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 Буяков Игорь Федорович Крауклис Андрей Владимирович 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 генератор низкотемпературной плазмы, состоящий из катодно-анодной системы, связанной анодным отверстием с плазмохимическим реактором, внутри которого помещена цилиндрическая вставка, канал подачи плазмообразующего газа, блок питания, канал подачи углеводородов, систему охлаждения, связанную с системой фильтрации продуктов реакции, отличающаяся тем, что цилиндрическая вставка плазмохимического реактора выполнена из нержавеющей стали, содержащей железо и никель, а между внутренней стенкой корпуса реактора и внешней стенкой цилиндрической вставки помещен слой теплоизоляционного материала.(56) 1..,.,..,. - . 56, 2001. - . 21232132. 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 (прототип) является установка, которая описана в статье журналаиздательстваОбработка сажи термической плазмой. Анализ механизма образования частиц 1. Указанная установка содержит генератор низкотемпературной плазмы, состоящий из катодно-анодной системы и канала подачи плазмообразующего газа. Для питания электрического разряда служит блок питания. Нижняя часть катодно-анодной системы (анодное отверстие) соединена с плазмохимическим реактором, который представляет собой металлический цилиндр, с цилиндрической вставкой из графита. В месте соединения анодного отверстия с плазмохимическим реактором размещен канал подачи углеводородов. Углеводороды подаются непосредственно в плазменный поток, выходящий из анодного отверстия в плазмохимический реактор. В плазмохимическом реакторе углеводороды разлагаются, образуя сажевые микро- и наночастицы, водород и промежуточные радикалы. В нижней части плазмохимического реактора находится отверстие, через которое продукты реакции поступают в систему охлаждения и далее по специальному каналу в систему фильтрации. В результате процесса получается углеродный наноматериал, содержащий сажевые микро- и наночастицы, образующиеся во всем объеме реактора и водород. Недостатком данной конструкции является использование графита в качестве материала цилиндрической вставки внутри плазмохимического реактора. Графит не является катализатором для процесса образования углеродных наноструктур (нанотрубки, нановолокна), поэтому получаемый углеродный продукт (углеродный наноматериал) имеет низкую степень структуризации и состоит преимущественно из сажевых частиц и их скоплений различных размеров. Кроме того, температуры внутри плазмохимического довольно высоки и лежат в диапазоне 700-1000 С, что увеличивает тепловые потери в окружающую среду и снижает таким образом эффективность процесса. Задачей предлагаемого технического решения является увеличение эффективности процесса за счет увеличения степени структуризации получаемого углеродного материала и снижения тепловых потерь. Задача решается следующим образом известная установка содержит генератор низкотемпературной плазмы, состоящий из катодно-анодной системы, канала подачи плазмообразующего газа и блока питания. Нижняя часть катодно-анодной системы (анодное отверстие) соединена с плазмохимическим реактором, который представляет собой металлический цилиндр, внутрь которого помещена цилиндрическая вставка. В месте соединения анодного отверстия с плазмохимическим реактором размещен канал подачи углеводородов. Благодаря такому расположению углеводороды подаются непосредственно в плазменный поток, выходящий из анодного отверстия. В нижней части плазмохимический реактор соединен с системой охлаждения, которая посредством специального канала связана с системой фильтрации продуктов реакции. Согласно предлагаемому техническому решению внутренняя цилиндрическая вставка плазмохимического реактора 2 53282009.06.30 выполнена из нержавеющей стали, содержащей железо и никель, а между внутренней стенкой корпуса реактора и внешней стенкой цилиндрической вставки помещен слой теплоизоляционного материала. Железо и никель служат катализатором для образования углеродных нановолокон и нанотрубок на внутренней поверхности цилиндрической вставки плазмохимического реактора, а теплоизоляционный слой позволяет снизить тепловые потери и увеличить эффективность процесса. При разложении углеводородов в плазмохимическом реакторе образуются сажевые микро- и наночастицы, промежуточные радикалы, водород (во всем объеме) и углеродный наноматериал, содержащий углеродные нанотрубки и нановолокна (только на металлической поверхности), который по мере накопления самопроизвольно удаляется с внутренней поверхности реактора и через отверстие в его нижней части вместе с другими продуктами реакций поступает в систему охлаждения и далее по специальному каналу в систему фильтрации. Конечный продукт представляет углеродный наноматериал, содержащий сажевые микро- и наночастицы, образование которых происходит во всем объеме реактора, а также нановолокна и нанотрубки, образовавшиеся на внутренней поверхности плазмохимического реактора. Использования нержавеющей стали, содержащей железо и никель в качестве материала внутренней цилиндрической вставки плазмохимического реактора позволяет улучшить степень структуризации получаемого углеродного наноматериала, а наличие теплоизоляционного слоя между внутренней вставкой плазмохимического реактора и его корпусом позволяет снизить тепловые потери, таким образом, эффективность способа повышается. На фигуре представлен общий вид установки для получения углеродного наноматериала. Предлагаемая установка для получения углеродного наноматериала включает генератор низкотемпературной плазмы (плазмотрон), состоящий из катодно-анодной системы 1 и канала подачи плазмообразующего газа (воздух) 2. Для питания электрического разряда служит блок питания 3. Нижняя часть катодно-анодной системы (анодное отверстие) соединена с плазмохимическим реактором 4, представляющим собой металлический цилиндр, внутрь которого помещена цилиндрическая вставка 5, выполненная из нержавеющей стали, содержащей железо и никель. В месте соединения анодного отверстия с плазмохимическим реактором 4 выполнен канал 6 подачи углеводородов. Благодаря такому расположению углеводороды подаются непосредственно в плазменный поток,выходящий из анодного отверстия. В нижней части плазмохимический реактор 4 соединен с системой охлаждения 7, которая посредством специального канала 8 связана с системой фильтрации продуктов реакции 9. Между внутренней вставкой плазмохимического реактора 5 и его корпусом 4 находится слой теплоизоляционного материала 10. Установка работает следующим образом по газовому каналу 2 воздух подается в катодно-анодную систему 1, после чего происходит поджиг разряда и образование плазменного потока, который выходит в плазмохимический реактор 4 через анодное отверстие. По каналу 6 в плазменный поток подаются углеводороды. Благодаря высоким температурам в плазменном потоке углеводороды разлагаются, образуя промежуточные продукты реакции, включающие сажевые микро- и наночастицы, водород и промежуточные радикалы (различные, активные и неактивные углеводородные соединения). Часть продуктов,оседает на металлической стенке внутренней цилиндрической вставки 5 реактора, формируя углеродные наноструктуры (нанотрубки и нановолокна), а часть через нижнее отверстие плазмохимического реактора 4 поступает в систему охлаждения 7 и далее по специальному каналу 8 в систему фильтрации 9. Углеродный наноматериал, образующийся на металлической поверхности внутренней вставки плазмохимического реактора 5 самопроизвольно удаляется по мере его накопления и через отверстие в нижней части реактора вместе с другими продуктами реакций поступает в систему охлаждения 7 и далее по специальному каналу 8 в систему фильтрации 9. Теплоизоляционный слой 10 служит для снижения тепловых потерь и повышения эффективности процесса. Конечный продукт 3 53282009.06.30 представляет собой черно-серый порошок (сажа), содержащий микро- и наночастицы сажи, образующиеся в объеме и углеродные нанотрубки и нановолокна, выросшие на металлической поверхности плазмохимического реактора благодаря взаимодействию промежуточных продуктов реакции (активные радикалы и углеводородные соединения) с наночастицами железа и никеля. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет увеличить эффективность процесса, за счет использования нержавеющей стали в качестве материала внутренней вставки плазмохимического реактора, что повышает степень структуризации получаемого в процессе углеродного наноматериала, т.е. увеличивает содержание в нем углеродных нановолокон и нанотрудок наряду с сажевыми микро- и наночастицами и их скоплениями, а за счет введения теплоизоляционного слоя снизжаются тепловые потери. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4