Установка для получения углеродного наноматериала

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ 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 Дечко Евгений Яковлевич Борисевич Кирилл Олегович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Установка для получения углеродного наноматериала, включающая горелку, поверхность осаждения углеродного наноматериала и газовые каналы подачи реагента и окислителя, содержащие измерительные клапаны и флоуметры, отличающаяся тем, что горелка выполнена в виде открытого сверху стального цилиндра, внутрь которого последовательно помещены слой пористой керамики и не менее двух слоев металлической сетки с различным диаметром ячеек 0,5-1 мм, поверхность осаждения углеродного наноматериала выполнена в виде съемной стальной трубы, размещенной над горелкой, причем газовые каналы подачи реагента и окислителя объединены в один перед горелкой, с последующим их разделением на два канала, установленных с противоположных сторон корпуса горелки. 47172008.10.30 Предлагаемое техническое решение относится к области изготовления и обработки наноструктур, в частности к установкам для получения углеродных наноматериалов,содержащих многостенные углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна и частицы нанографита, и может быть использовано для создания полимерных нанокомпозитов, используемых в машиностроении, приборостроении, химической промышленности, авиастроении, электронике, электротехнике и других отраслях народного хозяйства. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению является установка, которая описана в способе для получения углеродного наноматериала в патенте США 1 (прототип). Указанная установка содержит диффузионную горелку, состоящую из двух стеклянных трубок, внешней и внутренней, к которым соответственно подсоединены каналы подачи окислителя (воздуха) и реагента (углеводорода), содержащие измерительные клапаны и флоуметры, причем внизу каждой из трубок расположен слой пористого стекла или керамики. Над внутренней трубкой размещается поверхность осаждения углеродного наноматериала, выполненная в виде сетки-зонда из сплава - так,чтобы находиться в пламени горелки или в непосредственной близости к нему. Раздельная подача реагента и окислителя позволяет создать условия для возникновения диффузионного пламени, а слой пористого стекла или керамики способствует сглаживанию газовых потоков. Сетка-зонд используется для формирования углеродных наноструктур из частиц сажи, находящихся в пламени, и их накопления. Измерительные клапаны и флоуметры служат для задания и контроля газовых расходов. Недостатком этой конструкции является использование диффузионной горелки для разложения углеводородов, которая позволяет работать только на стехиометрических смесях реагента с окислителем или близким к ним по составу, т.е. таких смесях, при сгорании которых происходят преимущественно реакции полного окисления. Это снижает количество углерода в зоне формирования углеродных структур. А использование сеткизонда в качестве поверхности осаждения, геометрические размеры которого малы по сравнению с размерами горелки, позволяет собирать лишь миллиграммовые количества углеродного наноматериала, что снижает производительность установки. Задачей предлагаемого технического решения является повышение производительности установки для получения углеродного наноматериала. Задача решается следующим образом. Известная установка для получения углеродного наноматериала включает горелку, поверхность осаждения углеродного наноматериала и газовые каналы подачи реагента и окислителя, содержащие измерительные клапаны и флоуметры. Согласно предлагаемому техническому решению горелка выполнена в виде открытого сверху стального цилиндра, внутри которого последовательно помещены слой пористой керамики и не менее 2-х слоев металлической сетки с диаметром ячеек 0,5-1 мм,поверхность осаждения выполнена в виде съемной стальной трубы, размещенной над горелкой. Причем газовые каналы подачи реагента и окислителя объединены в один, что обеспечивает предварительное смешение реагента и окислителя с образованием уже готовой рабочей смеси. Далее каналы вновь разъединены и подсоединены к стальному цилиндру с противоположных сторон. Слой пористой керамики служит для равномерного распределения рабочей смеси по объему цилиндра. Слои металлических сеток разделяют рабочую смесь на газовые потоки меньшего сечения, обладающие большими скоростями, которые достаточны для удержания фронта горения пламени вблизи поверхности сетки, что обеспечивает ее нагрев и создание инфракрасного свечения. Это позволяет сжигать газовые смеси, в которых реагента содержится значительно больше, чем окислителя, и инициировать реакции частичного окисления и термического крекинга, продукты которых играют роль строительного материала для формирования углеродных наноструктур. При увеличении диаметра ячейки сетки (более 1 мм) скорости газовых потоков рабочей смеси вблизи фронта пламени снижаются, из-за чего фронт перемещается ближе к поверхности сетки и разрушается на ней, что повлечет потухание, и наоборот, при уменьшении диаметра 2(менее 0,5 мм) ячейки фронт пламени отдалится от металлической сетки и не будет способствовать ее нагреву и излучению в инфракрасном спектре. Таким образом, предлагаемая конструкция установки позволяет повысить ее производительность при получении углеродных наноматериалов. На фигуре представлен общий вид установки для получения углеродного наноматериала. Предлагаемая установка для получения углеродного наноматериала включает горелку,представляющую собой стальной цилиндр 1, внутрь которого помещены слой керамики 2 и несколько слоев (например 2 слоя) металлической сетки 3 с диаметром ячеек 0,5-1 мм. Газовые каналы подачи реагента 4 и окислителя 5, содержащие измерительные клапаны 6 и флоуметры 7 для контроля газовых расходов, объединены в один канал 8 для приготовления рабочей смеси и далее снова разъединяются на два канала 9 для подачи к горелке. Образование углеродных наноструктур происходит на поверхности съемной стальной трубы 10, установленной сверху стального цилиндра 1. Установка работает следующим образом. По газовым каналам 4 и 5 через измерительные клапаны 6 и флоуметры 7 реагент и окислитель поступают к общему каналу 8, где они перемешиваются и образуют рабочую смесь. Далее в каналах 9 рабочая смесь разделяется на два одинаковых потока и подается к стальному цилиндру 1, где, проходя через слой пористой керамики 2, она равномерно распределяется по всему объему. На слоях сетки 3 с диаметрами ячеек 0,5-1 мм рабочая смесь разбивается на газовые потоки меньшего сечения, обладающие большими скоростями, которые достаточны для удержания фронта горения пламени вблизи поверхности сетки, что обеспечивает ее нагрев и создание инфракрасного свечения. Далее происходит поджиг рабочей смеси. В течение времени,порядка 15-30 мин, определяемом как стадия предварительного разогрева, установка работает на стехиометрической смеси реагента (углеводород) и окислителя (воздух), для которой преобладают реакции полного окисления. Когда слои сетки 3 прогреваются до температур 700-900 С и начинают излучать в инфракрасном спектре, предварительно полученную рабочую смесь обогащают углеводородами, т.е. значительно увеличивают долю реагента в смеси, что создает избыток углерода в зоне образования углеродных наноструктур - на металлической трубе 10. Слои сетки 3 за счет инфракрасного излучения позволяют сжигать более богатые смеси, содержащие большее количество углерода, а металлическая труба 10 значительно увеличивает поверхность образования углеродных наноструктур. Объединение газовых каналов 4 и 5 в один канал 8 обеспечивает приготовление рабочей смеси, а каналы 9 ее подачу к стальному цилиндру 1. Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет повысить производительность установки для получения углеродного наноматериала. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3