ITUB20151145A1 - Apparato per il confinamento fisico di una torcia al plasma finalizzato all’incremento di resa in sintesi di materiali ceramici. - Google Patents

Description

APPARATO PER IL CONFINAMENTO FISICO DI UNA TORCIA AL PLASMA FINALIZZATO ALL?INCREMENTO DI RESA IN SINTESI DI

MATERIALI CERAMICI

La presente invenzione riguarda un apparato per il confinamento fisico di una torcia al plasma finalizzato all?incremento di resa in sintesi di materiali ceramici.

Pi? in particolare, la presente invenzione riguarda una soluzione tecnologica per l?incremento di resa in processi di sintesi in continuo di materiali ceramici in torcia al plasma, utilizzando come reagenti dei precursori solidi. In particolare, la soluzione oggetto della presente invenzione mostra vantaggiosa applicazione nell?incremento di resa di carburo di silicio submicronico e nanometrico a partire da precursori solidi, a cui la descrizione che segue far? esplicito riferimento senza per questo perdere in generalit?.

Stato della tecnica

Il carburo di silicio ? un ceramico tecnico che trova svariate applicazioni per le sue interessanti propriet? meccaniche (durezza, resistenza meccanica), termiche (alta conduttivit? termica, resistenza a shock termici) e chimiche (resistenza alla corrosione, inerzia chimica).

Il metodo principale per la produzione di carburo di silicio ? la riduzione carbotermica di SiO2 con coke a 2200-2500 ?C [1]. Il prodotto grezzo ? costituito da carburo di silicio, coke e silice non reagita. Per purificarlo si eseguono una combustione sul prodotto grezzo in aria a circa 700 ?C per bruciare il coke residuo ed un lavaggio con acido fluoridrico per rimuovere la silice. A causa dei lunghi tempi di reazione il prodotto ? costituito da particelle a taglia larga; tuttavia, i materiali nanometrici e i relativi nano-compositi hanno propriet? meccaniche e termiche molto pi? interessanti rispetto ai corrispettivi di dimensioni micrometriche o superiori.

Negli ultimi quarant?anni sono stati depositati brevetti e pubblicati articoli scientifici il cui oggetto ? stato la produzione di carburo di silicio nanometrico tramite reattori con torcia al plasma. I precursori alimentati alla torcia erano in fase gassosa (miscela di metano e silano, miscela di acetilene, acetone e silano), in fase liquida (metilclorosilano) e in fase solida (fonte di carbonio: grafite, char, carbon black; e polvere di silice). Inoltre un carburo di silicio micrometrico ? stato usato come precursore solido per ottenere un carburo di silicio nanometrico tramite torcia al plasma. In questo caso la torcia lavora fisicamente per ridurre la taglia dei grani di carburo di silicio. Per congelare le dimensioni dei grani di carburo di silicio ad una taglia nanometrica sono stati impiegati dei sistemi di raffreddamento dei grani. Occorre osservare che in questi sistemi il vero reattore ? la fiamma del plasma, le cui geometrie (dimensioni), temperature e velocit? determinano le condizioni di processo ed il decorso della reazione.

Nel 1972 R. M. Salinger pubblic? un articolo ?Preparation of Silicon Carbide from methilchlorosilanes in a plasma torch?. Egli us? una torcia al plasma a radiofrequenza avente una potenza di 50 kW, i precursori erano metilclorosilano e metiltriclorosilano che vennero iniettati nel plasma in forma liquida. Il carburo di silicio fu ottenuto con una taglia inferiore al micron.

Nel 1981 Asai Tadamichi e Nakamura Kousuke, hanno brevettato ?preparation of silicon carbide fine powder?. Essi hanno miscelato in modo equimolare gas silano e metano nel plasma gas (Argon) di una torcia al plasma per sintetizzare la polvere di SiC. Gli autori dichiarano che la polvere presenta trascurabili impurezze carboniose o silicee ed ? adatta alla produzione di manufatti in SiC tramite processo di sinterizzazione.

Nel 1995 Guo et al. sintetizzarono polvere di carburo di silicio da silicio elementare e metano usando un plasma ad induzione. La fase limitante del processo era la vaporizzazione del silicio metallico. Quest?ultima era funzione della taglia della polvere di silicio. La massima conversione del Silicio a carburo di silicio fu pari a circa il 70%, usando una potenza di torcia pari a 43 kW, del silicio metallico avente una taglia di 45 ?m ad una portata pari a 4 g/min.

Nel 2002 Oh et al. hanno pubblicato un articolo dal titolo ?Preparation of Nano-Sized Silicon Carbide Powder Using Thermal Plasma?. Essi hanno riportato la sintesi di carburo di silicio nanometrico avente una taglia inferiore ai 100nm attraverso un plasma in corrente continua di potenza pari a circa 10 kW, usando un precursore liquido volatile (tetracloruro di silano) ed uno gassoso (metano).

Nel 2008 Rhee Jae Hui, Kim Myung Chan, Kim Seong Hoon, Yu In Keun, Cho Seung Yon hanno brevettato ?Synthesis system for silicon carbide nanopowder?, KR20080029196. Essi usarono come precursore un composto liquido silico-organico che veniva trasportato da un gas nella fiamma del plasma. Un sistema di raffreddamento a gas era usato per raffreddare le particelle di carburo di silicio e congelare la loro dimensione ad una taglia nanometrica.

Nel 2011 Yu In Keun, Yoo Suk Jae and Cho Seung Yon hanno depositato un brevetto dal titolo ?Synthesis system for SiC particles by plasma (jet) and synthesis methods? che tratta la sintesi di polveri fini di carburo di silicio in un reattore a plasma jet, utilizzando metiltriclorosilano come precursore.

Nel 2011 Karoly et al. hanno pubblicato un articolo ?Synthesis of SiC powder by RF plasma technique?. Essi hanno usato come reagenti miscele costituite da polveri di silice commerciale e differenti tipi di polveri carboniose, ottenendo un carburo di silicio nanometrico in una torcia in scala laboratorio da 25 kW, alimentando 50 g/h di polvere precursice. Le conversioni pi? alte sono state ottenute con una miscela precursice avente rapporto massico Char/SiO2 pari ad uno.

Nel 2011 ? stato depositato un brevetto? ?Production method for nano silicon carbide using a thermal plasma? da Ho Bae, Sung Duk Jeon e Yeon Tae Yu, WO2012148034. Gli autori hanno miscelato e calcinato polvere di silicio avente un diametro minore di 100 ?m e come fonte carboniosa grafite o carbon black, sintetizzando una polvere di carburo di silicio micrometrico. Il prodotto ? stato trattato in torcia al plasma per ottenere un carburo di silicio nanometrico. Il metodo consente di ottenere una polvere di carburo di silicio con taglia media delle particelle variabile tra i 10 e 500 nm.

Nel 2012 Maskrot Hicham ha brevettato ?Method for the physical synthesis of silicon carbide nanopowders allowing the physicochemical properties of silicon carbide to be maintained during synthesis?, PCT/EP2012/074604. L?invenzione descrive un metodo per la sintesi di carburo di silicio tramite laser o pirolisi al plasma da una miscela di reazione a base di acetilene, acetone e silano.

Oltre al Carburo di Silicio altri ceramici tecnici possono essere sintetizzati in reattori a torcia al plasma a partire da opportuni precursori. A titolo di esempio ricordiamo che Iwata el al. nel 2003, hanno sintetizzato una povere nanometrica di Nitruro di Alluminio usando una torcia al plasma in corrente continua di circa 20kW e come precursori Alluminio elementare, azoto ed ammoniaca.

Per quanto riguarda la tecnologia di processo, molti sforzi sono stati rivolti al confinamento fisico del plasma; per basse potenze (inferiori ai 30 kW), esso ? realizzato solitamente con tubi di quarzo, mentre per applicazioni di sistemi al plasma a potenze maggiori (100-250 kW) vengono utilizzati materiali ceramici quali il nitruro di silicio. La scelta del materiale ? fatta tenendo conto che il tubo di confinamento, posto nel corpo della torcia, ? sottoposto alle elevatissime temperature del plasma e ad intensi shock termici in fase di accensione. Lo scopo del confinamento ? quello di ottenere un plasma coerente che non disperda la potenza trasferita.

Diversi brevetti depositati sono focalizzati alla risoluzione dei problemi connessi con le particolari propriet? dello stato di plasma e con i fenomeni incontrollati di arco elettrico che nascono durante l?esercizio delle torce.

A titolo di esempio, Donald E. Hull nel 1982, deposit? un brevetto ?Induction plasma tube?. L?oggetto dell?invenzione era un tubo per il plasma avente uno schermo segmentato e raffreddato da liquido, il cui scopo era di migliorare le prestazioni del plasma in termini di temperatura raggiungibile dal plasma e stabilit? dello stesso.

Nel 1993 Maher Boulos e Jerzy Jurewicz brevettarono ?High performance induction plasma torch with a water-cooled ceramic confinement tube?. L?invenzione consisteva in una torcia cilindrica in materiale ceramico o composito, un tubo di confinamento del plasma posto nella torcia, un distributore di plasma gas, una bobina di induzione, completamente incorporata nel materiale della torcia, ed una sottile camera anulare che separa il corpo della torcia e il tubo di confinamento. Questo pu? essere in materiale ceramico puro o composito. Nella camera anulare scorreva l'acqua per raffreddare efficacemente il tubo di confinamento del plasma.

Nel 2012 Maher I. Boulos, Nicolas Dignard, Alexandre Auger, Jerzy Jurewicz, S?bastien Thellend depositarono un brevetto dal titolo ?High Performance Induction Plasma Torch?, la cui finalit? era di eliminare i fenomeni di formazione di archi esterni al tubo di confinamento del plasma. Pi? in dettaglio essi proposero una torcia che aveva uno schermo capacitivo che include un film di materiale conduttivo che ? applicato alla superficie esterna del tubo di confinamento ed ? segmentato in strisce assiali interconnesse.

Occorre osservare che in nessun caso ? riportato il confinamento del plasma che emerge dal corpo della torcia (fiamma) allo scopo di migliorare la resa e la fluidodinamica del processo: ad oggi non sono stati depositati brevetti inerenti all?architettura delle torce al plasma il cui scopo ? l?incremento di resa di un processo chimico.

Inoltre non ci sono pubblicazioni scientifiche in cui si dichiara esplicitamente la resa del processo di sintesi del carburo di silicio in torcia al plasma a partire da precursori solidi. In questo ambito si inserisce la presente invenzione.

Come noto, la sintesi in torcia al plasma da precursori solidi richiede in primis la loro vaporizzazione; i precursori allo stato gassoso partecipano alle reazioni chimiche coinvolte nel processo per la formazione dei prodotti seguita poi dalla ricondensazione dei materiali (non reagiti e prodotti di reazione). La sintesi di materiali ceramici ha luogo solo se sono assicurati le idonee condizioni di processo in termini di energia richiesta e tempi di residenza per il decorso della vaporizzazione e della reazione nella zona calda (fiamma). Essendo il tempo di residenza il rapporto tra volume della fiamma a temperatura compresa tra 2400 ?C (temperatura massima a cui avviene la reazione) e 1600 ?C (temperatura minima a cui avviene la reazione) e la portata volumetrica dei precursori.

I sistemi a torcia al plasma convenzionali sono dotati di un sistema di raffreddamento delle pareti interne sia per evitare fenomeni di fusione dovute alle alte temperature, che si raggiungono nello stato di plasma, sia per raffreddare velocemente le particelle di prodotto ed evitare fenomeni di accrescimento per favorire la formazione di nanopolveri.

Il gradiente termico che viene ad instaurarsi tra il cuore della fiamma e le pareti raffreddate del reattore causa una rapidissima fuga dei solidi reagenti e vapori dal cuore della fiamma al plasma verso le pareti, causando una riduzione drastica della resa di reazione.

Rimane quindi la necessit? di avere un confinamento fisico termicamente schermato del plasma, che consenta di incrementare il tempo di residenza dei reagenti nella fiamma e di conseguenza il tasso di vaporizzazione e di reazione in fase gassosa, garantendo allo stesso tempo la promozione della reazione di sintesi di materiali ceramici attraverso reazioni solido-gas e solido-solido, ci? che contribuirebbe ad aumentare la resa di reazione.

Scopo della presente invenzione ? quello di fornire un apparato di confinamento del plasma in una torcia al plasma che risolva i problemi e superi gli inconvenienti della tecnica anteriore.

E? oggetto della presente invenzione un apparato secondo le allegate rivendicazioni, che fanno parte integrante della presente descrizione.

L?invenzione verr? ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, con particolare riferimento ai disegni delle figure allegate, in cui:

? la figura 1 mostra uno schema di sezione di reattore con torcia al plasma in configurazione tradizionale (con fiamma sfrangiata);

? la figura 2 mostra schema di sezione di reattore con torcia al plasma in configurazione oggetto dell?invenzione, cio? con tutor o tubo di confinamento;

? la figura 3 mostra sulla sinistra un tutor di confinamento schermato con gusci di allumina realizzato in ENEA; a destra il tutor allocato nel reattore torcia al plasma;

? la figura 4 mostra un esempio di schema del sistema di ancoraggio del tutor al reattore;

? la figura 5 mostra il reattore torcia al plasma durante l?esercizio;

? la figura 6 mostra uno spettro di diffrazione XRD della polvere di carburo si silicio sintetizzata con la presente invenzione e purificata;

? la figura 7 mostra il dynamic light scattering della polvere di carburo d silicio sintetizzata con la presente invenzione;

? la figura 8 mostra un analisi a miscroscopio elettronico SEM eseguita sulla polvere di Carburo di Silicio sintetizzata con la presente invenzione; e

? la figura 9 mostra uno schema di reattore torcia al plasma con pi? tutor di confinamento movimentabili.

Descrizione dettagliata di esempi di realizzazione dell?invenzione

Facendo riferimento alla figura 1, in una torcia al plasma 100, i sistemi di raffreddamento delle pareti del reattore, ad oggi utilizzati per congelare le dimensioni dei grani di carburo di silicio ad una taglia nanometrica, hanno purtroppo l?effetto negativo di ridurre la resa della reazione in quanto il gradiente termico tra il cuore della fiamma e le pareti raffreddate causa un rapidissima fuga dei reagenti dal cuore del plasma verso le stesse pareti ed una perdita dell?energia trasferita arrestando l?avanzamento della sintesi. La torcia al plasma comprende una serpentina ad induzione del plasma 1, un corpo della torcia 2, una fiamma del plasma 3, un corpo reattore 4, un ingresso del gas del plasma 5, un ingresso precursori 6 (in cui si immettono ad esempio i precursori in fase liquida o gassosa), una uscita gas 7, un serbatoio di raccolta di solidi 8.

Facendo riferimento alla figura 2, al fine di aumentare il volume utile alla reazione e la densit? energetica della fiamma e migliorare la fluidodinamica del processo, all?interno di un reattore commerciale a torcia al plasma 200 simile a quello 100 della figura 1 ? stato introdotto secondo l?invenzione un elemento architettonico di confinamento 9 (tubo) che mantiene coesa la fiamma (evita la dispersione delle particelle verso le pareti aumentando il tempo di residenza nella fiamma) aumentando la densit? di energia del plasma in ogni punto del volume confinato. Le pareti interne del tubo raggiungono, durante l?esercizio del reattore, una temperatura di due ordini di grandezza superiore rispetto alle pareti raffreddate di un reattore convenzionale.

Il tutor o tubo di confinamento 9 pu? avere una forma cilindrica o tronco-conica, o ogni altra forma utile. Il tubo di confinamento pu? essere realizzato in un materiale scelto nel gruppo consistente di: grafite, allumina, carburo di silicio, materiali ceramici resistenti alle temperature del plasma ed inerte chimicamente all?ambiente di reazione. Esso pu? essere anche avvolto da uno strato di materiale isolante, in particolare allumina.

La fiamma del plasma 3 pu? essere generata da un sistema 1 a corrente alternata a radio frequenze o corrente continua.

In particolare, nella torcia al plasma 200 si tratta di un tubo di confinamento 9, d?ora in poi detto anche ?tutor di confinamento?, posizionato nella zona immediatamente sottostante la torcia. Il suo diametro e il materiale di realizzazione sono delle variabili adattabili a causa dell?alta temperatura della fiamma del plasma, dell?alto shock termico all?accensione e dei fenomeni di dilatazione termica.

Pi? dettagliatamente, nell?esempio applicativo e non limitativo riportato, ? stato realizzato un tubo in grafite isostatica avente un diametro esterno ed uno interno maggiori rispettivamente di 5 e 3,5 cm del diametro del corpo della torcia del plasma, ed una lunghezza di 100 cm (vedi figura 3). La grafite ha una temperatura di fusione superiore ai 3500 ?C ed ? stabile al gas usato per generare il plasma (Argon, Elio). Altri materiali utilizzabili per la realizzazione del tubo di confinamento sono: allumina, carburo di silicio e tutti i materiali ceramici resistenti alle temperature limitrofe alla fiamma del plasma ed inerti chimicamente all?ambiente di reazione. Le sue dimensioni trasversali sono tali da confinare la fiamma plasma 3 rendendola pi? coesa. Pi? in generale, le dimensioni longitudinali del tutor sono tali da assicurare un tempo di residenza di detti precursori all?interno di detto tubo di confinamento 9 necessario a detta sintesi di ceramici tecnici all?interno dello stesso tubo di confinamento.

La potenza termica erogata dal plasma, in un reattore commerciale, ? parzialmente dissipata dal sistema di raffreddamento del reattore. Al fine di aumentare la potenza netta termica disponibile per la reazione chimica, il tutor di confinamento ? stato racchiuso in gusci di allumina dello spessore di 3 cm per tutta la sua altezza (vedi figura 3). Lo schermo termico di allumina realizzato riduce la dissipazione dell?energia termica verso l?esterno da parte del tutor di grafite che al contrario ? un buon conduttore, aumentando pertanto la potenza termica disponibile nella zona di reazione. A seconda dei materiali utilizzati come tutor sar? necessario eseguire idoneo dimensionamento atto a garantirne la sua funzionalit? nelle condizioni di processo. Scelto il materiale e dimensionato il tutor sar? opportuno dimensionare lo schermo termico (che pu? essere fatto in vari materiali atti allo scopo) al fine di garantire i tempi di residenza utili ai precursori del ceramico.

Facendo riferimento alle figure 3 e 4, il tutor di confinamento termicamente schermato 12 ? allocato in un cestello d?acciaio 16 che lo sostiene per gravit?. Il cestello ha un?apertura superiore 17 e un fondo 18, orientati secondo la forza di gravit?, quindi il fondo ? pi? in basso rispetto all?apertura. Il fondo 18 ? solidale inferiormente con un sistema di assorbimento delle dilatazioni a molle 14 regolabile (tramite vite 13) con il quale ? possibile portare a battuta il tutor con il duomo (la parte superiore del reattore) e sul quale si scarica la tensione dovuta alla dilatazione della grafite per effetto dell?aumento di temperatura. In particolare, il sistema di assorbimento delle dilatazioni insiste su di una ghiera o alette d?acciaio 15 saldate al bordo inferiore del corpo del reattore (la parete laterale del reattore ? indicata con 11).

Il tutor di confinamento ? opzionalmente vincolato al corpo del reattore con un qualsiasi sistema che permetta di assorbire la dilatazione termica del materiale con cui ? realizzato il tutor.

Opzionalmente, il tutor di confinamento 9 ha una sezione trasversale alla sua direzione di estensione principale, la quale ? pi? grande della sezione trasversale dell?involucro di torcia 2 rispetto alla stessa direzione.

Durante l?esercizio dell?impianto con tutor di confinamento si ? osservato che la polvere di ceramico sintetizzata aderiva in parte alle pareti del tutor restringendo il diametro interno effettivo del tubo.

Per recuperare il carburo di silicio, aderito alle pareti del tutor, in opportune dimensioni ? necessario rimuoverlo dalle stesse con opportuna frequenza. Possono essere presenti:

? almeno un tubo di confinamento ausiliario 10; ? mezzi di movimentazione, per la sostituzione del tubo di confinamento 9 con detto tubo ausiliario 10;

? mezzi meccanici di rimozione di un materiale ceramico adeso al tubo di confinamento 9 in conseguenza del funzionamento di detto reattore.

Quindi, possono essere utilizzabili uno o pi? tubi ausiliari di confinamento (elemento 10 in figura 9) secondo il seguente protocollo:

? sospendere l?alimentazione dei precursori;

? abbassare il carrello o flangia che sostiene i tutor fino ad un altezza corrispondente ad una temperatura del plasma inferiore alla temperatura di degradazione dei materiali del tutor;

? ruotare il carrello di (360/n)? (essendo n il numero di tutor utilizzati);

? rialzare il carrello fino a riconfinare la fiamma del plasma nel tubo ausiliario e riprendere l?alimentazione dei precursori

? ripulire meccanicamente il tutor che ha terminato la marcia, con uno sistema idoneo, movimentato lungo l?asse del tutor.

Di seguito si riporta un esempio applicativo e non limitativo dell?invenzione.

Esempio applicativo

Il confinamento fisico ? stato introdotto all?interno del reattore di una torcia al plasma. Quindi il reattore ? stato esercito per la sintesi di carburo di silicio a partire da una miscela di carbone e silice (SiO2). Durante l?esercizio del reattore ? stata misurata la temperatura del tubo di grafite a due differenti altezze (30 cm dalla sommit? del tubo e 30 centimetri dal fondo del tubo) con l?ausilio di due termocoppie (vedi figura 5).

Sono stati effettuati due test di sintesi, uno con configurazione commerciale della torcia (senza confinamento) e l?altro con il confinamento fisico oggetto della presente invenzione e mantenendo inalterati i seguenti parametri operativi:

? potenza della torcia al plasma (60 kW);

? flusso di gas plasma (90 Nl/min Ar e 60 Nl/min He);

? flusso di gas di trasporto delle miscela di alimentazione (70 Nl/min Ar);

? portata massica della miscela di alimentazione (600 g/h);

? rapporto C/SiO2 nella miscela di alimentazione (6.5 in moli);

? durata della prova (60 minuti).

Di seguito ? riportata la reazione stechiometrica di sintesi del carburo di silicio, che si basa sulla riduzione carbotermica della silice:

3C SiO2 = SiC 2CO

I test oggetto della sperimentazione sono stati eseguiti con un eccesso di carbonio rispetto a quello stechiometrico (rapporto in moli C/SiO2 pari a 6.5), al fine di consentire il pi? alto tasso di conversione della silice in carburo.

A valle dei test ? stata raccolta una quantit? significativa di prodotto del processo. Nel caso di esercizio del reattore in configurazione originale il prodotto ? stato raccolto dalle pareti del reattore e dal piping. Nel caso di esercizio con il confinamento fisico oggetto della presente invenzione esso ? stato raccolto dalle pareti del tutor e dal piping. Il prodotto raccolto ? stato purificato secondo metodica standard (combustione del carbonio residuo a 700 ?C, seguita da una lisciviazione con acido fluoridrico per rimuovere la silice non convertita).

Particolare attenzione ? stata prestata alla resa dei due test, definita come il rapporto tra le moli di carburo di silicio presenti nella polvere raccolta e le moli teoriche di carburo di silicio che ci sarebbero nella stessa quantit? di polvere se tutta la silice fosse convertita secondo la reazione sopra scritta.

Nel test eseguito senza confinamento fisico, abbiamo misurato una resa del 17%, notevolmente inferiore a quella ottenuta nel test con confinamento fisico che ? risultata pari a 73%. Ulteriori e successivi test condotti variando i parametri di processo hanno sistematicamente confermato valori della resa attorno al 70%.

In virt? della differenza di resa tra le due prove ? ragionevole pensare che nel caso di esercizio del reattore con tutor di confinamento il volume avente una energia utile per il decorso della reazione di sintesi del carburo di silicio ? maggiore dello stesso nel caso di esercizio del reattore in configurazione originale. Ci? pu? spiegarsi con un maggior sviluppo assiale del plasma, quindi nella stessa direzione di moto delle particelle reagenti, che contribuisce notevolmente all?incremento dei tempi di residenza delle stesse alle condizioni utili per la sintesi. In aggiunta, la soluzione adottata (in particolare tubo in grafite gusci in allumina) consente una drastica riduzione della potenza termica (energia) dissipata radialmente, verso l?esterno, che pertanto risulta pi? efficacemente concentrata nel volume utile per il processo.

Inoltre, le condizioni fluidodinamiche presenti all?interno del reattore, dipendenti dai flussi di gas impiegati e dalle temperature raggiunte, comportano che una parte delle particelle solide costituenti il prodotto del processo di sintesi attraversi il volume di reazione procedendo in direzione assiale, mentre una porzione delle stesse subisca deviazioni dalla direzione assiale, andando ad aderire alle pareti interne del confinamento fisico introdotto.

Le temperature sulla parete esterna del tubo di grafite sono risultate pari a circa 1400 ?C per la termocoppia posizionata a 30 cm dalla sommit? del tubo e pari circa a 800 ?C per la termocoppia posizionata a 30 cm dal fondo del tubo. Il tubo di grafite e lo schermo termico a fine prova erano perfettamente integri. Stanti le barriere termiche introdotte (gusci in allumina), ? ragionevole ipotizzare dei valori di temperatura notevolmente maggiori sulle pareti interne del confinamento fisico, ovvero laddove parte dei reagenti pu? depositarsi, seppure inferiori alla temperatura di fusione della grafite (circa 3500? C). Tali temperature consentono il decorso della reazione di sintesi anche per questa frazione, contribuendo al notevole incremento osservato nella resa del processo.

Riassumendo, pertanto, il tutor di confinamento con schermo termico riduce il gradiente termico tra fiamma e parete riducendo cos? la fuga delle particelle dalla fiamma, riduce la dispersione energetica del plasma, aumenta il tempo di residenza dei reagenti vaporizzati nel volume utile alla reazione. Tutti gli effetti citati si traducono in un aumento sistematico significativo della resa di processo.

In figura 6 sono riportati lo spettro di diffrazione ai raggi X della polvere, raccolta e purificata, dopo il test condotto con il confinamento fisico.

I picchi di diffrazione a 2? pari a circa 36, 41, 59 e 71 sono stati attribuiti da diversi autori tra cui Leconte (2008), al Carburo di Silicio nella forma allotropica ?, invece il picco di diffrazione a 2? pari a 38 ? attribuibile a Carburo di Silicio in forma allotropica ?.

Per ci? che concerne la taglia delle particelle, la distribuzione di un campione di polvere di carburo di silicio purificata e ottenuta nell?esempio citato con la presente invenzione tramite Dynamic Light Scattering (DLS) ? riportata come esempio in figura 7.

Il diametro medio delle particelle ? pari a 292 nm. ? interessante notare che la distribuzione ? bimodale. La moda corrispondente alla taglia minore ? dovuta a quelle particelle che transitano velocemente attraverso il tubo di confinamento e che rapidamente vengono congelate a taglie minori. Invece la moda corrispondente alla taglia maggiore ? dovuta a particelle che hanno sufficiente tempo per accrescere e che quindi transitano pi? lentamente attraverso il tubo o restano adese alle pareti ad alta temperatura del tubo. Un?analisi SEM eseguita sulle particelle dello stesso campione ? mostrata in figura 8 ed ha confermato una distribuzione di particelle relativamente dispersa.

ULTERIORI SVILUPPI:

Sono stati evidenziati prove sperimentali circa la possibilit? di sviluppare il presente brevetto:

? testando l?applicazione per la sintesi di Carburo di Silicio da altri materiali e/o rifiuti precursori, ad esempio olivina, vetro e compositi rinforzati in fibra di vetro (GFRP) a fine vita come precursori della silice, o carboni attivi, carbon black e compositi rinforzati in fibra di carbonio (CFRP) a fine vita come precursori del carbonio, ecc.;

? applicando il presente trovato alla sintesi di altri ceramici diversi dal SiC, ad esempio Si3N4, AlN, TiC, TiN, ecc.;

? testando altri tutor di diversa geometria e materiale al fine di aumentare ulteriormente la resa e facilitare il recupero della polvere;

? verificando il trovato su torce al plasma di potenze maggiori.

Il confinamento fisico termicamente schermato del plasma, oggetto della presente invenzione, consente di incrementare il tempo di residenza dei reagenti nella fiamma e di conseguenza il tasso di vaporizzazione e di reazione in fase gassosa. Inoltre le pareti interne del confinamento raggiungono temperature tali da promuovere la reazione di sintesi di materiali ceramici attraverso reazioni solido-gas e solido-solido, come avviene nei sistemi di riscaldamento convenzionale (ad esempio fornace tubolare). Questo duplice effetto contribuisce ad aumentare la resa di reazione.

Nella tecnica anteriore invece le rese raggiunte non erano per nulla soddisfacenti, impedendo cos? la possibilit? di produzione di massa del carburo di silicio da torcia al plasma usando precursori solidi.

Bibliografia:

1. R. M. Salinger, Preparation of Silicon Carbide from Methylchlorosilanes in a Plasma Torch, Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., 1972, 11 (2), pp 230? 231

2. Asai Tadamichi, N. Kousuke, Preparation of silicon Carbide fine powder, Hitachi ltd, application number: JP19810058481 19810420, (1981)

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Reattore con torcia al plasma (200), comprendente: ? un involucro di torcia (2); ? un ingresso (5) di detto involucro di torcia (2) per il passaggio di un flusso gassoso; ? una uscita (7) di detto reattore per l?evacuazione di detto flusso gassoso; ? mezzi (6) per l?immissione in detto involucro di torcia (2) di precursori per la sintesi di ceramici tecnici quali ad esempio Carburo di Silicio, Carburo di Tungsteno, Nitruro di Alluminio, Nitruro di Silicio, Boruro di Titanio; ? un sistema di generazione (1) di una fiamma plasma (3) posto all?esterno di detto involucro di torcia (2); ? mezzi per la raccolta (8) di detti ceramici tecnici dal tutor e dal reattore; il reattore con torcia al plasma essendo caratterizzato dal fatto che un tutor di confinamento (9) ? posto immediatamente sotto detto involucro di torcia (2), in modo tale che detta fiamma plasma (3) risulti confinata in detto tutor di confinamento (9), detto sistema di generazione (1) essendo configurato in modo tale che detta fiamma plasma (3) abbia dimensioni tali risultare confinata dal tutor di confinamento (9).
2. 2. Reattore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto tubo di confinamento ? realizzato in un materiale scelto nel gruppo consistente di: grafite, allumina, carburo di silicio, materiali ceramici resistenti alle temperature del plasma ed inerte chimicamente all?ambiente di reazione.
3. 3. Reattore secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto tubo di confinamento (9) ? avvolto da uno strato di materiale isolante per alte temperature, come ad esempio allumina, ceramici etc.
4. 4. Reattore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che il tutor di confinamento (9) ha una forma cilindrica o tronco-conica.
5. 5. Reattore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ? presente ulteriormente: ? almeno un tubo di confinamento ausiliario (10); ? mezzi di movimentazione, per la sostituzione del tubo di confinamento (9) con detto tubo ausiliario (10); ? mezzi meccanici di rimozione di un materiale ceramico adeso al tubo di confinamento (9) in conseguenza del funzionamento di detto reattore.
6. 6. Reattore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detti mezzi (6) per l?immissione in detto involucro di torcia (2) di precursori sono configurati per iniettare i precursori in fase solida, liquida o gassosa.
7. 7. Reattore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che la fiamma del plasma (3) ? generata da un sistema (1) a corrente alternata a radio frequenze o corrente continua.
8. 8. Reattore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzato dal fatto di comprendere un cestello (16), in particolare di acciaio, che ha un?apertura (17) e un fondo (18) opposto a detta apertura, che sono orientati in modo tale che il fondo (18) ? posto al di sotto dell?apertura lungo la direzione di gravit?, il tubo di confinamento (9,12) essendo posto, attraverso l?apertura, nel cestello (16) in modo che quest?ultimo lo supporti per gravit?, il fondo essendo solidale con un sistema (14,13) di assorbimento delle dilatazioni a molle (14) regolabile (13) con il quale ? possibile portare a battuta il tutor di confinamento (9,12) con detto involucro di torcia (2).
9. 9. Reattore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto sistema (14,15) di assorbimento delle dilatazioni insiste su di una ghiera o alette d?acciaio (15) attaccate al corpo del reattore (200).
10. 10. Reattore secondo le rivendicazioni da 1 a 9, caratterizzato dal fatto che il tutor di confinamento ? vincolato al corpo del reattore con un qualsiasi sistema che permetta di assorbire la dilatazione termica del materiale con cui ? realizzato il tutor.
11. 11. Reattore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, caratterizzato dal fatto che detto tutor di confinamento (9) ha una sezione trasversale alla sua direzione di estensione principale, la quale ? pi? grande della sezione trasversale di detto involucro di torcia (2) rispetto alla stessa direzione.