Установка для получения углеродного наноматериала

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО НАНОМАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени 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 имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Установка для получения углеродного наноматериала, содержащая генератор низкотемпературной плазмы, состоящий из катодно-анодной системы, связанной анодным отверстием с плазмохимическим реактором, внутри которого расположена цилиндрическая вставка из нержавеющей стали, содержащей железо и никель, блок питания, канал подачи плазмообразующего газа и канал подачи углеводородов, а между внутренней стенкой плазмохимического реактора и цилиндрической вставкой помещен слой теплоизоляционного материала, отличающаяся тем, что плазмохимический реактор дополнительно снабжен 66662010.10.30 подвижным чистящим устройством из нержавеющей стали, состоящим из рабочей части,плотно прилегающей к поверхности цилиндрической вставки, и связанного с ней штока промежуточной секцией, расположенной под углом не более 45 к оси реактора, в стенке которой выполнено отверстие для штока, а также трубой вывода продуктов разложения причем нижняя часть промежуточной секции снабжена камерой сбора полученных углеродных наноматериалов с герметично закрываемой крышкой.(56) 1. Патент РБ 5328, МПК 82 3/00, 2009. 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 (прототипом) является установка для получения углеродных наноматериалов 1. Указанная установка содержит генератор низкотемпературной плазмы (плазмотрон), состоящий из катодноанодной системы и канала подачи плазмообразующего газа (воздуха). Для питания электрического разряда служит блок питания. Нижняя часть катодно-анодной системы (анодное отверстие) соединена с плазмохимическим реактором, представляющим собой металлический цилиндр (или несколько соединенных цилиндров), внутрь которого помещена цилиндрическая вставка, выполненная из нержавеющей стали, содержащей железо и никель. В месте соединения анодного отверстия с плазмохимическим реактором выполнен 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. Между цилиндрической вставкой плазмохимического реактора и его корпусом расположен слой теплоизоляционного материала. Углеводороды подаются непосредственно в плазменный поток, выходящий из анодного отверстия в плазмохимический реактор. 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, накапливаемый только на металлической поверхности цилиндрической вставки. По мере его накопления углеродный наноматериал самопроизвольно удаляется с внутренней поверхности цилиндрической вставки реактора и через отверстие в его нижней части вместе с другими продуктами разложения 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 металлической поверхности цилиндрической вставки плазмохимического реактора. Недостатком данной конструкции является использование систем охлаждения и фильтрации, где происходит накопление образованных во всем объеме реактора сажевых микрои наночастиц и смешение их с нановолокнами и нанотрубками, которые образуются на внутренней металлической поверхности цилиндрической вставки реактора. Из-за смешивания аморфного и структурированного углерода качество конечного продукта снижается по сравнению с качеством материала, образующегося на стенках реактора из продуктов разложения углеводородов, который содержит углеродные нанотрубки и нановолокна. 2 66662010.10.30 Задачей предлагаемого технического решения является улучшение качества (степени структуризции) получаемого углеродного наноматериала. Задача решается следующим образом. Известная установка содержит генератор низкотемпературной плазмы (плазмотрон),состоящий из катодно-анодной системы, канала подачи плазмообразующего газа (воздуха) и канала подачи углеводородов. Для питания электрического разряда служит блок питания. Нижняя часть катодно-анодной системы через анодное отверстие связана с плазмохимическим реактором, внутрь которого помещена цилиндрическая вставка, выполненная из нержавеющей стали, содержащей железо и никель. Железо и никель служат катализатором для образования углеродных нановолокон и нанотрубок на внутренней поверхности цилиндрической вставки плазмохимического реактора. Благодаря такому расположению углеводороды подаются непосредственно в плазменный поток, выходящий из анодного отверстия. Между цилиндрической вставкой плазмохимического реактора и его корпусом помещен слой теплоизоляционного материала. Согласно предлагаемому техническому решению плазмохимический реактор дополнительно снабжен подвижным чистящим устройством из нержавеющей стали, состоящим из рабочей части, плотно прилегающей к поверхности цилиндрической вставки, и связанного с ней штока. Устройство приводится в движение специальным механизмом или вручную. К нижней части плазмохимического реактора подсоединена промежуточная секция, размещенная под углом к оси реактора не более 45, в стенке которой выполнено отверстие для штока, для того чтобы тот свободно перемещался вдоль вертикальной оси реактора по всей его длине. Нижняя часть промежуточной секции соединена с камерой сбора полученных углеродных наноматериалов с герметично закрываемой крышкой, где происходит их естественное охлаждение. В нижней части плазмохимического реактора между ним и промежуточной секцией расположена труба вывода продуктов разложения. При разложении углеводородов в плазмохимическом реакторе образуются сажевые микро- и наночастицы (аморфный углерод), промежуточные радикалы, водород (во всем объеме) и углеродный наноматериал, содержащий углеродные нанотрубки и нановолокна,образующиеся только на металлической поверхности цилиндрической вставки плазмохимического реактора, который по мере накопления удаляется с ее внутренней поверхности рабочей частью чистящего устройства путем поступательного перемещения штока по всей длине реактора и ссыпается в специальную камеру сбора депозита. Газообразные продукты реакций и сажевые частицы удаляются через трубу для вывода продуктов разложения,расположенную в нижней части плазмохимического реактора. Таким образом, использование дополнительно введенных подвижного чистящего устройства, секции с камерой сбора полученного углеродного материала, в которой осуществляется его естественное охлаждение, и трубы для вывода газообразных продуктов разложения и аморфного углерода позволяет получать качественный материал с высоким содержанием структурированных форм углерода (нанотрубки и нановолокна), образующихся на металлической поверхности цилиндрической вставки плазмохимического реактора. 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 (воздуха) 2. Для питания электрического разряда служит блок питания 3. Нижняя часть катодно-анодной системы 1 через анодное отверстие соединена с плазмохимическим реактором 4, представляющим собой металлический цилиндр (или несколько соединенных цилиндров), 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 непо 3 66662010.10.30 средственно в плазменный поток, выходящий из анодного отверстия. В нижней части плазмохимический реактор 4 соединен с промежуточной секцией 7, размещенной под углом к оси реактора не более 45 с отверстием для штока 8, который крепится к рабочей части 9 чистящего устройства. Отверстие в секции 7 направляет шток 8, приводящий в движение рабочую часть 9 чистящего устройства, вдоль вертикальной оси плазмохимического реактора 4. Длина штока 8 определяется длиной цилиндрической вставки 5 плазмохимического реактора 4 так, чтобы рабочая часть чистящего устройства 9 свободно проходила по всей ее длине. Промежуточная секция 7 в нижней части соединена с камерой 10 сбора полученного углеродного наноматериала, которая закрывается герметичной крышкой 11. Труба 12 вывода продуктов разложения (газообразные продукты реакций и аморфный углерод) расположена в нижней части плазмохимического реактора 4 между ним и секцией 7. Между цилиндрической вставкой 5 и корпусом плазмохимического реактора 4 расположен слой теплоизоляционного материала 13. Установка работает следующим образом. По газовому каналу 2 воздух подается в катодно-анодную систему 1, после чего с помощью блока питания 3 происходит поджиг разряда и образование плазменного потока,который выходит через анодное отверстие и поступает в плазмохимический реактор 4. По каналу 6 в плазменный поток подают 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 плазмохимического реактора 4, формируя углеродный наноматериал, содержащий углеродные нанотрубки и нановолокна, а часть, содержащая аморфный углерод и газообразные продукты разложения, через трубу 12 выводится из реактора. Углеродный наноматериал, образующийся на металлической поверхности внутренней вставки 5 плазмохимического реактора 4, удаляется по мере его накопления посредством рабочей части 9 чистящего устройства, которое с помощью штока 8 приводится в движение извне механически или вручную (на фигуре не показано). Рабочая часть 9 чистящего устройства перемещается по всей длине цилиндрической вставки 5 плазмохимического реактора 4, соскребая с ее поверхности углеродный наноматериал, который далее по наклонной поверхности промежуточной секции 7 попадает в камеру 10 для сбора углеродного наноматериала, где накапливается до остывания установки. После выключения электрического разряда и выключения подачи воздуха и углеводородов герметичную крышку 11 камеры 10 сбора углеродного наноматериала открывают и удаляют оттуда собранный продукт. Теплоизоляционный слой 13 служит для снижения тепловых потерь и повышения эффективности процесса. Конечный продукт представляет собой черно-серый порошок, содержащий микро- и наночастицы сажи, образующиеся в объеме, и углеродные нанотрубки и нановолокна, выросшие на металлической поверхности цилиндрической вставки 5 плазмохимического реактора 4 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 предлагаемой конструкции, которая обеспечивает повышение степени структуризации получаемого в процессе углеродного наноматериала, т.е. увеличивает содержание в нем углеродных нановолокон и нанотрубок наряду с сажевыми микро- и наночастицами и их скоплениями. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4