Установка для синтеза углеродного наноматериала

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ СИНТЕЗА УГЛЕРОДНОГО НАНОМАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Жданок Сергей Александрович Крауклис Андрей Владимирович Самцов Птр Петрович Волжанкин Валерий Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Установка для синтеза углеродного наноматериала, содержащая плазмохимический реактор, верхняя часть которого состоит из кварцевой трубки с катодом, подключенным к источнику энергии, и анодом, выполненным в виде диска с центральным отверстием,связанным со стаканом осаждения углеродного наноматериала, расположенным в нижней части реактора и снабженным системой автоматического сбора получаемого углеродного наноматериала, а также систему газоснабжения, термопары и систему охлаждения отработанного газового потока, отличающаяся тем, что система автоматического сбора получаемого углеродного наноматериала включает в себя бункер с абразивом, связанный с сопловым блоком, сопла которого расположены в аноде, трубопроводом подачи абразива и трубопроводом подачи воздуха, снабженным клапаном, причем стакан осаждения соединен непосредственно с верхней частью плазмохимического реактора. Предлагаемое техническое решение относится к области изготовления и обработки наноструктур, в частности к установкам для получения углеродных наноматериалов, и может быть использовано для создания полимерных нанокомпозитов, используемых в машиностроении, приборостроении, химической промышленности, авиастроении, электронике, электротехнике и других отраслях народного хозяйства. Известна установка для синтеза углеродного наноматериала электродуговым способом 1 (прототип), содержащая плазмохимический реактор, состоящий из двух основных частей. Верхняя часть включает кварцевую трубку, в которой размещен катод и заземленный анод, выполненный в форме диска с центральным отверстием, элементы системы газоснабжения (запорная арматура и управляемые расходомеры), а также термопары и систему охлаждения отработанного газового потока. К катоду подключен источник энергии. Нижняя часть плазмохимического реактора представлена стаканом осаждения углеродного наноматериала, снабженным системой автоматического сбора получаемого углеродного наноматериала, выполненным в виде шнека. Стакан соединен с кварцевой трубкой в верхней части реактора с помощью входного патрубка. Указанная установка работает следующим образом. В кварцевую трубку подается газовая смесь через систему газоснабжения. Зажигание и дальнейшее горение разряда обеспечивает источник энергии. Далее происходит обработка рабочей газовой смеси плазмой высоковольтного разряда в зоне между катодом и анодом. После обработки разрядом рабочей газовой смеси синтезированный углеродный наноматериал вместе с потоком газа направляется в стакан осаждения углеродного наноматериала через отверстие анода и входной патрубок. Образовавшийся углеродный наноматериал счищается со стенок стакана лопастями шнека и подается в его нижнюю часть. Температура газового потока и стенок стакана измеряется термопарами. Отработанная газовая смесь выходит из реактора и направляется в систему охлаждения отработанного газового потока, а затем выбрасывается в атмосферу. Однако, кроме осаждения углеродного наноматериала на стенках стакана, происходит его осаждение на стенках входного патрубка. Осажденный на стенках патрубка углеродный наноматериал содержит неконтролируемое количество многостенных углеродных нанотрубок, углеродные нановолокна и частицы аморфного углерода, и, кроме того, когда его толщина достигает определенной величины, изменяются параметры газового потока и уменьшается скорость образования углеродного наноматериала на стакане осаждения. В конечном итоге появляется необходимость очистки входного патрубка, что не может осуществляться с помощью шнека и требует затрат времени на охлаждение установки, разборкусборку, очистку входного патрубка и снижает производительность данной установки. Задачей предлагаемой полезной модели является повышение производительности установки для синтеза углеродного наноматериала путем полной автоматизации процесса сбора синтезированного углеродного наноматериала, исключающей процессы остановки синтеза. Задача решается следующим образом. Известная установка для синтеза углеродного наноматериала содержит плазмохимический реактор, верхняя часть которого состоит из кварцевой трубки с катодом, подключенным к источнику энергии, и анодом, выполненным в виде диска с центральным отверстием, связанным со стаканом осаждения углеродного наноматериала, расположенным в нижней части реактора и снабженым системой автоматического сбора получаемого углеродного наноматериала. Установка содержит также систему газоснабжения, термопары, систему охлаждения отработанного газового потока. 2 44172008.06.30 Согласно предлагаемому техническому решению, система автоматического сбора получаемого углеродного наноматериала включает в себя бункер с абразивом, связанный с сопловым блоком, сопла которого расположены в аноде, трубопроводом подачи абразива и трубопроводом подачи воздуха, снабженным клапаном, причем стакан осаждения соединен непосредственно с верхней частью плазмохимического реактора. Система обеспечивает однородное равномерное распыление абразива по поверхности стакана осаждения и действует по принципу пескоструйной обработки. На фигуре показан общий вид схемы предлагаемой установки. Установка содержит плазмохимический реактор, состоящий из двух основных частей. Верхняя часть реактора включает кварцевую трубку 1, вверху которой помещен катод 2, а заземленный анод 3, выполненный в форме диска с центральным отверстием, связан с нижней частью реактора. Установка содержит также элементы системы газоснабжения 4 запорную арматуру и управляемые расходомеры (на схеме не показаны). К катоду 2 подключен источник энергии 5. Нижняя часть плазмохимического реактора представлена стаканом 6 осаждения углеродного наноматериала, соединенным непосредственно анодом 3 с верхней частью реактора. Стакан 6 снабжен системой автоматического сбора получаемого углеродного наноматериала, действующей по принципу пескоструйной очистки. Система включает сопловой блок, сопла 7 которого расположены в аноде, связанный с бункером 8, наполненным абразивом, к которому подсоединен трубопровод подачи абразива 9 и трубопровод подачи воздуха 10, снабженный клапаном 11. Система обеспечивает однородное равномерное распыление абразива по поверхности стакана осаждения. Нижняя часть 12 стакана 6 предусмотрена для сбора углеродного наноматериала. На наружной и внутренней стенках стакана 6 установлены термопары 13, а система охлаждения 14 отработанного газового потока состоит из последовательно соединенных холодильника,конденсатора, сборника и хроматографа (на схеме не показаны). Установка работает следующим образом. В кварцевую трубку 1 подается газовая смесь через систему газоснабжения 4. Зажигание и дальнейшее горение разряда обеспечивает источник энергии 5. Далее происходит обработка рабочей газовой смеси плазмой высоковольтного разряда в зоне между катодом 2 и анодом 3. После обработки рабочей газовой смеси разрядом синтезированный углеродный наноматериал вместе с потоком газа направляется в стакан 6 осаждения углеродного наноматериала через отверстие в аноде 3. Углеродный наноматериал осаждается на внутренних стенках стакана 6. После образования слоя наноматериала определенной толщины открывается клапан 11, расположенный на трубопроводе подачи воздуха 10. Абразив из бункера 8 вместе с потоком воздуха по трубопроводу подачи абразива 9 подается в сопловой блок и соплами 7 распыляется вдоль стенок стакана 6. Действуя по принципу пескоструйной обработки, очищает поверхность стакана 6 от наработанного углеродного наноматериала. Наработанный наноматериал попадает в нижнюю часть 12 стакана 6. После процесса очистки стенок стакана 6 клапан подачи воздуха 11 закрывается, и синтез углеродного наноматериала продолжается. Температура газового потока и стенок стакана 6 измеряется термопарами 13. Отработанный газовый поток выходит из реактора и направляется в систему охлаждения 14 отработанного газового потока, а затем выбрасывается в атмосферу. Таким образом, предлагаемая установка исключает процесс остановки синтеза, а потому обеспечивает высокую производительность за счет полной автоматизации процесса сбора углеродного наноматериала. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3