуществления коммерческий продукт ухода за волосами представляет собой раствор для завивки или распрямления волос, который может включать в себя карбомер, гексилциннамаль, бензилсалицилат, троламинсалицилат, бензилбензоат, лимонен, эвгенол, 1,3-бис(гидроксиметил)-5,5-диметил-имидазолин-2,4-дион (DMDM гидантоин), пара-аминобензойную кислоту (РАВА), 2-этилгексил-4-диметиламинобензоат
(падимат О), бутилфенилметилпропиональ, пропилпарабен, фенолсульфонфталеин (PSP, фенол красный) или полисорбат.
В одном варианте осуществления присадка содержит коммерческий красящий состав для волос, который может включать в себя тригидрооксид железа (Fe(OH)3), пара-фенилендиамин, орто-, мета- или парааминофенол, 4-амино-2-гидрокситолуол, тридецет-2-карбоксамид МЕА, фенилметилпиразолон, феноксиэтанол, поликватерниум, гексилциннамаль, бутилфенилметилпропиональ, фенолсульфонфталеин (PSP, фенол красный), гидроксиизогексил-3-циклогексенкарбальдегид, диоксид титана или оксид железа.
В одном варианте осуществления присадка содержит коммерческий пестицид, который может включать в себя, в том числе орто-фенилфенол (ОРР), фенилгидрохинон (PHQ) или фенилбензохинон (PBQ).
В одном варианте осуществления присадка содержит соединение с двумерной структурой, которое может включать в себя, в том числе лигнин, графен или оксид графена.
В одном варианте осуществления присадка содержит форму угля, которая может включать в себя, в том числе торф, лигнит, битуминозный уголь, полубитуминозный уголь, угольную пыль, наноуголь, паровичный уголь, кеннельский уголь, антрацит, древесный уголь, газовую сажу, активированный древесный уголь, чёрный щёлок, графит, графен, оксид графена или сахарный полукокс. В одном варианте осуществления эта форма угля служит в качестве теплоносителя в смазывающем составе.
В одном варианте осуществления форма углерода содержит нанопорошок. В одном варианте осуществления форма углерода имеет увеличенную площадь поверхности. В одном варианте осуществления форма углерода содержит наноактивированный древесный уголь. Наноактивированный древесный уголь может содержать частицы активированного древесного угля, который был получен из обычного активированного древесного угля в результате размалывания до размера наночастицы. Размалывание активированного древесного угля можно осуществлять с использованием любого обычного способа получения наноразмерных частиц. В одном варианте осуществления активированный древесный уголь размалывают с использованием известных способов размалывания твёрдых веществ до размеров субмикронных частиц методами мокрого или сухого наноизмельчения. В одном варианте осуществления средний размер частиц наноактивированного древесного угля составляет меньше, чем ~ 100 нм. В одном варианте осуществления размер практически всех частиц составляет меньше, чем ~ 100 нм. В каком-то одном варианте осуществления средний
размер частиц наноактивированного древесного угля составляет, чем ~ 50 нм. В одном варианте осуществления практически все частицы имеют размер меньше, чем ~ 50 нм.
В одном варианте осуществления форма углерода содержит графитовый углерод. В одном варианте осуществления графитовый углерод содержит, по меньшей мере, один РАН, который может включать в себя, в том числе нафталин, аценафтилен, аценафтен, фтор, фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен, бензо[а]антрацен, хризен, бензо[Ь]флуорантен, бензо[к]флуорантен, бензо [j] флуорантен, бензо [а] пирен, бензо[е]пирен, дибенз[а,Ь]антрацен, бензо[§,ЬД]перилен, индено[1,2,3-с,ё]пирен, тетрацен, коронен, коранулен, пентацен, трифенилен и овален.
В одном варианте осуществления форма углерода содержит биоуголь или биоугольный продукт процесса гидротермальной карбонизации.
В одном варианте осуществления присадка обеспечивает в системе смазки те же преимущества, что и трикрезилфосфат (TCP). TCP считают канцерогенным веществом и фактором аэротоксического синдрома, и его использование постепенно сокращается во многих системах смазки.
В некоторых вариантах осуществления присадка содержит "грязную" или плохо очищенную форму минеральное масла с высокими уровнями загрязнения РАН. Белое минеральное масло промышленного производства включает в себя очень низкие уровни углеводородов РАН, которые подлежат фактически полному удалению для продажи минерального масла в качестве "USP" (United States Pharmacopoeia) или "пищевого сорта". В одном варианте осуществления отделённые отходы минеральных масел от этих процессов (имеющие самые высокие концентрации углеводородов РАН) используются в необработанном виде и непосредственно в качестве присадок или в комбинации с другими присадками. Компонент белого минерального масла в этом отходе производства служит в качестве смачивающего агента в смазывающем составе, а углеводороды РАН служат в качестве теплоносителя и источника графитового углерода при образовании наночастиц SGAN и SGAN-содержащих микросферных агломератов.
В одном варианте осуществления присадка содержит совместитель. Совместитель в контексте данного документа означает соединение, которое способствует дипергированию источника углерода в смазочном масле или смазывающем составе. В некоторых вариантах осуществления совместитель является амфифилом. В некоторых вариантах осуществления совместитель содержит поверхностно-активное вещество. В некоторых вариантах
осуществления совместитель содержит липид. В некоторых вариантах осуществления совместитель содержит полимер. В некоторых вариантах осуществления совместитель также служит в качестве источника углерода.
В некоторых вариантах осуществления совместитель содержит сахарный амфифил. Сахарный амфифил или сахароподобный амфифил может быть любой молекулой с гидрофильным сахарным звеном и гидрофобным звеном, включающим в себя, в том числе амфифилы, описанные учёными Fenimore ("Interfacial Self-assembly of Sugar-based Amphiphiles: Solid- and Liquid-core Capsules", University of Cincinnati Ph.D. thesis dated October 16, 2009), Jadhav et al. ("Sugar-Derived Phase-Selective Molecular Gelators as Model Solidifiers for Oil Spills", Angew. Chem. Int. Ed., Vol. 49, pp. 7695-7698, 2010), Jung et al. ("Self-Assembling Structures of Long-Chain Sugar-Based Amphiphiles Influenced by the Introduction of Double Bonds", Chem. Eur. J., Vol. 11, pp. 5538-5544, 2005), Paleta et al. ("Novel amphiphilic fluoroalkylated derivatives of xylitol, D-glucose and D-galactose for medical applications: hemocompatibility and co-emulsifying properties", Carbohydrate Research, Vol. 337, pp. 24112418, 2002), Germaneau ("Amphiphilic Sugar Metal CarbeHs: From Fischer Type to N-Heterocyclic CarbeHS (NHCs)", Rheinische Friederich-Wilhems- Universitat Bonn Ph.D. thesis, 2007) и Ye et al. ("Synthesis of Sugar-Containing Amphiphiles for Liquid and Supercritical Carbon Dioxide", Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 39, pp. 4564-4566, 2000). Сахарные амфифилы могут также включать в себя, в том числе софоролипиды (Zhang et al., "Synthesis and interfacial properties of sophorolipid derivatives", Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, Vol. 240, pp. 7582, 2004) или рамнолипиды (Christova et ah, "Rhamnolipid Biosurfactants Produced by Renibacterium salmoninarum 27BN During Growth on n- Hexadecane", Zeitschrift fur Naturforschung Teil С Biochemie Biophysik Biologie Virologie, Vol. 59, pp. 70-74, 2004).
В одном варианте осуществления совместитель содержит несахарный амфифил, стимулирующий образование графена. Амфифил, стимулирующий образование графена, может быть любой молекулой с гидрофильным звеном, стимулирующим образование графена, и гидрофобным звеном, который может включать в себя, в том числе цетилтриметиламмонийбромид или амфифилы, продаваемые Dow Chemical Company (Midland, Michigan, United States) под товарными знаками TRITON(tm) или TERGITOL(tm), включющими в себя, в том числе серии TRITON(tm) X этоксилатов октилфенолов и серии TERGITOL(tm) NP этоксилатов нонилфенолов. В некоторых вариантах осуществления амфифил, стимулирующий образование графена, является неионным амфифилом.
Амфифилы, стимулирующие образование графена, могут также содержать, в том числе глицеринмоностеарат и неоксифенольное поверхностно-активное вещество.
В одном варианте осуществления совместитель содержит полиэтиленгликоль.
В одном варианте совместитель используют в комбинации с присадкой с частицами. В одном варианте осуществления совместитель стимулирует растворение присадки с частицами в базовом смазочном масле.
В одном варианте осуществления присадка содержит оксид металла, который может содержать, в том числе оксид железа, оксид алюминия, оксид меди, оксид никеля, оксид титана и оксид свинца.
В одном варианте осуществления присадка содержит форму железа. В некоторых системах смазки, таких как многие турбины реактивных двигателей, железо изначально присутствует в системе в небольших количествах или отсутствует вовсе. Однако считают, что углеродинкапсулированные частицы железа, образованные in situ, обеспечат нанополирующую способность смазывающим составам согласно изобретению. Поэтому в одном варианте осуществления в смазывающую жидкость добавляют железосодержащую присадку.
В одном варианте осуществления железосодержащая присадка содержит оксид железа. В одном варианте осуществления - оксид железа в форме порошкового пигмента оксида железа BayFerrox(r) (Lanxess, Cologne, Germany). В одном варианте осуществления железосодержащая присадка содержит нанопорошок оксида железа. В одном варианте осуществления источник железа содержит молекулу комплекса железа. В одном варианте осуществления присадка содержит циклическое железосодержащее соединение, включающее в себя, в том числе (п -транс-циклооктен)2ре(СО)з; трикарбонил (бензилиденацетон)железа, энтерохелин железа(Ш), трикарбонилбис[(1,2-п)-циклооктен]железо, циклооктан-1,2-диид железа(4+) - моноксид углерода, феррат(-1) натрия; бис(3-(4,5-дигидро-4-((2-гидрокси-5-нитрофенил)азо)-3-метил-5-оксо-1 Н-пиразол-1 -ил)бензол-1 -сульфонамидато(2-))феррат(1-) натрия ; ферритин; (4Hmio-l,3-C4H8-S2)Fe(CO)4; 2,4-динитролбензол-1,3-диол железа; фталоцианин железа; ферроцен; бензоат железа(Ш), салицилат железа(Ш), циклические ферраты или протеинсукцинилат железа.
В одном варианте осуществления присадка содержит ациклическое железосодержащее соединение, включающее в себя, в том числе нонакарбонил дижелеза, пентакарбонил железа, ациклические ферраты, жидкое железо, оксалат железа, тригидроксид железа (Ре(ОН)з) или железосодержащую пищевую добавку. В одном варианте осуществления железосодержащая
пищевая добавка содержит карбонильное железо. В одном варианте осуществления железосодержащий комплекс является катехолатным комплексом железа.
В одном варианте осуществления присадка содержит сидерофор, который может включать в себя, в том числе 2,3-дигидроксибензойную кислоту (2,3'-DHB), N,N',N"-((3S, 7S, 1 lS)-2,6,10-триоксо-1,5,9-триоксациклододекан-3,7,11 -триил)трис(2,3-дигидроксибензамид) (энеробактин) или 2,4-дигидроксибензойную кислоту (2,4'-DHB).
В одном варианте осуществления присадка содержит антигельминтик, включающий в себя, в том числе 2-дезокси-парагерквиамид (PHQ).
В одном варианте осуществления присадка содержит вещество-предшественник ароматической аминокислоты, включающее в себя, в том числе (3R,4R)-3-[(l-карбоксивини л)окси] -4-гидроксициклогекса-1,5 -диен-1 -карбоновую кислоту (хоризмовую кислоту).
В одном варианте осуществления присадка содержит молекулу с возможностью отделения железа, которая может включать в себя, в том числе этилендиаминтетрауксусную кислоту, 2-аминофенол (см. Pulgarin et al., "Iron Oxide-Mediated Degradation, Photodegradation, and Biodegradation of Aminophenols", Langmuir, Vol. 11 , pp. 519-526, 1995 и Andreozzi et al., 'Tron(III) (hydr)oxide-mediated photooxidation of 2-aminophenol in aqueous solution: a kinetic study", Water Research, Vol. 37, pp. 3682-3688, 2003) или тетрафенилоксо-металлпорфирины.
В одном варианте осуществления присадка содержит наноалмаз, который, как предполагают, служит в качестве зародышеобразующей сердцевины наночастиц или микрочастиц, включающих в себя графитовый углерод, образуемый in situ в смазывающем составе.
Пиролитический синтез ex situ наночастиц SGAN и SGAN-содержащих агломератов также обеспечивает использование таких молекул в приложениях, не связанных со смазыванием. В одном варианте осуществления частицы или агломераты могут быть нанесены на поверхность материала в качестве покрытия для упрочнения материала или повышения теплозащиты или теплопоглощения материала. В одном варианте осуществления покрытие может быть теплоизоляционным покрытием, покрытием для защиты мест сверления или покрытием для защиты от высокотемпературного воздействия. В одном варианте осуществления материал может быть баллистическим снарядом, который может включать в себя, в том числе пули и реактивные снаряды. В одном варианте осуществления материал может быть антибаллистическим устройством, включающим в себя, в том числе
танковую броню или индивидуальную бронезащиту, включающую в себя, в том числе пуленепробиваемые жилеты или пластины. В одном варианте осуществления материал может быть инструментом, включающим в себя, в том числе резец, устройство прокладки туннелей, абразивную политуру, абразивную бумагу или бурильное устройство. В одном варианте осуществления материал может быть тепловым экраном, таким как теплозащитная панель, носовой конус или конус ракетного двигателя космического корабля для обеспечения возврата в атмосферу. В одном варианте осуществления частицы или агломераты могут быть комбинированы с материалом для образования композитного материала большей прочности или с более высокими теплозащитными или теплопоглощающими свойствами, чем у самого базового материала. В некоторых вариантах осуществления материал может быть шиной, огнезащитой, противопожарным инвентарём или противопожарным снаряжением.
В одном варианте осуществления наночастицы SGAN или SGAN-содержащие агломераты согласно изобретению могут быть использованы в электрохимических системах. В одном варианте осуществления наночастицы SGAN или SGAN-содержащие агломераты согласно изобретению могут быть использованы в качестве нанобатарей для хранения электрического заряда.
Результаты тестов
Несколько смазывающих составов, включающих в себя жертвенные источники углерода со структурами, которые, как ожидается, стимулируют образование графитового углерода в условиях работы двигателя, были подвергнуты тестированию на ряде мотороллеров или моторизованных велосипедов-внедорожников. Целью проведения этих тестов являлось тестирование эффективности составов в двигателях внутреннего сгорания малого объёма - двигателях такого размера и конфигурации, в которых положительные сдвиги в уменьшении трения будут достаточно очевидны для механика или оператора без использования внешнего динамометра для измерения изменений.
Тест 7
Обычное моторное масло Valvoline(r) (Ashland Inc., Lexington, Kentucky, United States) 10W-40 плохо работающего мотороллера 1999 Honda Elite 80 (Model CH80) (Honda de Mexico, S.A. de C.V., Guadalajara, Jalisco - Mexico) с пробегом 8850 миль было заменено смазывающим составом согласно изобретению. До добавления смазывающего состава двигатель мотороллера поддерживал только холостой ход. При тестировании мотороллер начал движение, но вскоре после этого остановился. Максимальная скорость мотороллера по
прибору при движении составила приблизительно 30 миль/час.
Тестировавшийся смазывающий состав включал в себя несколько сотен миллиграммов Whole Foods Market (Austin, Texas, United States) Organic Powdered Sugar (порошкообразной сахарозы и тапиоки), смешанных с маслом Walgreens (Deerfield, Illinois, United States) Intestinal Lubricant (минеральным маслом USP), подмешанным к полусинтетическому моторному маслу Motul (Aubervilliers, France). Вследствие большого содержания сахара, суспендированного в растворе, смазывающий состава имел непрозрачный внешний вид.
После добавления смазывающего состава в мотороллер двигатель был запущен и мог затем поддерживать холостой ход. Сразу после этого мотороллер был приведён в движение для тест-райда с целью оценки характеристик. Было установлено, что смазывающий состав позволил почти немедленно увеличить максимальную скорость мотороллера по прибору 30 до 35 миль/час. Было также отмечено чёткое отличие в звуке двигателя, проявившееся в том, что при использовании смазывающего состава двигатель начал работать более ровно и тихо. После тест-райда при появлении эпоксиподобного запаха в масле смазывающий состав был слит из двигателя. Этот характерный эпоксиподобный запах, как ожидалось и как полагают, указывает на наличие в масле веществ-предшественников эпокси-типа, образовавшихся в результате неполного пиролиза некоторых из оставшихся молекул сахара в смазывающем составе.
Тест 8
Другой смазывающий состав, тестировавшийся на том же мотороллере 1999 Honda Elite 80 (Model СН80) (Honda de Mexico, S.A. de C.V., Guadalajara, Jalisco - Mexico), состоял из отдельного сервировочного пакетика (один грамм) подсластителя Sweet'n Low(r) (Cumberland Packing Corp., Brooklyn, New York, United States) нулевой калорийности (содержащего декстрозу, сахарин, винный камень и силикат кальция) в нескольких миллилитрах природного очистителя и обезжиривателя CitraSolv(r) (Danbury, Connecticut, United States) (источника d-лимонена), который был затем комбинирован с обычным моторным маслом Valvoline(r) (Ashland Inc., Lexington, Kentucky, United States) 10W-40.
На сахаринсодержащем смазывающем составе мотороллер работал точно так же, как и на сахаросодержащем смазывающем составе, описанном выше. После тестирования этот смазывающий состав был слит из мотороллера, при этом было отмечено небольшое количество видимых частиц. Слитое масло было ничем непримечательно, за исключением сильного запаха цитрусовых от лимоненсодержащего очистителя и обезжиривателя CitraSolv(r).
Тест 9
На том же мотороллере 1999 Honda Elite 80 (Honda de Mexico, S.A. de C.V., Guadalajara, Jalisco - Mexico) был подвергнут тестированию ещё один смазывающий состав, который включал в себя Whole Foods Market (Austin, Texas, United States) Organic Powdered Sugar (порошкообразную сахарозу и тапиоку), смешанные с активированным древесным углём, в качестве присадки к обычному моторному маслу Valvoline(r) (Ashland Inc., Lexington, Kentucky, United States) 10W-40.
По данным Material Safety Data Sheet (паспорта безопасности) на моторное масло Valvoline(r) это масло имеет температуру вспышки 204 °С (399,2 °F) и температуру кипения 299 °С (570,2 °F). Нормальная рабочая температура головки цилиндров двигателя с воздушным охлаждением по данным измерений составляет ~ 80 °С (176 °F).
Во время проведения теста капот двигателя видоизменили так, что полностью заблокировал весь воздушный поток от вентилятора до головки цилиндров. Это означало, что с запуском двигателя воздух, окружающий головку цилиндров, захватывался в ловушку и начинал нагреваться. Мониторинг за ростом температуры головки цилиндров проводился с помощью бесконтактного инфракрасного термометра с лазерным наведением Cen-Tech (Zhangzhou Eastern Intelligent Meter Co. Ltd., Zhangzhou, Fujian, China) 96451.
Двигатель работал в этом состоянии, пока температура головки цилиндров по данным измерений не достигла температуры приблизительно 225 °С (437 °F). При этой температуре наблюдался дым, выходящий из картера воздушного клапана и, как было замечено, началось плавление пластикового капота вокруг двигателя. В этом состоянии и при этой температуре двигатель был снова запущен в режиме WOT (широко открытого дросселя), и двигатель продолжил работать без заедания. Через некоторое время после этого двигатель был выключен, и ему дали остыть. Затем был проведён тест-райд мотороллера на несколько миль, в течение которого наблюдалась идеально ровная работа двигателя без заметного снижения производительности.
Тест 10
В ещё одном смазывающем составе ~ 200 мл масла из косточек плодов абрикоса (источника амигдалина) Whole Foods Market, LP (Austin, Texas, United States) было комбинировано с ~ 500 мл обычного моторного масла Valvoline(r) (Ashland Inc., Lexington, Kentucky, United States) 10W-40. Этот смазывающий состав был помещён в мотороллер 2011 JMStar (Shanghai JMStar Motorcycle Co., Ltd., Shanghai, China) с пробегом 125 миль,
снабжённый двигателем типа GY6 с рабочим объёмом 150 кубических сантиметров.
Несмотря на отсутствие по данным измерений какого-либо заметного увеличения указанной максимальной скорости мотоцикла во время тест-райда, при использовании смазывающего состава звук двигателя стал качественно лучше и ровнее, чем при одном только обычном масле.
Тест 11
В другом смазывающем составе несколько унций сиропа Roddenberry's Cane Patch Invert Sugar Сапе Syrup (Bay Valley Foods, LLC, Green Bay, Wisconsin, United States) и ~ 100 мл масла Marvel(r) Mystery Oil (Turtle Wax, Inc., Westmont, Illinois, United States) (источника нафтенового углерода) были комбинированы с обычным моторным маслом Valvoline(r) (Ashland Inc., Lexington, Kentucky, United States) 10W-40. Этот смазывающий состав был помещён в моторизованный велосипед-внедорожник Baja Motor Sports (Phoenix, Arizona, United States) Dirt Runner с рабочим объёмом двигателя 125 кубических сантиметров.
До теста двигатель велосипеда-внедорожника запускался, но не особенно хорошо. После того, как смазывающий состав был добавлен в двигатель, звук двигателя стал качественно лучше и ровнее, чем при обычном масле. По завершении тест-райда с целью оценки характеристик масло было слито из двигателя велосипеда-внедорожника, и был снова отмечен ожидаемый характерный эпоксиподобный запах, указывающий на наличие в смазочном масле фенольной смолы/веществ-предшественников эпокси-типа.
Тест 12
В другом смазывающем составе приблизительно 50 мл бензилбензоата Spectrum(r) (Spectrum Chemical Mfg. Corp., New Brunswick, New Jersey, United States) класса USP было смешано с 50 мл абсолютно биоразлагаемого моторного масла 5W-30 G-Oil(r) (Green Earth Technologies, Celebration, Florida, United States), не приносящего вреда окружающей среде, -моторного масла на основе обычного жира. Приблизительно 100 мл смазывающего состава было затем добавлено к имеющемуся моторному маслу в мотороллер 2011 JMStar (Shanghai JMStar Motorcycle Co., Ltd., Shanghai, China) с пробегом 125 миль, снабжённый двигателем типа GY6 с рабочим объёмом 150 кубических сантиметров. По качеству этот смазывающий состав оказался лучшим из всех протестированных составов.
После добавления смазывающего состава наблюдалось существенное изменение шума двигателя, а позже было отмечено увеличение максимальных оборотов двигателя на 1000 оборотов в минуту - примерно с 10000 оборотов в минуту до 11000 оборотов в минуту.
Тест 13
В другом смазывающем составе приблизительно 20 капель масла Aura Cacia Organic Cinnamon Leaf Oil (Frontier Natural Products Co-Op, Norway, Iowa, United States) (источника метилциннамата) и приблизительно 10 мл смазки Walgreens (Deerfield, Illinois, United States) Intestinal Lubricant (минерального масла USP) были комбинированы с ~ 200 мл абсолютно биоразлагаемого моторного масла 5W-30 G-Oil(r) (Green Earth Technologies, Celebration, Florida, United States), не приносящего вреда окружающей среде. Этот смазывающий состав был помещён в моторизованный велосипед-внедорожник Baja Motor Sports (Phoenix, Arizona, United States) Dirt Runner с рабочим объёмом двигателя 125 кубических сантиметров. Этот смазывающий состав проявил себя точно так же, как и предыдущий смазывающий состав с бензилбензоатом, несмотря на то, что во время работы отмечался резкий запах, подобный запаху корицы.
Тест 14
В другом смазывающем составе приблизительно 100 мл смеси бензилбензоата Spectrum(r) (Spectrum Chemical Mfg. Corp., New Brunswick, New Jersey, United States) класса USP, смазки Walgreens (Deerfield, Illinois, United States) Intestinal Lubricant (минерального масла USP) и кондиционера Lucas Automatic Transmission Fluid Conditioner (Lucas Oil Products, Inc., Corona, California, United States) (источника антиоксиданта) было добавлено в базовое моторное масло нового мотоцикла (с пробегом 2 мили), снабжённого двигателем с объёмом 50 кубических сантиметров, модели GMW-M2 (Taizhou Zhongneng Motorcycle Company, Ltd., Taizhou, China) с модифицированными трансмиссией и выхлопной системой. Было отмечено почти мгновенное увеличение мощности двигателя, а максимальная скорость мотоцикла почти мгновенно возросла с 33 до 39 миль/час, то есть на 18%.
Тест 15
В другом смазывающем составе композиция, содержащая три кварты (2,839 л) ZDDP-содержащего высококачественного синтетического моторного масла для мотоциклов, смешанного приблизительно с одной квартой (946 мл) смеси, содержащей оригинальную рецептуру Marvel Mystery Oil (Turtle Wax, Inc., Westmont, Illinois, United States), стабилизатор Lucas Synthetic Oil Stabilizer (Lucas Oil Products, Inc., Corona, California, United States), кондиционер Lucas Automatic Transmission Fluid Conditioner (Lucas Oil Products, Inc., Corona, California, United States) и zMAX(r) (Oil-Chem Research Corporation, Bedford Park, Illinois, United States) в объёмном соотношении приблизительно 60 : 17 : 70 : 30, была использована
для замены имеющегося моторного масла в тестовом мотоцикле 1999 Yamaha Rl (Yamaha Motor Co., Ltd., Iwata, Japan) с объёмом двигателя 1000 кубических сантиметров. Испытание работы двигателя на этой композиции было выполнено с использованием динамометра Dynojet 250i (Dynojet Research Inc., Las Vegas, Nevada, United States) для измерения выходной мощности и выходного крутящего момента на заднем колесе тестового мотоцикла как спустя 10 минут после замены масла, так повторно спустя одну неделю после замены масла. Сводка результатов динамометрических тестов для этих двух тестовых пробегов представлена в таблице 2(a) и таблице 2(b):
Таблица 2(a)
Результаты динамометрических тестов - максимальная выходная мощность
Результаты динамометрических тестов - максимальный измеренный прирост
Выходная мощность
Спустя 10 минут
Спустя одну неделю
Мощность в л.с. при
12,96
107,90
скорости 7500 об/мин
Как можно видеть в таблице 2(a), при 10-минутном тесте наблюдается увеличение выходной мощности приблизительно на 1 лошадиную силу по мощности в л.с. и приблизительно на 1 фут/фунт по вращающему моменту по сравнению с мощностью в л.с. и вращающим моментом, ранее измеренными на мотоцикле с использованием другого коммерчески доступного высококачественного моторного масла для мотоциклов. Ещё более значительный эффект от нового смазочного состава наблюдался после 7 дней использования. При последующем 1-недельном тесте наблюдалось дополнительное увеличение зарегистрированной выходной мощности в л.с. и зарегистрированного выходного вращающего момента на 3-4% относительно 10-минутных тестовых значений. В частности, зарегистрированная мощность в л.с. увеличилась приблизительно на 3-5 л.с. по всему диапазону тестированных скоростей вращения вала двигателя (4500-11000 об\мин). Как видно из таблицы 2(b), выходная мощность в л.с. 102,96 была измерена при скорости 7500 об\мин во время 10-минутного теста, по сравнению с выходной мощностью в л.с. 107,90,
измеренной при скорости 7500 об\мин во время последующего 1-недельного теста. Максимальный вращающий момент увеличился от приблизительно 74,04 при 10-минутном тесте до приблизительно 75,3 фут/фунт при 1-недельном тесте. Тест 16
В другом смазывающем составе приблизительно три-четыре унции (85-113,4 г) смеси из оригинальной рецептуры Marvel Mystery Oil (Turtle Wax, Inc., Westmont, Illinois, United States), стабилизатора Lucas Synthetic Oil Stabilizer (Lucas Oil Products, Inc., Corona, California, United States), кондиционера Lucas Automatic Transmission Fluid Conditioner (Lucas Oil Products, Inc., Corona, California, United States) и zMAX(r) (Oil-Chem Research Corporation, Bedford Park, Illinois, United States) было комбинировано с маслом Marvel Air Tool Oil (Turtle Wax, Inc., Westmont, Illinois, United States) в объёмном соотношении приблизительно 12:3: 14 : 10 : 9 и затем добавлено в имеющееся смазочное моторное масло тестового автомобиля 2006 Audi А4 с турбодвигателем на 2,0 литра (Audi AG, Ingolstadt, Germany), что позволило в результате получить феноменальные характеристики и экономию топлива. Этот комплекс присадок, а также аналогичные концентрированные композиции присадок можно добавлять непосредственно в моторное масло, уже имеющееся в транспортном средстве, для улучшения характеристики двигателя без необходимости замены имеющегося моторного масла.
Тест 17
В ещё одном смазывающем составе концентрированный комплекс присадок, не предназначенный для влияния на характеристики любого имеющегося базового моторного масла или его присадок, был получен при использовании приблизительно одной кварты (946 мл) смеси из оригинальной рецептуры Marvel Mystery Oil (Turtle Wax, Inc., Westmont, Illinois, United States), стабилизатора Lucas Synthetic Oil Stabilizer (Lucas Oil Products, Inc., Corona, California, United States), кондиционера Lucas Automatic Transmission Fluid Conditioner (Lucas Oil Products, Inc., Corona, California, United States) и масла Marvel Air Tool Oil (Turtle Wax, Inc., Westmont, Illinois, United States) в объёмном соотношении приблизительно 12:3:14:16.
Этот концентрированный комплекс присадок был добавлен к высококачественному не содержащему ZDDP синтетическому моторному маслу и ввёден в турбодвигатель на 2,0 литра тестового автомобиля 2006 Audi А4 (Audi AG, Ingolstadt, Germany), что позволило в результате получить феноменальные характеристики и экономию топлива. Этот комплекс присадок, а также аналогичные концентрированные композиции присадок можно добавлять непосредственно в моторное масло, уже имеющееся в транспортном средстве, для улучшения
характеристики двигателя без необходимости замены имеющегося моторного масла.
Экспериментальные наблюдения по смазывающим составам для тестов 16 и 17 Впоследствии металлические компоненты двигателя тестового автомобиля Audi А4 (Audi AG, Ingolstadt, Germany) были извлечены и подвергнуты неразрушающим научным анализам. В этом случае механически обработанные стальной толкатель клапана распределительного вала и стопорное кольцо толкателя кулачка были извлечены из тестового автомобиля после 150000 миль использования с различными вариантами смазывающего состава. Согласно производителю эти детали выполнены из нержавеющей стали. Результаты этих анализов приведены ниже.
Первым из научных анализов компонентов двигателя был анализ шероховатости поверхности с использованием интерферометра NewView(tm) 7300 (Zygo(r) Corporation, Middlefield, Connecticut, United States) белого цвета для оптического профилирования поверхностей. С использованием этого интерферометра были проведены оценка и сравнение поверхностей трения и нетрущихся поверхностей извлечённого толкателя кулачка. Были определены среднее арифметическое значение (Ra), разность между максимальным и минимальным значениями (PV) и среднеквадратическое значение (RMS) средней шероховатости поверхности. Сводка результатов и полученные данные представлены на фиг. 20, фиг. 21 и в таблице 3.
Таблица 3
Результаты оптического профилирования поверхностей
Блок толкателя к\лачка
Средняя шероховатость (К,,, нм)
PV (мкм)
К MS (нм)
Исходная/неизношенная
221,6
2,27
284,51
поверхность
Полированная/поверхность
3,44
0,11
5,51
трения
Как можно видеть, использование композиций согласно настоящему изобретению позволило достичь увеличения величины гладкости поверхности почти на два порядка. Средняя шероховатость поверхности (Ra) была снижена с минимального исходного значения, по меньшей мере, Ra = 221,6 нм до измеренного конечного значения Ra = 3,44 нм.
Фиг. 20 показывает, что для неизнашивающейся поверхности, которая не вступает в повторяющийся плотный контакт со стенками головки цилиндров во время работы автомобиля, измеренное значение Ra составило 221,6 нм, что является типичным для такой детали двигателя в автомобиле высокого качества (при средних допусках для толкателя
кулачка автомобиля Ra = 300-400 нм). Графическое изображение в нижнем левом квадранте на фиг. 20 показывает, что можно считать оценкой приближённых измерений начальной шероховатости поверхности для оцениваемого блока толкателя кулачка, то есть его оценочным относительным условием после сборки двигателя тестового автомобиля.
А фиг. 21 показывает, что для изнашивающейся поверхности, которая находится в постоянном фрикционном контакте со стенками головки цилиндров во время работы двигателя, измеренное значение Ra составило 3,44 нм, что по величине почти на два порядка ниже, чем измеренная шероховатость неизнашивающейся поверхности, которая указывает на приближённое оценочное исходное состояние толкателя кулачка во время производства и сборки двигателя. Исходные неровности машинной обработки, наблюдаемые на фиг. 20, ориентированы перпендикулярно неровностям, наблюдаемым на фиг. 21, что указывает на то, что исходные неровности машинной обработки на изнашивающейся поверхности были полностью удалены в определённый момент в процессе полировки.
Эти данные указывают на то, что изнашивающаяся поверхность толкателя кулачка была подвергнута суперполировке во время работы двигателя. В то время как при строго контролируемых лабораторных условиях суперполировка поверхностей материалов, таких как плавленый кварц, кремний и карбид кремния, возможна со снижением значения Ra шероховатости поверхности до 0,4 нм, полированные металлические поверхности, обычно имеют намного более высокое значение Ra> оцениваемое в интервале значений сотен нанометров. Учёные Liu et al. {SIMTech Technical Reports, Vol. 8, No. 3, pp. 142-148, Jul-Sept. 2007) сообщают о двухэтапном процессе суперполировки, позволяющем получать (в лабораторных условиях) вставку пресс-формы для линзы из нержавеющей стали со значением Ra шероховатости поверхности 8,5 нм.
Поскольку два куска металла в контакте не могут создавать поверхности с гладкостью, наблюдаемой на фиг. 21, без полирующего агента, то изнашивающиеся поверхности толкателя кулачка были подвергнуты дополнительному тестированию с целью определения полирующего агента в смазывающем составе, позволяющего получать поверхность такой гладкости, как и поверхность, полученная в тесте согласно изобретению. Изнашивающаяся поверхность толкателя кулачка обычно бывает выполнена из поверхностно-упрочнённой стали, а полирующие агенты из наночастиц, одна из которых именуется в данном документе как SGAN, для обеспечения возможности полировки поверхности, как ожидают, будут более твёрдыми, чем полируемые поверхности. Двумерная топология изнашивающейся
поверхности на фиг. 21 демонстрирует ряд круговых элементов в диапазоне размеров от одного до двух нанометров по диаметру, что находится в масштабе ожидаемого размера SGAN или других абразивных наночастиц, которые были бы необходимы для достижения такого низкого значения Ra шероховатости поверхности.
Неизнашивающаяся поверхность стопорного кольца толкателя кулачка была изучена с использованием микроскопа Philips(r) ТЕМ (FEI(tm) Company, Hillsboro, Oregon, United States), использующего программное обеспечение EDAX(r) Genesis(tm) версии 4.61 (AMATEK(r) Inc., Mahwah, New Jersey, United States) и платформу Scandium Imaging Platform. Полученные электронно-микроскопические изображения поверхностей толкателя кулачка представлены на фиг. 22-41. Данные сопутствующего элементного анализа по методу энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) для четырёх поверхностей показали только углерод, кислород и железо в массовых (мае. %) и атомных (ат. %) процентах, приведённых в таблице 4(a) для областей в чёрных ячейках, являющихся областями взятия образца соответственно на фиг. 22-25, за исключением области на фиг. 22, которая показала следы ( < 1 ат. %) калия и хрома. Изображения демонстрируют сфероидные структуры на неизнашивающейся поверхности с диаметрами в интервале значений-2-3 мкм.
Таблица 4(a)
Данные предварительного элементного анализа
На фиг. 26-37 представлены дополнительные SEM-изображения поверхности стопорного кольца толкателя кулачка. На фиг. 29-37 шкала расстояний "Mm" на фигурах показана фактически в микрометрах. Во время процесса смазки эти большие структуры разрушаются на наноструктуры меньшего размера.
Поскольку области взятия образца на фиг. 22-25 показали варьирующиеся соотношения углерода, кислорода и железа, то для определения гомогенности или негомогенности структур последующие эксперименты проводили с взятием образцов с других областей той же структуры. На фиг. 38А-С, фиг. 39A-G и фиг. 40А-С представлены
структуры с областями в чёрных ячейках, являющимися областями взятия образца.
Данные элементного анализа первого сфероида
На фиг. 38А, 38В и 38С показаны три различные области взятия образца с одного большого сфероида - диаметром ~2 мкм. Как показано в таблице 4(b), были обнаружены только углерод, кислород и железо. На фиг. 38А в качестве образца был взят средний участок большей части поверхности, а на фиг. 38В образец брали с поверхности участка меньшего размера и были получены подобные результаты. И наконец, как показано фиг. 38С, образец был взят с небольшого выступа, отходящего от нижней части сфероида. Количество железа в этом небольшом выступе почти десять раз превышало количество железа в двух других областях взятия образца.
Таблица 4(c)
Данные элементного анализа кристаллических структур
Область взятия образца
(мае.0о)
(мае." о)
С а (мае." о)
1 е
(мае.0 о)
(ат.%)
О (ат.%)
(а (мас."о)
1-е (ат.%)
Фиг. 39А
62,25
26,50
8,62
1,17
72,83
23,28
3,02
0,30
Фиг. 39В
68,72
20,30
6,81
1,74
78,81
17,48
2,34
0,43
Фиг. 398С
52,37
5,33,
1,91
38,83
79,56
6,08
0,87
12,69
Фиг. 39D
83,38
8,94
3,94
0,74
90,19
7,26
1,28
0,17
Фиг. 39Е
81,26
5,92
7,92
Данных нет
90,55
4,95
2,65
Данных нет
Фиг. 39F
75,62
8,54
10,89
1,75
87,17
7,39
3,76
0,43
Фиг. 39G
84,67
8,96
3,62
1,07
90,77
7,21
1,16
0,25
Фиг. 41
85,31
12,10
Данных нет
2,59
89,84
9,57
Данных нет
0,59
На фиг. 39А, 39В, 39С, 39D, 39Е, 39F и 39G показаны семь различных областей взятия образца с большой нерегулярной кристаллической структуры шириной больше, чем 13 мкм.
-Kin <Ш i
Как показано в таблице 4(c), во всех образцах были обнаружены углерод, кислород, кальций и железо, за исключением образца на фиг. 39Е, в котором не было никакого железа. Кроме того, в каждом из образцов был обнаружен хлор - в количестве, дополняющем общее количество до 100%. Соотношение между кальцием и хлором составляло от приблизительно 1 : 1 до приблизительно 6 : 1. В пределах этого диапазона между кальцием и хлором наблюдались также соотношения приблизительно 1,5 : 1, приблизительно 2 : 1 и приблизительно 3:1. Количество обнаруженного железа было фактически минимальным по сравнению с рядом областей взятия образца на фиг. 38, за исключением области взятия образца на фиг. 39С, для которой это количество составило 12,69 ат.%.
Таблица 4 (d)
Данные элементного анализа второго сфероида
Область взятия
С (мае."о)
О (мае."о)
1 е (мае."о)
С (ат.%)
О (ат."")
1 с (ат.%)
образца
Фиг. 40А
69,94
9,27
20,79
85,95
8,55
5,50
Фиг. 40В
34,41
4,47
61,12
67,59
6,59
25,82
Фиг. 40С
61,14
6,91
31,95
83,52
7,09
9,39
На фиг. 40А, 40В и 40С показаны три различные области взятия образца с одного сфероида меньшего размера - диаметром ~ 1,3 мкм. Как показано в таблице 4(d), были обнаружены только углерод, кислород и железо. Как показано на фиг. 40А, в качестве образца была взята середина сфероида и были получены результаты, подобные результатам для области взятия образца на фиг. 38А, но с более высоким содержанием железа и более низким содержанием кислорода. Как показано на фиг. 40В, в качестве образца была взят верхний правый край сфероида, в котором содержание железа было почти в пять раз выше, чем в области на фиг. 40А, подобно наблюдавшемуся для области на фиг. 38С. И наконец, как показано на фиг. 40С, в качестве образца был взят левый край сфероида, в котором содержание железа почти в два раза превышало количество железа в области на фиг. 40А, но было намного ниже, чем в области фиг. 40В.
И наконец, на фиг. 41 показана большая область взятия образца с большой ромбовидной кристаллической структурой шириной 4 мкм и 5 мкм. Как показано в таблице 4(c), были обнаружены только углерод, кислород и железо. Соотношения между элементами были подобны соотношениям для областей сфероидов с низким содержанием железа, кроме того, что содержание железа в этом случае было ещё ниже.
Затем к образцу используемого смазочного состава был добавлен гексан. Смесь была подвергнута центрифугированию, а затем твёрдая фракция и фракция текучей среды центрифугированной смеси были тестированы с помощью времяпролётной (TOF) вторично-ионной масс-спектрометрии (SIMS) и просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ) с программным обеспечением EDAX(r) Genesis(tm). Несмотря на то, что эти тесты не идентифицировали никаких конкретных структур в смазывающем составе, ни в твёрдой фракции, ни во фракции текучей среды масла не было обнаружено никакого измеряемого железа. В образце были обнаружены только углерод, кислород и, в некоторых случаях, цинк, кальций или хром. Из этих тестов, стало ясно, что элементов, наблюдаемых с помощью SEM на поверхностях стопорного кольца толкателя кулачка, в самой текучей среде в обнаруживаемых уровнях не имеется, о чём свидетельствует отсутствие железа.
Образец из материала на поверхности толкателя кулачка была получен для ТЕМ-наблюдения в результате осторожной протирки плетёной ТЕМ-сетки о поверхности толкателя кулачка, а затем был осуществлён просмотр элементов на сетке с помощью ТЕМ. На фиг. 42-49В показаны характерные изображения наблюдаемых элементов, выявляющие ряд различных морфологий и структур. Изображения подтверждают наличие листов графена или оксида графена, углеродных нанотрубок, углеродных наносфероидов, углеродных нанолуковиц и других фуллереновых структур и веществ-предшественников. На основе элементного анализа тёмные области на изображениях, как полагают, представляют более высокие концентрации железа. Графен, как известно, инкапсулирует частицы железа (см., например, Cao et al., "Synthesis and characterization of graphene encapsulated iron nanoparticles", Nanoscience, vol. 12, no. 1, pp. 35-39, 2007). На фиг. 42 в нижней части изображения показана морфология относительно плоского листа, а в верхней части - более смятого листа. На изображении видны также сфероидные структуры меньшего размера - с диаметром в интервале значений ~ 5-50 нм. На фиг. 43 показана морфология в основном среднесмятых листов с нанотрубчатыми структурами вблизи складок листов.
На фиг. 44 показано более высокое увеличение области с морфологией, подобной морфологии на фиг. 43. На фиг. 44 видны морфологии сфероида, трубчатой структуры и листа. На фиг. 45 показаны некоторые извилистые трубчатые структуры при высоком увеличении. На фиг. 46 показана тёмная шаровидная масса с неясной морфологией при высоком увеличении, которая может представлять собой агрегацию наночастиц SGAN, располагающихся над тёмной внутренней частью структуры. На фиг. 47 показана структура
большой углеродной нанотрубки. На фиг. 48 показаны структуры двух углеродных нанолуковиц. И наконец, на фиг. 49А и 49В показана кристалловидная масса с морфологиями трубчатой структуры и сфероида, но без какой-либо видимой морфологии листа.
Поэтому следует понимать, что варианты осуществления изобретения, описанные в данном документе, являются лишь иллюстрациями применения принципов изобретения. Ссылка в данном документе на детали иллюстрированных вариантов осуществления не предназначена для ограничения объёма пунктов формулы изобретения, которые сами по себе перечисляют эти признаки, рассматриваемые в качестве существенных для изобретения.
ПЕРВОНАЧАЛЬНАЯ ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ синтезирования графена содержащий:
a) дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, один углеродистый материал, стимулирующий образование полициклического ароматического углеводорода в условиях, которые препятствуют полному сгоранию углеродистого материала;
b) последующее собирание паров, полученных в результате дефлегмации реакционной
смеси;
c) направление паров к подложке, с последующим осаждением графена на поверхности подложки; и
d) регенерирование графена с поверхности подложки.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один углеродистый материал, стимулирующий образование полициклического ароматического углеводорода, содержит пиранозу, фуранозу, циклический карбомер, бензоид, сахар, сахарный спирт, заменитель сахара, производное сахара, циклометикон, стероид, циннамат, фенилпропаноид, бензоат, карбоксилат, бензопиран, встречающийся в природе или синтетический флавон или изофлавон, салицилат, антиоксидант, циклический антиоксидант, 4-винилфенол, антоцианидин или хроменилий, циклическую аминокислоту, производное циклогексана, производное бензола, 1,2-дигидроксибензол (катехол), 1,3-дигидроксибензол (резорцин), 1,4-дигидроксибензол (гидрохинон), нафтоат, акрилат, фталат, сукцинат, карпан, флуорофор, фармацевтический препарат, фосфат, коммерческий пищевой персональный/половой смазывающий состав, включающий в себя сахарный или сахарозаменяющий амфифил, коммерческий состав для защиты от ультрафиолетовых лучей солнечного излучения, коммерческое средство в виде крема для кожи, коммерческое дезинфицирующее средство для рук, коммерческий продукт по уходу за волосами человека или шерстью животного, коммерческий красящий состав для волос, коммерческий пестицид, соединение, которое разлагается на одну или более из вышеупомянутых присадок во время дефлегмирования реакционной смеси, или их комбинацию.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один углеродистый материал, стимулирующий образование полициклического ароматического углеводорода, содержит соединение, которое стимулирует образование, по меньшей мере, одного С1-С5
2.
углеводородного радикала.
4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что растворитель содержит минеральное масло, воду, спирт, метанол, синтетический метанол, этанол, изопропанол или их комбинации.
5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что реакционная смесь дополнительно содержит, по меньшей мере, один дополнительный источник углерода.
6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что дополнительный источник углерода содержит природный графит, синтетический графит, один или более полициклических ароматических углеводородов, графен, активированный уголь, наноуголь, "активированный наноуголь", биоуголь, сахарный полукокс, угольную флегму, один или более бензоидов, нафталин, спирт, метанол, синтетический метанол, этанол, изопропанол, сахар, сахарозу, крахмал, целлюлозу, олефин, ацетат, один или более неграфитовых углеводородов, алкан, алкен, алкин, кетон, толуол, газолин, дизельное топливо, керосин, уголь, каменноугольную смолу, кокс или их комбинации.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подложка содержит гидрофильную подложку.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что способ включает в себя пиролиз.
9. Способ получения оксида графена содержащий:
дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель, по меньшей мере, один окислитель и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода в условиях, которые препятствуют полному сгоранию источника углерода в диоксид углерода или моноксид углерода;
b) последующее собирание потока паров, полученных в результате дефлегмации реакционной смеси;
c) последующее направление потока паров к подложке с последующим осаждением оксида графена на поверхности подложки; и
d) регенерирование оксида графена с поверхности подложки.
10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что способ включает в себя пиролиз.
11. Смазывающий состав для механической системы содержащий: базовое смазочное масло; и,
по меньшей мере, одну углеродсодержащую присадку, которая образует трибологически-эффективное количество, по меньшей мере, одной структуры, содержащей
графитовый углерод, когда смазывающий состав подвергается нагреву, достаточному для создания локальных пиролитических условий в механической системе, в которой он используется.
12. Смазывающий состав по п. 11, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка содержит циклическую молекулу.
13. Смазывающий состав по п. 12, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка содержит ароматическую молекулу.
14. Смазывающий состав по п. 12, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка содержит углеводород.
15. Смазывающий состав по п. 12, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка состоит в основном из атомов углерода, атомов водорода и атомов кислорода.
16. Смазывающий состав по п. 12, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка содержит пиранозу, фуранозу, циклический карбомер, бензоид, сахар, сахарный спирт, заменитель сахара, производное сахара, циклометикон, стероид, циннамат, фенилпропаноид, бензоат, карбоксилат, бензопиран, встречающийся в природе или синтетический флавон или изофлавон, салицилат, антиоксидант, циклический антиоксидант, 4-винилфенол, антоцианидин или хроменилий, циклическую аминокислоту, производное циклогексана, производное бензола, 1,2-дигидроксибензол (катехол), 1,3-дигидроксибензол (резорцин), 1,4-дигидроксибензол (гидрохинон), нафтоат, акрилат, фталат, сукцинат, карпан, флуорофор, фармацевтический препарат, фосфат, коммерческий пищевой персональный/половой смазывающий состав, включающий в себя сахарный или сахарозаменяющий амфифил, коммерческий состав для защиты от ультрафиолетовых лучей солнечного излучения, коммерческое средство в виде крема для кожи, коммерческое дезинфицирующее средство для рук, коммерческий продукт по уходу за волосами человека или шерстью животного, коммерческий красящий состав для волос, коммерческий пестицид, соединение, которое разлагается на одну или более из вышеупомянутых присадок во время дефлегмирования реакционной смеси, или их комбинации.
17. Смазывающий состав для механической системы содержащий:
базовое смазочное масло; и
графен, причём графен был образован до комбинации с базовым смазочным маслом.
18. Смазывающий состав по п. 17, отличающийся тем, что графен образуется в
результате способа по п. 1.
19. Смазывающий состав по п. 18, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один углеродистый материал, стимулирующий образование полициклического ароматического углеводорода, содержит пиранозу, фуранозу, циклический карбомер, бензоид, сахар, сахарный спирт, заменитель сахара, производное сахара, циклометикон, стероид, циннамат, фенилпропаноид, бензоат, карбоксилат, бензопиран, встречающийся в природе или синтетический флавон или изофлавон, салицилат, антиоксидант, циклический антиоксидант, 4-винилфенол, антоцианидин или хроменилий, циклическую аминокислоту, производное циклогексана, производное бензола, 1,2-дигидроксибензол (катехол), 1,3-дигидроксибензол (резорцин), 1,4-дигидроксибензол (гидрохинон), нафтоат, акрилат, фталат, сукцинат, карпан, флуорофор, фармацевтический препарат, фосфат, коммерческий пищевой персональный/половой смазывающий состав, включающий в себя сахарный или сахарозаменяющий амфифил, коммерческий состав для защиты от ультрафиолетовых лучей солнечного излучения, коммерческое средство в виде крема для кожи, коммерческое дезинфицирующее средство для рук, коммерческий продукт по уходу за волосами человека или шерстью животного, коммерческий красящий состав для волос, коммерческий пестицид, соединение, которое разлагается на одну или более из вышеупомянутых присадок во время дефлегмирования реакционной смеси, или их комбинации.
20. Смазывающий состав по п. 18, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один углеродистый материал, стимулирующий образование полициклического ароматического углеводорода, содержит соединение, которое стимулирует образование, по меньшей мере, одного СгСб-углеводородного радикала.
21. Смазывающий состав по п. 18, отличающийся тем, что растворитель содержит минеральное масло, воду, спирт, метанол, синтетический метанол, этанол, изопропанол или их комбинации.
22. Смазывающий состав по п. 18, отличающийся тем, что реакционная смесь дополнительно содержит, по меньшей мере, один дополнительный источник углерода.
23. Смазывающий состав по п. 18, отличающийся тем, что дополнительный источник углерода содержит природный графит, синтетический графит, один или более полициклических ароматических углеводородов, графен, активированный уголь, наноуголь, "активированный наноуголь", биоуголь, сахарный полукокс, угольную флегму, один или более бензоидов, нафталин, спирт, метанол, синтетический метанол, этанол, изопропанол, сахар, сахарозу, крахмал, целлюлозу, олефин, ацетат, один или более неграфитовых
19.
углеводородов, алкан, алкен, алкин, кетон, толуол, газолин, дизельное топливо, керосин, уголь, каменноугольную смолу, кокс или их комбинации.
24. Смазывающий состав по п. 18, отличающийся тем, что подложка содержит гидрофильную подложку.
25. Смазывающий состав по п. 18, отличающийся тем, что условия содержат пиролиз.
26. Смазывающий состав для механической системы содержащий:
базовое смазочное масло; и
оксид графена, причём оксид графена был образован до комбинации с базовым смазочным маслом.
27. Смазывающий состав по п. 26, отличающийся тем, что оксид графена образуется в
результате способа по п. 9.
28. Смазывающий состав для механической системы содержащий:
базовое смазочное масло; и
один или более Баки-алмазов, причём, по меньшей мере, один из Баки-алмазов содержит железо или железосодержащую молекулу.
29. Смазывающий состав по п. 28, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один
Баки-алмаз образуется, по меньшей мере, из одной углеродсодержащей присадки к базовому
смазочному маслу, когда смазывающий состав подвергается нагреву, достаточному для
создания локальных пиролитических условий.
30. Смазывающий состав для механической системы содержащий:
базовое смазочное масло; и
один или более Баки-алмазов.
31. Смазывающий состав по п. 30, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один Баки-алмаз образуется, по меньшей мере, из одной углеродсодержащей присадки к базовому смазочному маслу, когда смазывающий состав подвергается нагреву, достаточному для создания локальных пиролитических условий в системе, к которой добавляется смазывающий состав.
32. Способ смазывания механической системы, содержащей, по меньшей мере, одну поверхность внутреннего трения, имеющую неровности, где способ содержит:
работу механической системы со смазывающим составом, содержащим нанополирующий агент и устраняющим практически все неровности с поверхности внутреннего трения механической системы, причём смазывающий состав содержит базовое
смазочное масло и, по меньшей мере, одну углеродсодержащую присадку, которая образует, по меньшей мере, один нанополирующий агент, когда смазывающий состав подвергается действию локальных пиролитических условий в механической системе, в которой он используется.
33. Способ по п. 32, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка содержит циклическую молекулу.
34. Способ по п. 32, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка содержит ароматическую молекулу.
35. Способ по п. 32, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка содержит углеводород.
36. Способ по п. 32, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка состоит в основном из атомов углерода, атомов водорода и атомов кислорода.
37. Способ по п. 32, отличающийся тем, что дополнительно содержит работу механической системы, содержащей смазывающий состав, после устранения с помощью нанополирующего агента практически всех неровностей с поверхности внутреннего трения.
38. Способ по п. 32, отличающийся тем, что средняя шероховатость поверхности Ra, по меньшей мере, одной поверхности внутреннего трения после полирования с помощью нанополирующего агента составляет меньше, чем приблизительно 50 нм.
39. Способ по п. 38, отличающийся тем, что Ra, по меньшей мере, одной поверхности внутреннего трения после полирования с помощью нанополирующего агента составляет меньше, чем приблизительно 5 нм.
33.
Заменяющий лист 113 ИЗМЕНЁННАЯ ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ синтезирования графена содержащий:
a) дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель и, по меньшей мере, один углеродистый материал, стимулирующий образование полициклического ароматического углеводорода в условиях, которые препятствуют полному сгоранию углеродистого материала;
b) последующее собирание паров, полученных в результате дефлегмации реакционной
смеси;
c) направление паров к подложке, с последующим осаждением графена на поверхности подложки; и
d) регенерирование графена с поверхности подложки.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один углеродистый материал, стимулирующий образование полициклического ароматического углеводорода, содержит пиранозу, фуранозу, циклический карбомер, бензоид, сахар, сахарный спирт, заменитель сахара, производное сахара, циклометикон, стероид, циннамат, фенилпропаноид, бензоат, карбоксилат, бензопиран, встречающийся в природе или синтетический флавон или изофлавон, салицилат, антиоксидант, циклический антиоксидант, 4-винилфенол, антоцианидин или хроменилий, циклическую аминокислоту, производное циклогексана, производное бензола, 1,2-дигидроксибензол (катехол), 1,3-дигидроксибензол (резорцин), 1,4-дигидроксибензол (гидрохинон), нафтоат, акрилат, фталат, сукцинат, карпан, флуорофор, фармацевтический препарат, фосфат, коммерческий пищевой персональный/половой смазывающий состав, включающий в себя сахарный или сахарозаменяющий амфифил, коммерческий состав для защиты от ультрафиолетовых лучей солнечного излучения, коммерческое средство в виде крема для кожи, коммерческое дезинфицирующее средство для рук, коммерческий продукт по уходу за волосами человека или шерстью животного, коммерческий красящий состав для волос, коммерческий пестицид, соединение, которое разлагается на одну или более из вышеупомянутых присадок во время дефлегмирования реакционной смеси, или их комбинацию.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один углеродистый материал, стимулирующий образование полициклического ароматического углеводорода, содержит соединение, которое стимулирует образование, по меньшей мере, одного С1-С5
2.
углеводородного радикала.
4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что растворитель содержит минеральное масло, воду, спирт, метанол, синтетический метанол, этанол, изопропанол или их комбинации.
5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что реакционная смесь дополнительно содержит, по меньшей мере, один дополнительный источник углерода.
6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что дополнительный источник углерода содержит природный графит, синтетический графит, один или более полициклических ароматических углеводородов, графен, активированный уголь, наноуголь, "активированный наноуголь", биоуголь, сахарный полукокс, угольную флегму, один или более бензоидов, нафталин, спирт, метанол, синтетический метанол, этанол, изопропанол, сахар, сахарозу, крахмал, целлюлозу, олефин, ацетат, один или более неграфитовых углеводородов, алкан, алкен, алкин, кетон, толуол, газолин, дизельное топливо, керосин, уголь, каменноугольную смолу, кокс или их комбинации.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подложка содержит гидрофильную подложку.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что способ включает в себя пиролиз.
9. Способ получения оксида графена содержащий:
дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один растворитель, по меньшей мере, один окислитель и, по меньшей мере, одно соединение, стимулирующее образование полициклического ароматического углеводорода в условиях, которые препятствуют полному сгоранию источника углерода в диоксид углерода или моноксид углерода;
b) последующее собирание потока паров, полученных в результате дефлегмации реакционной смеси;
c) последующее направление потока паров к подложке с последующим осаждением оксида графена на поверхности подложки; и
d) регенерирование оксида графена с поверхности подложки.
10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что способ включает в себя пиролиз.
11. Смазывающий состав для механической системы содержащий: базовое смазочное масло; и,
по меньшей мере, одну углеродсодержащую присадку, которая образует трибологически-эффективное количество, по меньшей мере, одной структуры, содержащей
графитовый углерод, когда смазывающий состав подвергается нагреву, достаточному для создания локальных пиролитических условий в механической системе, в которой он используется,
причём структура, содержащая графитовый углерод, содержит одну или более поверхностно-графитизированных абразивных наночастиц, содержащих, по меньшей мере, один неуглеродный гетероатом, окружённый внешней оболочкой, содержащей практически углерод,
и структура, содержащая графитовый углерод, содержит нанополирующий агент, предназначенный для устранения практически всех неровностей с поверхности внутреннего трения.
12. Смазывающий состав по п. 11, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка содержит циклическую молекулу.
13. Смазывающий состав по п. 12, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка содержит ароматическую молекулу.
14. Смазывающий состав по п. 12, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка содержит углеводород.
15. Смазывающий состав по п. 12, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка состоит в основном из атомов углерода, атомов водорода и атомов кислорода.
16. Смазывающий состав по п. 12, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка содержит пиранозу, фуранозу, циклический карбомер, бензоид, сахар, сахарный спирт, заменитель сахара, производное сахара, циклометикон, стероид, циннамат, фенилпропаноид, бензоат, карбоксилат, бензопиран, встречающийся в природе или синтетический флавон или изофлавон, салицилат, антиоксидант, циклический антиоксидант, 4-винилфенол, антоцианидин или хроменилий, циклическую аминокислоту, производное циклогексана, производное бензола, 1,2-дигидроксибензол (катехол), 1,3-дигидроксибензол (резорцин), 1,4-дигидроксибензол (гидрохинон), нафтоат, акрилат, фталат, сукцинат, карпан, флуорофор, фармацевтический препарат, фосфат, коммерческий пищевой персональный/половой смазывающий состав, включающий в себя сахарный или сахарозаменяющий амфифил, коммерческий состав для защиты от ультрафиолетовых лучей солнечного излучения, коммерческое средство в виде крема для кожи, коммерческое дезинфицирующее средство для рук, коммерческий продукт по уходу за волосами человека или шерстью животного, коммерческий красящий состав для волос, коммерческий пестицид,
12.
соединение, которое разлагается на одну или более из вышеупомянутых присадок во время дефлегмирования реакционной смеси, или их комбинации.
17. Способ изготовления смазывающего состава для механической системы
содержащий:
a) дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один
растворитель и, по меньшей мере, один углеродистый материал, стимулирующий
образование полициклического ароматического углеводорода в условиях, которые
препятствуют полному сгоранию углеродистого материала;
b) последующее собирание паров, полученных в результате дефлегмации реакционной
смеси;
c) направление паров к подложке с последующим осаждением графена на поверхности подложки;
d) регенерирование графена с поверхности подложки; и
e) комбинирование, по меньшей мере, некоторой части регенерированного графена с базовым смазочным маслом для образования смазывающего состава для механической системы.
18. Способ изготовления смазывающего состава по п. 17, отличающийся тем, что, по
меньшей мере, один углеродистый материал, стимулирующий образование
полициклического ароматического углеводорода, содержит пиранозу, фуранозу, циклический
карбомер, бензоид, сахар, сахарный спирт, заменитель сахара, производное сахара,
циклометикон, стероид, циннамат, фенилпропаноид, бензоат, карбоксилат, бензопиран,
встречающийся в природе или синтетический флавон или изофлавон, салицилат,
антиоксидант, циклический антиоксидант, 4-винилфенол, антоцианидин или хроменилий,
циклическую аминокислоту, производное циклогексана, производное бензола, 1,2-
дигидроксибензол (катехол), 1,3-дигидроксибензол (резорцин), 1,4-дигидроксибензол
(гидрохинон), нафтоат, акрилат, фталат, сукцинат, карпан, флуорофор, фармацевтический
препарат, фосфат, коммерческий пищевой персональный/половой смазывающий состав,
включающий в себя сахарный или сахарозаменяющий амфифил, коммерческий состав для
защиты от ультрафиолетовых лучей солнечного излучения, коммерческое средство в виде
крема для кожи, коммерческое дезинфицирующее средство для рук, коммерческий продукт
по уходу за волосами человека или шерстью животного, коммерческий красящий состав для
волос, коммерческий пестицид, соединение, которое разлагается на одну или более из
вышеупомянутых присадок во время дефлегмирования реакционной смеси, или их комбинации.
19. Способ изготовления смазывающего состава по п. 17, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один углеродистый материал, стимулирующий образование полициклического ароматического углеводорода, содержит соединение, которое стимулирует образование, по меньшей мере, одного С1-С5-углеводородного радикала.
20. Способ изготовления смазывающего состава по п. 17, отличающийся тем, что растворитель содержит минеральное масло, воду, спирт, метанол, синтетический метанол, этанол, изопропанол или их комбинации.
21. Способ изготовления смазывающего состава по п. 17, отличающийся тем, что реакционная смесь дополнительно содержит, по меньшей мере, один дополнительный источник углерода.
22. Способ изготовления смазывающего состава по п. 17, отличающийся тем, что дополнительный источник углерода содержит природный графит, синтетический графит, один или более полициклических ароматических углеводородов, графен, активированный уголь, наноуголь, "активированный наноуголь", биоуголь, сахарный полукокс, угольную флегму, один или более бензоидов, нафталин, спирт, метанол, синтетический метанол, этанол, изопропанол, сахар, сахарозу, крахмал, целлюлозу, олефин, ацетат, один или более неграфитовых углеводородов, алкан, алкен, алкин, кетон, толуол, газолин, дизельное топливо, керосин, уголь, каменноугольную смолу, кокс или их комбинации.
23. Способ изготовления смазывающего состава по п. 17, отличающийся тем, что подложка содержит гидрофильную подложку.
24. Способ изготовления смазывающего состава по п. 17, отличающийся тем, что способ включает в себя пиролиз.
25. Способ изготовления смазывающего состава для механической системы
содержащий:
a) дефлегмирование реакционной смеси, содержащей, по меньшей мере, один
растворитель и, по меньшей мере, один углеродистый материал, стимулирующий
образование полициклического ароматического углеводорода в условиях, которые
препятствуют полному сгоранию углеродистого материала;
b) последующее собирание паров, полученных в результате дефлегмации реакционной
смеси;
c) направление паров к подложке с последующим осаждением графена на поверхности подложки;
d) регенерирование графена с поверхности подложки; и
e) комбинирование, по меньшей мере, некоторой части регенерированного графена с базовым смазочным маслом для образования смазывающего состава для механической системы.
26. Смазывающий состав для механической системы, содержащий:
базовое смазочное масло; и
одну или более поверхностно-графитизированных абразивных наночастиц, содержащих, по меньшей мере, один неуглеродный гетероатом, окружённый внешней оболочкой, содержащей практически углерод.
27. Смазывающий состав по п. 26, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна поверхностно-графитизированная абразивная наноразмерная частица, содержащая, по меньшей мере, один неуглеродный гетероатом, окружённый внешней оболочкой, содержащей практически углерод, образуется, по меньшей мере, из одной углеросодержащей присадки к базовому смазочному маслу, когда смазывающий состав подвергается нагреву, достаточному для создания локальных пиролитических условий.
28. Смазывающий состав по п. 27, отличающийся тем, что поверхностно-графитизированные наноразмерные частицы содержат наноалмазную сердцевину, которая содержит неуглеродные гетероатомы, и фуллереновую углеродную оболочку, образованную вокруг сердцевины.
29. Смазывающий состав по п. 28, отличающийся тем, что гетероатом содержит железо или оксид железа.
30. Способ смазывания механической системы, содержащей, по меньшей мере, одну поверхность внутреннего трения, имеющую неровности, где способ содержит:
работу механической системы со смазывающим составом, содержащим нанополирующий агент и устраняющим практически все неровности с поверхности внутреннего трения механической системы, причём смазывающий состав содержит базовое смазочное масло и, по меньшей мере, одну углеродсодержащую присадку, содержащую углерод, которая образует, по меньшей мере, один нанополирующий агент, когда смазывающий состав подвергается действию локальных пиролитических условий в механической системе, в которой он используется,
причём нанополирующий агент содержит одну или более поверхностно-графитизированных наночастиц, содержащих, по меньшей мере, один неуглеродный гетероатом, окружённый внешней оболочкой, содержащей практически углерод,
31. Способ по п. 30, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка содержит циклическую молекулу.
32. Способ по п. 30, отичающийся тем, что углеродсодержащая присадка содержит ароматическую молекулу.
33. Способ по п. 30, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка содержит углеводород.
34. Способ по п. 30, отличающийся тем, что углеродсодержащая присадка состоит в основном из атомов углерода, атомов водорода и атомов кислорода.
35. Способ по п. 30, отличающийся тем, что дополнительно содержит работу механической системы, содержащей смазывающий состав, после устранения с помощью нанополирующего агента практически всех неровностей с поверхности внутреннего трения.
36. Способ по п. 30, отличающийся тем, что средняя шероховатость поверхности Ra, по меньшей мере, одной поверхности внутреннего трения после полирования с помощью нанополирующего агента составляет меньше, чем приблизительно 50 нм.
37. Способ по п. 36, отличающийся тем, что Ra, по меньшей мере, одной поверхности внутреннего трения после полирования с помощью нанополирующего агента составляет меньше, чем приблизительно 5 нм.
31.
31.
31.
31.
НАНЕСЕНИЕ ПАРА НА ВОДУ
ДОБАВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНОГО ВЕЩЕСТВА
ИАИЕСЕГ НА Ь
ИЕ ПАРА ОДУ
ДОБАВЛЕНИЕ ВОССТАНАВЛИВАЮЩЕГО АГЕНТА
НАНЕСЕНИЕ ПАРА НА ВОДУ
ГИДРОФОБНАЯ САМОСБОРКА
ГИДРОФОБНАЯ САМОСБОРКА СТИМУЛИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМ ВЕЩЕСТВОМ
ХИМИЧЕСКИ-СТИМУЛИРО-ВАННАЯ ГИДРОФОБНАЯ САМОСБОРКА
СЛОИ ГРАФЕНА/GO/rGO
ВОССТАНОВЛЕНИЕ
HV I Mag WD Crrt Spot 25 kV 165000 * 10 1 nun SE ?
ФИГ. 8
HV Mag WD D^t Spot ?.n i <
ФИГ.
ФИГ
SEl_200 0nm _ 1
SE1.2O0.0nm
ФИГ.40С
ФИГ49В
(19)
(19)
(19)
110
110
Ill
Ill
Заменяющий лист 114
Заменяющий лист 114
2/36
2/36
ФИГ. 1В
ФИГ. 1В
3/36
3/36
ФИГ. 2А
ФИГ. 2А
4/36
4/36
ФИГ. 2В
ФИГ. 2В
4/36
4/36
ФИГ. 2В
ФИГ. 2В
ФИГ.З
ФИГ.З
6/36
6/36
ФИГ5А
ФИГ5А
7/36
7/36
ФИГ 5С
ФИГ 5С
ФИГ. 7
ФИГ. 7
9/36
9/36
ФИГ. 9
ФИГ. 9
10/36
10/36
ФИГ 11
ФИГ 11
11/36
11/36
ФИГ 13
ФИГ 13
ФИГ 15
ФИГ 15
13/36
13/36
ФИГ 17
ФИГ 17
14/36
14/36
ФИГ. 19
ФИГ. 19
ФИГ. 23
ФИГ. 23
ФИГ 25
ФИГ 25
19/36
19/36
ФИГ 27
ФИГ 27
20/36
20/36
ФИГ 29
ФИГ 29
21/36
21/36
ФИГ 31
ФИГ 31
ФИГ. 33
ФИГ. 33
ФИГ 35
ФИГ 35
24/36
24/36
ФИГ 37
ФИГ 37
25/36
25/36
ФИГ 38В
ФИГ 38В
ФИГ.39А
ФИГ.39А
27/36
27/36
ФИГ 39С
ФИГ 39С
28/36
28/36
ФИГ. 39Е
ФИГ. 39Е
ФИГ. 39G
ФИГ. 39G
30/36
30/36
ФИГ. 40В
ФИГ. 40В
31/36
31/36
ФИГ. 41
ФИГ. 41
32/36
32/36
ФИГ. 43
ФИГ. 43
ФИГ. 45
ФИГ. 45
34/36
34/36
ФИГ. 47
ФИГ. 47
ФИГ.49А
ФИГ.49А
36/36
36/36