DE102009048348A1 - Kohlenstoffnanoröhrenproduktionsprozess - Google Patents

Abstract

Kohlenstoffnanoröhren können für viele Anwendungen genutzt werden, aber der Hauptnachteil von ihnen ist, dass sie sehr teuer sind. Diese Erfindung beschreibt einen einfachen Prozess für die Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren im großen Stil. Dieser Prozess ist sehr billig. Er nutzt den sonochemischen Ansatz zur Erzeugung von Kohlenstoffnanoröhren. Es wird auch gezeigt, dass dieser Prozess genutzt werden kann für die Industrialisierung von sonochemischen Prozessen. Der zweite Teil der Erfindung beschreibt ein Gerät, welches in der Lage ist, starke Stoßwellen für Ultraschallanwendungen zu erzeugen.

Description

• Diese Erfindung befasst sich mit der Anwendung sonochemischer Reaktion allgemein und im Speziellen auf dem Gebiet der Nanopartikelsynthese.
• Stand der Technik
• In der Chemie, wird unter der Sonochemie die Anwendung von Schallwellen auf chemische Systeme verstanden. Der chemische Effekt kommt nicht von einer direkten Interaktion mit molekularen Teilchen. Studien haben gezeigt, dass es keinen direkten Zusammenhang zwischen dem akustischen Feld mit chemischen Teilchen auf molekularer Ebene geben kann, welcher für Sonochemie und Sonoluminescence eine Erklärung bietet. Statt dessen, entsteht Sonochemie aus der akustischen Kavitation (Die Bildung, Wachstum und implosive Kollaps von Blasen in einer Flüssigkeit). Dies wird durch Phänomene demonstriert wie, die Ultraschallbeschallung, Sonoluminescence und akustische Kavitation. Ein Hauptproblem warum Sonochemie bisher nicht im größeren Maßstab genutzt wird ist es, dass es nicht möglich ist wirtschaftlich starke akustische Wellen in Flüssigkeiten zu erzeugen. Eine neue Anwendung von Sonochemie ist die Produktion von Nanopartikeln wie Kohlenstoffnanoröhren, Titaniumnanokristalle etc. Diese Nanopartikel können für neue revolutionäre Elektroniken, Maschinen und Materialien angewendet werden. Weil eine hohe Reinheit haben, beispielsweise der von Soo-Hwan Jeong, Ju-Hye Ko, Jong-Bong Park, und Wanjun Park in ihrem Artikel „A Sonochemical Route to Single-Walled Carbon Nanotubes under Ambient Conditions" beschriebene Prozess nutzt eine 0.01 mol% ferrocene-dissolved p-xylene solution um 60% pure einwandige Kohlenstoffnanoröhren zu erzeugen.
• Ein Sprengstoff ist ein Material welches chemische oder anderweitig energetisch instabli ist oder eine plötzliche Explosion des Materials verursacht normalerweise durch die Produktion von Wärme und größen Druckänderungen (Explosion). Ein Beispiel für einen Sprengstoff ist ANFO (Ammoniumnitrate FUEL OXIDE) ein vielfach verwendeter Sprengstoff.
• Wenn ein Sprengstoff unterwasser gezündete wird, entsteht eine Stosswelle welche an der Wasseroberfläche reflektiert und invertiert wird. Dabei ensteht ein großer negativer Druck der zu einer starken Kavitation führt.
• Ein Vibrationstisch ist eine Tisch welcher in der Lage ist Vibrationen zu produzieren – meistes vertikale Vibrationen. Dies geschieht durch Vibrationsmotoren welche eine Zentripetale Kraft erzeugen, diese wird in eine vertikale Kraft umgerichtet. Vibrationstische werden oft dazu genutzt, Emulsionen zu erzeugen.
• Falls die vertikale Ozillation der Flüssigkeit stärker ist als 2 G dann wird sie auseindergerissen, so dass ein Teil von ihr nach oben und der andere nach unten fließt. Eine große Kavität entsteht. Diesen Effekt nennt man Wasserhammereffekt. Eine detaillierte Beschreibung kann hier gefunden werden: "Cavitation luminescence in a water hammer: Upscaling sonoluminescence" http://adsabs.harvard.edu/abs/2003PhFl...15.1457S.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• 1. zeigt die komplette Apparatur
• 2. zeigt die alternative Apparatur
• 3. Zeigt eine Stosswelle die Kavitation erzeugt
• 4. Zeigt eine Stosswelle welche die Grenzschicht durchdringt
• 5. Zeigt eine Stosswelle die von der Oberfläche reflektiert wird.
• 6. Zeigt den Vibrationstisch.
• Bezugszeichenliste

1

ANFO Patronen

2

Gattling Gerät

3

oberes Gehäuse

4

Flüssigkeit für Stosswellenerzeugung

5

unteres housing

6

Plastikplatte (Grenzschicht)

7

Flüssigkeit welche verarbeitet hier 0.01 mol% ferrocene-gelöste p-xylene Lösung mit Silica Puder

8

Explosionsquelleflüssigkeit

9

Flüssigkeit welche verarbeitet wird

10

Gasblase

11

Stosswelle

12

Gasblase nach Stosswelleninteraktion

13

Kollabierende Kavitationsblase

14

Vibrationstisch

15

Kavität

16

kollabierende Kavität

17

Richtungen der Flüssigkeit

18

Vakuumpumpe

19

Vakuumdichtung und Anschluss

• Beschreibung der Erfindung
• Diese Erfindung ermöglicht die Massenfertigung von Nanopartikeln durch Kavitation. Normalerweise wird Kavitation durch Ultraschall erzeugt dies ist jedoch ineffizient. Besser ist es Kavitation durch Explosionen zu erzeugen, wie es detailliert in der Erfindung beschrieben wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin eine Flüssigkeit vertikal vibrieren zu lassen – Wasserhammereffekt. Diese Erfindung kann nicht genutzt werden um Kohlenstoffnanoröhren zu erzeugen sondern auch für alle anderen anderen von Nanopartikel. Durch Verwenden eines Vakuums können bei der Wasserhammereffektmethode können bisherige sonochemische Prozesse wesentlich verbessert werden.
• Ausführungsbeispiel eins – Fig. 1, Fig. 3 und Fig. 4
• Zeichnung eins zeigt die komplette Apparatur. Die Erfindung besteht aus (1) ANFO explosif Patronen welche in einem Gattling Gerät verwendet werden (2). Dieses Gerät ist befestigt an einem starken Metallgehäuse welches aus zwei unterschiedlichen Teilen besteht, einem oberen (3) und unterem Teil (5). Die beiden Gehäuse sind getrennt durch eine Plastikschicht (6). Genauso werden zwei Flüssigkeiten durch die Plastikplatte getrennt. Die Flüssigkeit für die chemische Verarbeitung (7) und die Flüssigkeit in welcher die Stoßwellen erzeugt werden (4). Das Gattling Gerät verwendet die ANFO Munition um große Unterwasserkavitäten und Stoßwellen zu erzeugen. Diese Stoßwellen passieren die Plastikplatte. Auf Grund der Tatsache, dass die Plastikplatte dichter ist als das Wasser, wird die Stoßwelle invertiert, dies bedeutete negativer Druckwelle (siehe 4). Diese negative Stoßwelle zwingt die Gasblasen welche in der anderen Flüssigkeit vorhanden sind zu expandieren und rasch zu implodieren – Kavitation. In unserem Fall ist diese Flüssigkeit eine p-Zylol Ferrozene Lösung und es entstehen dabei Kohlenstoffnanoröhren.
• Ausführungsbeispiel 2 – Fig. 2
• Figur zwei zeigt eine einfachere Ausführung. In dieser sind die erzeugende und die verarbeitende Flüssigkeit identisch. Der Nachteil durch diese Anordnung ist, dass die Flüssigkeit durch den Explosivstoff verunreinigt wird. Die durch die Explosion erzeugte Stoßwelle wird an der Oberfläche reflektiert und invertiert, und erzeugt dadurch die Kavitation.
• Ausführungsbeispiel 3 – Fig. 6
• 6 zeigt die alternative Ausführung der Erfindung. Diese besteht aus einem Vibrationstisch (14) welcher mit einer Flüssigkeit in einem Behälter gefüllt ist (7) in unserem Fall die 0.01 mol% Ferrozene gelöste p-Xylol Lösung mit Silica Partikeln. Oberhalb des Behälters befindet eine Vakuumdichtung mit Anschluss (19) der zu einer Vakuumpumpe führt (18). Durch die vertikale Bewegung des Vibrationstisches werden innerhalb der Flüssigkeit Hohlräumke erzeugt durch den Wasserhammereffekt die implodieren wieder – Kavitation. Durch die Kavitation werden sonochemische Prozesse gestartet diese erzeugen die Kohlenstoffnanoröhren. Dieser Effekt kann erheblich durch die Verwendung eines Vakuums gesteigert werden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Soo-Hwan Jeong, Ju-Hye Ko, Jong-Bong Park, und Wanjun Park in ihrem Artikel „A Sonochemical Route to Single-Walled Carbon Nanotubes under Ambient Conditions” [0002]
• ”Cavitation luminescence in a water hammer: Upscaling sonoluminescence” http://adsabs.harvard.edu/abs/2003PhFl...15.1457S [0006]

Claims (10)

1. Ein Prozess, der Sprengstoff verwendet, um sonochemische Reaktionen auslösen.
2. Ein Prozess nach (1) in welchem zwei unterschiedliche Flüssigkeiten, eine für die Stosswellenerzeugung und eine in welcher die chemischen Reaktionen stattfinden, voneinder getrennt sind, so dass die Stosswellen von einer in die andere Flüssigkeit eindringen können.
3. Ein Prozess nach (1) in welchem die Stosswellen durch eine Grenzschicht invertiert wird.
4. Ein Prozess welcher die Wasserhammermethode nutzt um Nanopartikel zu erzeugen.
5. Ein Prozess welcher die Wasserhammermethode nutzt um Kohlenstoffnanoröhren zu erzeugen.
6. Ein Prozess welcher die Wasserhammermethode nutzt um Fullerene zu erzeugen.
7. Ein Prozess welcher die Wasserhammermethode nutzt um sonochemische Reaktionen auszulösen.
8. Ein Prozess welcher die Wasserhammermethode nutzt um Nanokomposite zu fertigen,
9. Ein Prozess welcher die Wasserhammermethode nutzt um Nanoemulsionen zu fertigen
10. Ein Prozess nach Anspruch 7 der verstärkt wird indem ein Vakuum verwendet wird.

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