Исследование седиментационной и агломерационной устойчивости нитрида алюминия и трифторида алюминия в органических средах

Газофазный способ получения нитрида алюминия [1] предусматривает наличие двух последовательных стадий. На первом этапе осуществляется получение продукта, где содержится нитрид алюминия (AlN) и трифторид алюминия (AlF₃). На последующей стадии требуется разделение AlN и AlF₃ c получением нитрида алюминия требуемого состава и крупности частиц [2]. Сегодня этот процесс производится за счет сублимации AlF₃ в вакууме, при температуре 1200⁰С, что требует наличия специализированного оборудования и высоких энергозатрат. Также получаемый наноразмерный AlN агломерирует, образуя частицы крупностью? 8 мкм [3].

Поэтому представляет интерес исследование альтернативных методов разделения AlN и AlF₃, позволяющих избежать отмеченных недостатков. Из существующих методов разделения тонкодисперсных порошков с разницей в плотности менее 1,0 г/см³ ([4], [5], [6], [7], [8]) в настоящей работе рассматривается возможность седиментационного способа разделения в органической среде с плотностью большей, чем у AlF₃ и меньшей, чем у AlN. Плотность AlN 3,12 г/см³ [9], плотность AlF₃ 2,88 г/см³ [10]. В качестве органической среды предлагается смесь иодоформа и бромоформа с плотностью 2,90 г/см³.

В работе предварительно готовилась механическая смесь порошков AlF₃ и AlN крупностью? 10 мкм. Для эксперимента был взят чистый нитрид алюминия, полученный газофазным способом. Рентгенограмма нитрида алюминия, использованного для эксперимента, представлена на рис. 1.

Трифторид алюминия (ГОСТ 19 181−78, 1/с) перед приготовлением смеси порошков был предварительно отогнан от примесей при температуре 1200 °C в вакууме с целью достижения высокой химической чистоты (99,9%).

В качестве физической среды использовалась смесь йодоформа и бромоформа (йодоформ согласно ТУ 9318−011−5 761 761−03, бромоформ согласно ГОСТ 5851–78, марки ч). газофазный нитрид алюминий иодоформ Седиментационная и агломерационная устойчивость AlN и AlF₃ определяется также характером взаимодействия с органической средой, в которой происходит седиментация компонентов. Исходя из природы AlN и AlF₃, компоненты имеют различную адсорбционную способность по отношению к молекулам физической среды. Поэтому для улучшения адгезионных характеристик производят предварительную обработку органическим соединением, имеющим хорошее сродство к AlN и AlF₃ [11]. В качестве такого вещества в работе использовался силан (3-аминопропилтриэтоксисилан, ТУ-2437−132−40 245 042−2005).

Наличие взаимодействия силана с AlN и AlF₃ фиксировалось с помощью метода ИК-спектроскопии. Результаты исследования взаимодействия представлены в виде спектрограмм на рис. 2.

Рис. 2. — Результаты исследования взаимодействия силана с AlN и AlF₃

Нитрид алюминия, как правило, гигроскопичен к органическим соединениям, что определяется его природой [12]. Учитывая достаточно большую окружность не только частиц нитрида алюминия, но и трифторида алюминия, логично полагать, что они имеют высокую агломерационную устойчивость [13]. Поэтому основное внимание уделялось седиментационной устойчивости системы, как необходимому условию разделения компонентов.

Представленные спектрограммы показывают, что силан взаимодействует при нагревании до 300 °C с компонентами. Трифторид алюминия после обработки силаном при 300 °C меняет цвет с белого до светло-коричневого. На спектрограммах появляются полосы, характеризующие образование устойчивых поверхностных соединений. В то же время нитрид алюминия также взаимодействует с силаном при этой температуре, но это взаимодействие проявляется слабее.

Характер взаимодействия нитрида и трифторида алюминия с силаном проявляется при определении седиментационной устойчивости компонентов в смеси иодоформа с бромоформом. Полное осаждение частиц нитрида алюминия в смеси иодоформа с бромоформом наблюдается в течение 5 — 10 минут. Трифторид алюминия лучше адсорбирует силан и за счёт разности в плотностях, а также образования устойчивых связей с органической средой, фактически остаётся в поверхностном слое.

На основании проведенных исследований и полученных экспериментальных данных сделаны следующие выводы:

• 1. Агломерационная и седиментационная устойчивость AlF₃ и AlN в смеси иодоформа с бромоформом определяется не только соотношением плотностей фаз, но и характером связей с органической средой.
• 2. Экспериментально подтверждается возможность седиментационного разделения AlF₃ и AlN после специальной обработки в смеси иодоформа с бромоформом.

• 1. Нитрид алюминия. Способы получения [Текст] / А. А. Елагин [и др.] // Новые огнеупоры. — 2013. — № 1. — С. 49−55.
• 2. Peter Greil, Michael Kulig, Dachamir Hotza. Aluminium nitride ceramics with high thermal conductivity from gas-phase synthesized powders // Journal of the European Ceramic Society. — 1994. — № 3. — pp. 229−237.
• 3. Установка для получения порошкообразного нитрида алюминия газофазным способом [Текст] / А. А. Елагин [и др.] // Оборудование для оснащения технологических производств: Труды Свердловского научно-исследовательского института химического машиностроения. Выпуск 18 — Екатеринбург, 2011. С. 165−170
• 4. Исследование процесса улавливания летучей золы в экспериментальной модели электроциклона [Текст] / Н. В. Инюшкин [и др.] // Инженерный вестник Дона. — 2011. — № 4 [Электронный ресурс]. URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/524 (доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз. рус.
• 5. Пат. 2 395 346 Российская Федерация. Магнитожидкостный сепаратор / Поварницин А. И., Селедков В. В., 2010.
• 6. Пат. 2 412 007 Российская Федерация. Способ классификации ультрадисперсных и наночастиц по размерам и устройство для его осуществления / Райныш В. А., Шурупов А. В., Шурупов М. А., 2011.
• 7. А. Г. Титов. Улавливание высокодисперсных туманов в электрофильтре [Текст] / А. Г. Титов, З. Р. Гильванова // Инженерный вестник Дона. — 2012. — № 4, часть 2 [Электронный ресурс]. URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1352 (доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз. рус.
• 8. Пат. 2 010 608 Российская Федерация. Способ разделения тонких порошков при гидроклассификации и устройство для его осуществления / Горлов А. М., Айнбиндер В. Г., Качур С. А., Овсяников А. Ш., Кальянов В. Н., 1994.
• 9. Самсонов Г. В. Нитриды [Текст]: Монография / Г. В. Самсонов — Киев: Наукова думка, 1969 — 192 с.
• 10. Основные свойства неорганических фторидов [Текст] / Под ред. Н. П. Галкина // Атомиздат, Москва, 1975 — 400 с.
• 11. J. H. Yu, J. K. Duan, W. Y. Peng, L. C. Wang, P. Peng, P. K. Jiang. Influence of nano-AlN particles on thermal conductivity, thermal stability and cure behavior of cycloaliphatic epoxy/trimethacrylate system [Text]// eXPRESS Polymer Letters, 2011. — № 2. — pp 132−141
• 12. Войтович Р. Ф. Окисление карбидов и нитридов [Текст] / Наукова думка, Киев, 1981 — 162 с.
• 13. Ягупов, А. И. Технология модифицирования нитридом алюминия электроизоляционных материалов [Текст]: дис. канд. техн. наук: 23.11.12: защищена 26.12.12 / Ямщиков Леонид Фёдорович — Екатеринбург., 2012 — 145 с. — Библиогр.: С. 15 — 35.