Плазмохимическая установка для синтеза углеродного наноматериала

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СИНТЕЗА УГЛЕРОДНОГО НАНОМАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Горбунов Андрей Васильевич Скоморохов Дмитрий Сергеевич Долголенко Григорий Васильевич Никончук Александр Николаевич Бублиевский Александр Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Плазмохимическая установка для синтеза углеродного наноматериала, содержащая плазмохимический реактор, состоящий из реакционного канала с двумя электродами и камеры осаждения углеродного наноматериала, систему газоснабжения реактора и источник электропитания газового разряда в реакторе, отличающаяся тем, что источник электропитания газового разряда в реакторе дополнительно снабжен высоковольтным трансформатором для поддержания непрерывной работы электродов в режиме скользящей электрической дуги со сменой их полярности и регулятором напряжения газового разряда,а электроды расположены коаксиально по отношению друг к другу и образуют реакционный канал, причем внешний электрод выполнен в форме трубы с нижней конусообразной частью, а установка дополнительно содержит магнитную систему с регулятором напряжения магнитной системы, установленную в зоне конусообразной части реакционного канала соосно с ним. 2. Плазмохимическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что высоковольтный трансформатор снабжен тремя резисторами для обеспечения измерения напряжения и силы тока газового разряда с помощью вольтметра и амперметра переменного тока.(56) 1. Песецкий С.С., Жданок С.А., Буяков И.Ф., Богданович С.П., Солнцев А.П., Крауклис А.В. О структуре и свойствах полиамида 6, модифицированного в расплаве углеродными наноматериалами // ДАН Беларуси. - 2004. - Т. 44. -6. - С. 102-107 (прототип). 45192008.08.30 Полезная модель относится к области получения наноструктур, в частности к получению углеродных наноматериалов, содержащих многостенные и одностенные углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна, частицы нанографита, и может быть использована для создания полимерных и бетонных нанокомпозитов и наноармированных покрытий с улучшенными механическими свойствами, которые могут найти применение в машиностроении, приборостроении, химической промышленности, производстве строительных материалов, аэрокосмической технике, медицине и других отраслях. Известна плазмохимическая установка для синтеза углеродного наноматериала 1,выбранная в качестве прототипа. Установка включает в себя плазмохимический реактор,систему его газоснабжения и источник электропитания газового разряда, горящего в данном реакторе. Плазмохимический реактор состоит из кварцевой трубки, где происходит зажигание и горение газового разряда (реакционный канал), и камеры осаждения углеродного наноматериала. Катод и анод (электроды) установлены в кварцевой трубке следующим образом катод - в верхней ее части, а анод - в нижней. Катод имеет систему, позволяющую перемещать его вертикально по оси кварцевой трубки. Механизм перемещения катода позволяет изменять межэлектродное расстояние в диапазоне 0-60 мм. Анод заземлен и имеет форму диска с центральным отверстием. Отверстие предназначено для выхода газовой смеси из зоны реакции. Источник электропитания газового разряда предназначен для зажигания газового разряда и поддержания его стабильного горения в кварцевой трубке реактора. Система газоснабжения реактора включает в себя запорную арматуру и управляемые расходомеры, систему охлаждения, состоящую из холодильника, конденсатосборника и хроматографа, и термопары, установленные на внешней стенке стакана (камеры). Камера осаждения углеродного наноматериала выполнена цилиндрической и изготовлена из нержавеющей стали, являющейся каталитическим материалом в процессе образования нанотрубок и других наночастиц в данной плазмохимической установке. Установка работает следующим образом. В кварцевую трубку плазмохимического реактора через систему газоснабжения подается газовая смесь, содержащая природный газ или другое алкановое сырье. Источник электропитания газового разряда, горящего в реакторе, включает высоковольтный диодный или тиристорный выпрямитель, питающийся от промышленной трехфазной сети переменного тока, и обеспечивает зажигание и горение высоковольтного разряда на постоянном токе. Обработка рабочей газовой смеси происходит в зоне горения высоковольтного разряда между катодом и анодом. Затем синтезированный углеродный наноматериал вместе с потоком газа через отверстие в аноде поступает в стакан (камеру) осаждения и осаждается на внутренних стенках стакана. По показаниям термопар, установленных на внешней стенке стакана (камеры), выполняется контроль температуры газового потока. Отработанный газ направляется в систему охлаждения. Недостатком данного устройства является недостаточная производительность и сложность конструкции из-за использования для электропитания газового разряда в реакторе выпрямительного устройства, дающего на выходе постоянный ток. Задачей предлагаемого технического решения является повышение производительности и упрощение плазмохимической установки для синтеза углеродного наноматериала. Задача решается следующим образом. Плазмохимическая установка для синтеза углеродного наноматериала содержит плазмохимический реактор, состоящий из реакционного канала с двумя электродами и камеры осаждения углеродного наноматериала, систему газоснабжения реактора и источник электропитания газового разряда в реакторе. Согласно предлагаемому техническому решению источник электропитания газового разряда в реакторе дополнительно снабжен высоковольтным трансформатором для поддержания непрерывной работы электродов в режиме скользящей электрической дуги со сменой их полярности и регулятором напряжения га 2 45192008.08.30 зового разряда, а электроды расположены коаксиально по отношению друг к другу и образуют реакционный канал, причем внешний электрод выполнен в форме трубы с нижней конусообразной частью, а установка дополнительно содержит магнитную систему с регулятором напряжения магнитной системы, установленную в зоне конусообразной части реакционного канала соосно с ним. Кроме того, высоковольтный трансформатор снабжен тремя резисторами для обеспечения измерения напряжения и силы тока газового разряда с помощью вольтметра и амперметра переменного тока. На фиг. 1 изображена схема общего вида предлагаемой установки. На фиг. 2 показана схема источника электропитания газового разряда. Установка содержит плазмохимический реактор, систему газоснабжения 12 реактора с трубкой ввода 4, обеспечивающей подачу рабочей газовой смеси в реакционный канал, и источник электропитания 11 газового разряда с подключенными к нему регулятором напряжения 8 магнитной системы и регулятором напряжения 10 газового разряда. Плазмохимический реактор включает реакционный канал, образованный расположенными коаксиально по отношению друг к другу центральным трубчатым электродом 1 и внешним электродом 2, и камеру осаждения 7 углеродного наноматериала, расположенную под реакционным каналом, предназначенную для осаждения углеродного наноматериала и роста углеродных нанотрубок. Реакционный канал состоит из трубчатой части 5 и конусообразной части 6. К верхней части центрального трубчатого электрода 1 присоединена межэлектродная диэлектрическая вставка 3, предназначенная для предотвращения электрического контакта между электродами. Внешний электрод 2 выполнен в форме трубы с нижней конусообразной частью. Реакционный канал и камера осаждения 7 углеродного наноматериала соединены между собой крепежными элементами по фланцам (на схеме не показаны). Источник электропитания 11 газового разряда снабжен высоковольтным трансформатором 9 для поддержания непрерывной работы электродов в режиме скользящей электрической дуги со сменой их полярности, содержащим три резистора 14. Резисторы 14 обеспечивают изменения напряжения и силы тока в цепи. Напряжение и силу тока измеряют с помощью вольтметра 15 и амперметра 16 переменного тока. Плазмохимический реактор оснащен магнитной системой 13, установленной в зоне конусообразной части реакционного канала соосно с ним и позволяющей создавать в зоне разряда вращающееся магнитное поле. Установка работает следующим образом. Через систему газоснабжения 12 подготовленную газовую смесь подают в трубчатую часть 5 реакционного канала. Плазмохимический реактор питают из системы газоснабжения 12 сжатым воздухом из сети сжатого воздуха и пропан-бутаном от стандартного баллона. Измерение расхода воздуха осуществляют ротаметром, а пропан-бутана критическим сопловым расходомером (на чертеже не показаны). Пропановоздушную смесь подают по трубке ввода 4 в трубчатую часть 5 реакционного канала, в котором она получает вращение за счет несоосного расположения трубки ввода 4 относительно трубчатой части 5 реакционного канала, после чего пропановоздушная смесь поступает в конусообразную часть 6 реакционного канала. Обработка рабочей газовой смеси и синтез углеродного наноматериала происходят в реакционном канале в зоне горения высоковольтного разряда между электродом 1 и внешним электродом 2. От источника электропитания 11 подают напряжение на регулятор напряжения 10 газового разряда. С выхода регулятора напряжения 10 газового разряда через высоковольтный трансформатор 9 подают напряжение на электроды 1 и 2, отделенные друг от друга межэлектродной диэлектрической вставкой 3. С помощью высоковольтного трансформатора 9, снабженного тремя резисторами 14 для обеспечения измерения напряжения и силы 3 45192008.08.30 тока газового разряда с помощью вольтметра 15 и амперметра 16 переменного тока, поддерживают непрерывную работу электродов в режиме скользящей электрической дуги. Электрическую дугу поджигают вверху конусообразной части 6 реакционного канала,после чего напор исходящего потока газа выдувает ее вниз конусообразной части 6 реакционного канала, где дуга гаснет при смене полярности электродов и загорается вновь вверху конусообразной части 6 реакционного канала с помощью высоковольтного трансформатора 9. Этот режим повторяется каждый полупериод. Далее синтезированный углеродный наноматериал вместе с потоком газа поступает в камеру осаждения 7 углеродного наноматериала и осаждается на внутренней ее поверхности. Магнитная система 13, подключенная через регулятор напряжения 8 магнитной системы к источнику электропитания 11, обеспечивает за счет сжатия плазменного потока стабилизацию газодинамики и диффузионного горения, в том числе частичного окисления углеводородов. Температура на внутренней поверхности камеры осаждения 7 углеродного наноматериала, выполненной из стали 1218 Н 10, составляет 950-1170 К, что обеспечивает каталитический рост углеродных нанотрубок. Таким образом, благодаря данным конструкционным особенностям происходит повышение производительности плазмохимической установки для синтеза углеродного наноматериала за счет ее упрощения и удешевления при синтезе наноматериала с достаточным содержанием углеродных нанотрубок - до 15 массовых . Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4