Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6666
(13) U
(46) 2010.10.30
(51) МПК (2009)
B 82B 3/00
(54) УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО НАНОМАТЕРИАЛА
(21) Номер заявки: u 20100200
(22) 2010.03.02
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт тепло- и
массообмена имени А.В.Лыкова
Национальной академии наук Бела-
руси" (BY)
(72) Авторы: Жданок Сергей Александро-
вич; Буяков Игорь Федорович;
Крауклис Андрей Владимирович; Бо-
рисевич Кирилл Олегович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт тепло-
и массообмена имени А.В.Лыкова
Национальной академии наук Белару-
си" (BY)
(57)
Установка для получения углеродного наноматериала, содержащая генератор низко-
температурной плазмы, состоящий из катодно-анодной системы, связанной анодным от-
верстием 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 теплоизоляционно-
го материала, отличающаяся тем, что плазмохимический реактор дополнительно снабжен
BY6666U2010.10.30

2. BY 6666 U 2010.10.30
2
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 угле-
родных наноматериалов с герметично закрываемой крышкой.
(56)
1. Патент РБ 5328, МПК B 82B 3/00, 2009.
Предлагаемое техническое решение относится к области изготовления и обработки
наноструктур, в частности к установкам для получения углеродных наноматериалов, со-
держащих 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 катодно-
анодной системы и канала подачи плазмообразующего газа (воздуха). Для питания элект-
рического разряда служит блок питания. Нижняя часть катодно-анодной системы (анодное
отверстие) соединена с плазмохимическим реактором, представляющим собой металличе-
ский цилиндр (или несколько соединенных цилиндров), внутрь которого помещена ци-
линдрическая 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 непосред-
ственно в плазменный поток, выходящий из анодного отверстия. В нижней части плазмо-
химический реактор соединен с системой охлаждения, которая посредством специального
канала связана с системой фильтрации продуктов реакции. Между цилиндрической встав-
кой 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 плазмохимиче-
ском реакторе образуются сажевые микро- и наночастицы, промежуточные радикалы, во-
дород (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 происхо-
дит во всем объеме реактора, а также нановолокна и нанотрубки, образовавшиеся на внут-
ренней металлической поверхности цилиндрической вставки плазмохимического реактора.
Недостатком данной конструкции является использование систем охлаждения и фильт-
рации, где происходит накопление образованных во всем объеме реактора сажевых микро-
и наночастиц и смешение их с нановолокнами и нанотрубками, которые образуются на
внутренней металлической поверхности цилиндрической вставки реактора. Из-за смеши-
вания 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.

3. BY 6666 U 2010.10.30
3
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 (возду-
ха) и канала подачи углеводородов. Для питания электрического разряда служит блок пи-
тания. Нижняя часть катодно-анодной системы через анодное отверстие связана с
плазмохимическим реактором, внутрь которого помещена цилиндрическая вставка, вы-
полненная из нержавеющей стали, содержащей железо и никель. Железо и никель служат
катализатором для образования углеродных нановолокон и нанотрубок на внутренней по-
верхности цилиндрической вставки плазмохимического реактора. Благодаря такому рас-
положению 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 допол-
нительно 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, раз-
мещенная 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 полу-
ченных 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 плазмохи-
мического 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 продук-
ты реакций и сажевые частицы удаляются через трубу для вывода продуктов разложения,
расположенную в нижней части плазмохимического реактора. Таким образом, использо-
вание 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 угле-
рода позволяет получать качественный материал с высоким содержанием структуриро-
ванных форм углерода (нанотрубки и нановолокна), образующихся на металлической
поверхности цилиндрической вставки плазмохимического реактора.
На фигуре представлен общий вид установки для получения углеродного наноматери-
ала.
Предлагаемая установка для получения углеродного наноматериала включает генера-
тор низкотемпературной плазмы (плазмотрон), состоящий из катодно-анодной системы 1
и канала подачи плазмообразующего газа (воздуха) 2. Для питания электрического разря-
да служит блок питания 3. Нижняя часть катодно-анодной системы 1 через анодное отвер-
стие соединена с плазмохимическим реактором 4, представляющим собой металлический
цилиндр (или несколько соединенных цилиндров), внутрь которого помещена цилиндри-
ческая 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-

4. BY 6666 U 2010.10.30
4
средственно в плазменный поток, выходящий из анодного отверстия. В нижней части
плазмохимический реактор 4 соединен с промежуточной секцией 7, размещенной под уг-
лом 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 плазмохимиче-
ского реактора 4. Длина штока 8 определяется длиной цилиндрической вставки 5 плазмо-
химического реактора 4 так, чтобы рабочая часть чистящего устройства 9 свободно
проходила по всей ее длине. Промежуточная секция 7 в нижней части соединена с каме-
рой 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 ре-
актора 4 расположен слой теплоизоляционного материала 13.
Установка работает следующим образом.
По газовому каналу 2 воздух подается в катодно-анодную систему 1, после чего с по-
мощью 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 реак-
ции, включающие сажевые микро- и наночастицы, водород и промежуточные радикалы
(различные активные и неактивные углеводородные соединения). Часть продуктов оседа-
ет 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 разложе-
ния, через трубу 12 выводится из реактора. Углеродный наноматериал, образующийся на
металлической поверхности внутренней вставки 5 плазмохимического реактора 4, удаля-
ется 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 цилин-
дрической вставки 5 плазмохимического реактора 4, соскребая с ее поверхности углерод-
ный наноматериал, который далее по наклонной поверхности промежуточной секции 7
попадает в камеру 10 для сбора углеродного наноматериала, где накапливается до остыва-
ния 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, вы-
росшие на металлической поверхности цилиндрической вставки 5 плазмохимического
реактора 4 благодаря взаимодействию промежуточных продуктов реакции (активные ра-
дикалы и углеводородные соединения) с наночастицами железа и никеля.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет увеличить эффектив-
ность процесса за счет предлагаемой конструкции, которая обеспечивает повышение степени
структуризации получаемого в процессе углеродного наноматериала, т.е. увеличивает со-
держание в нем углеродных нановолокон и нанотрубок наряду с сажевыми микро- и на-
ночастицами и их скоплениями.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.