RO131386A2 - Transfer energetic prin particule solide în zona de sinteză în piroliza cu laser de nanoparticule - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o metodă de piroliză cu laser a nanoparticulelor, cu transfer energetic prin particule solide, în zona de sinteză. Metoda conform invenţiei cuprinde mai multe etape: o primă etapă de alimentare cu precursori, o a doua etapă de procesare a precursorilor pe cale termică, prin dispersia cu ajutorul ultrasunetelor sau cu dozarea precursorilor - micro/nanoparticule solide - prin transport cu gaz neutru şi control masic, urmată de o etapă de injectare a precursorilor cu ajutorul unui injector, şi cu controlul temperaturii precursorilor injectaţi, după care, în a patra etapă, se efectuează procesarea în zona activă de reacţie, reprezentată geometric de intersecţia fluxului de precursori şi un gaz de confinare cu fasciculul laser, urmată de o etapă de filtrare şi recuperare a produselor sintezei, şi eliminare a componentelor gazoase spre sisteme de epurare.

Description

Invenția face parte din domeniul tehnic al nanotehnologiilor si a tehnologiei laser. Nanotehnologia reprezintă domeniul de obținere, prelucrare si manipulare a nanomaterialelor obținute pe cale artificiala la scara moleculara. Domeniul nanomaterialelor convențional este definit ca fiind materialele care au cel puțin o dimensiune caracteristica in limitele de 1 *100 nm. Caracter definitoriu pentru aceste nanoparticule este originea lor artificiala. Prezenta invenție este o aplicație in domeniul interacțiunii a fasciculului laser cu materia. Transferul energetic dintre fascicul si zona de reacție se realizează prin intermediul nano/micro/macroparticulelor atat cu cele rezultate in urma descompunerii termice a substanțelor cat si cu cele obținute prealabil si introduse sub forma de precursori. Metoda este importanta prin utilizarea in acest domeniu a acestui tip de transfer energetic prin care avantajele oferite lărgesc limitele acestui domeniu. Domeniul fotocatalizei este conex acestui domeniu ca aplicații.

STADIUL TEHNICII

Stadiul tehnicii este caracterizat prin metodele aplicate in laboratoarele de cercetare si prin cererile / brevete de invenție acordate. Avand in vedere marea varietate de sinteze prin piroliza cu laser putem diferenția pe diferite categorii in funcție de natura precursorilor utilizați: lichizi, solizi sau gazosi, caracteristicile generatorului de fascicul si proprietățile fasciculului utilizat în aplicație.¹·²’³ Fata de configurația inițiala au aparut diferite variante de procesări cum ar fi cu sau fara preprocesare care implica atat o modificare de faza: solidvapori, solid-gaz, lichid-vapori, lichid-gaz, etc. cat si modificarea nivelului energetic a precursorului.⁴· ⁵·⁶·⁷ Multe mecanisme inca sunt neidentificate, care insa au o importanta deosebita in calea utilizării industriale a procedeului care sa permită realizarea/utilizarea comerciala a NP/NS obținute.⁸ De la începutul apariției pirolizei laser ca mijloc de realizare

- 1Q-2015-- 001672 fi -|3- ÂGi5 de materiale nanostructurate nu au fost studiate anumita aspecte determinante in zona de sinteza cum ar fi toate caile de transfer a energiei fasciculului care permit controlul parametric a sintezei.⁸· ¹⁰ Avand in vedere progresele obținute in domeniul generării radiatiei/fasciculului laser si realizarea progreselor in domeniul fenomenului interacțiunii fasciculului laser cu materia.¹¹·¹²·¹³·¹⁴ In stadiul actual a tehnicii inca nu sunt rezolvate problemele de aplicare industriala a sintezei de nanopulberi/nanoparticule (NP)/nanostructuri (NS). Scalarea dimensionala a provocat si o creștere a neomogenitatii produselor finale a sintezei. In momentul al stadiului tehnicii a aparut o presiune din partea posibilelor aplicații in domeniul fotocatalizei, tehnica spațiala si aeriana, nanomedicinei, etc. Stadiul tehnicii este cel mai bine caracterizata in privința oobiectivului prezentei invenții de o metoda de formare de particule prin metoda pirolizei cu laser.¹⁵ Caracteristice pentru stadiul tehnicii sunt si lucrările si brevetele care prin particularitățile lor sunt definitorii pentru stadiul tehnicii.¹⁶·¹⁷·¹⁸

REFERINȚE

1. J. S. Haggerty, ’Sinterable Powders from Laser-Driven Reactions’, in Laser-induced Chemical Processes, Editor, J.l. Steinfeld, 1981, Plenum Press: New York.

2. S. Chiruvolu, W. Li, M. Ng, K. Du, Ν. K. Ting, W. E. McGovern, N. Kambe, R. Mosso, K. Drain, 'Laser pyrolysis - a platform technology to produce nanoscale materials for a range of product applications', NSTI-Nanotech 2006, www.nsti.org, ISBN 0-9767985-6-5 Voi. 1, 325-328, 2006

3. Shikwambana Lerato, Govender Malcolm, Mwakikunga Bonex, Sideras-Haddad

Elias, Forbes Andrew, ’A Review of the Laser Pyrolysis Technique Used to Synthesize Vanadium and Tungsten Oxide Thin Films’, Advanced Materials Research Voi. 227 (2011) pp 80-83, © (2011) Trans Tech Publieations, Switzerland, doi:10.4028/www,scientific.net/AMR.227,80

4. Simeon Metev, Andreas Stephen, J org Schwarz, Carsten Wochnowskî, 'Laserinduced Chemical micro-treatment and synthesis of materials', RIKEN Review No. 50 (January, 2003): Focused on Laser Precision Microfabrication (LPM 2002)

5. John S. Haggerty, W. Roger Cannon, ’Sinterable powders from laser driven reactions: annual report’,: http://hdl.handle.net/1721.1/35224

6. John S. Haggerty, W. Roger Cannon, ’Sinterable powders from laser driven reactions: annual report’, http://hdl.handle.net/1721.1/35189

7. E. Borsella, R. D’Amato, G. Terranova, M. Falconieri, F. Fabbri, 'Synthesis of nanoparticles by laser pyrolysisirom research to applications’, Contribution to the “Italy in Japan 2011” inițiative Science, Technology and Innovation

- 2^-2015-- 00167Ο 6 -038. Pedro Tartaj, Maria del Puerto Morales, Sabino Veintemillas-Verdaguer, Teresita Gonzalez-Carreno, and Carlos J Serna, The preparation of magnetic nanoparticles for applications in biomedicine, http://magneticliquid.narod.ru/autority/105.htm

9. Gary W. Rice, Rocco A. Fiato, Stuart L. Soled, 'Promoted iron-carbon-based catalysts produced în the presence laser radiation', US 4,659,681

10. Trung Tri Doan, 'Laser pyrolysis partide forming method and partide forming method', US 6,254,928

11. Dominique Porterat, ’Synthesis of nanoparticles by laserpyrolysis’, US 8,097,233

12. Xuegeng Li, David Jurbergs, ’ Optimized laser pyrolysis reactor and methods therefor’, US 2009/0026421

13. Nathalie Herlin-Boime, Olivier Sublemontier, Frederic Lacour,' Synthesis of silicon nanocrystals by laser pyrolysis', US 2010/0147675

14. Maskrot, Hicham; Sauder, cedric; Guizard, Benoit, ’ Composite-material injection nozzle for producing powders by laser pyrolysis', WO 2013/093385

15. Trung Tri Doan, ’ Laser pyrolysis partide forming method and partide forming method', US 6,254,928 Bl

16. Chien-Yu James Tseng,' Photothermal Aerosol Synthesis and

Characterization of Silicon Nanoparticles’, http://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=

17. Xiang-Xin Bi, Wen-tse Lee, Peter C. Eklund, M. Endo, K.'Takeuchi, S. Igarashi, M. Shiraishi, 'Laser pyrolysis production of nanoscale carbon black ’, 38_2_DENVER_0393_0444.pdf

18. Hariklia Dris Reitz, Sujeet Kumar, Xiangxin Bi, Nobuyuki Kambe, Ronald J. Mosso, James T. Gardner, 'Multiple reactant nozzles for a flowing reactor’, US 7,507,382 B2

PREZENTAREA PROBLEMEI TEHNICE PE CARE INVENȚIA O REZOLVA

Prezenta invenție rezolva cateva probleme conexe procesului de sinteza in diferite faze ale sale. Metoda piroliză cu laser de NP/NS cu transfer energetic prin particule solide in zona de sinteza se bazeaza pe fenomenul fizic de transfer energetic la interacțiunea radiației laser cu materia/substante in stare de agregare solida. In urma unor studii si constatari/rezultate experimentale privind procesul de sinteza, datorita fenomenului de scalare 3D (tridimensionala), a crescut importanta acestui fenomen si in același timp a devenit mai accesibila punerea in evidenta a influentei pe care o are in controlul parametric a sintezei si in transferul energetic.

Invenția rezolva următoarele probleme:

- 3^-2015-- 001670 8 -Î3- X'â

i) Realizarea de instalații de sinteza cu piroliza laser care au printre precursori materiale/substante solide la scara micro / nanometrica.

ii) Cea mai importanta caracteristica este versatilitatea: poate executa toata gama de sinteze ca o instalație clasica dar poate executa procese si sinteze ce instalațiile clasice nu o pot face detaliate in cele ce urmeaza si care conferă caracter de inventivitate si nou acestei invenții.

iii) Utilizarea unei largi game a surselor de radiații laser, avand in vedere ca nu necesita ca lungimea de unda a radiației laser sa fie sincronizată cu precursorii sub aspectul asigurării cuplării in vederea absorbției de energie. Numai prezintă o importanta determinanta din punctul de vedere a sintezei alegerea sursei de fascicul, laserii pot fi in aceste aplicații de orice tip pentru aplicații industriale.

iv) Asigura utilizarea întregii game de laseri industriali; -cu mediu activ gazos, CO2; cu mediu activ solid: cu pompaj optic, cu dioda, cu fibra, cu disc. Cu lungime de unda λ = 10,6 -1,03 pm

v) Transport fascicul cu oglinzi/fibre si lentile.

vi) Se poate cupla o instalație de sinteza la orice sistem industrial cu laser fiind eliminata utilizarea sensitivantului pentru o anumita lungime de unda a fasciculului.

vii) Controlul parametral zonal a sintezei, datorita apariției fenomenului de scalare dimensionala, in principal a temperaturii, si sursa de energie pentru descompunerea si recombinarea substanțelor.

viii) Eficientizarea utilizării fasciculului laser disponibil. Prin utilizarea transferului energetic prin particule solide este posibila utilizarea unor densități de puteri mici de ordinul

3,3 kW/cm^A2, Pentru exemplificare densitatea de putere a unui fascicul de 0,5 kW / 0 23 mm este de 0,12 kW/cm^A2 si care la acest nivel energetic poate sa asigure un bun si precis control a temperaturii in zona de sinteza in domeniul de ordinul 10^A2-10^A3 C°.

ix) Posibilitatea de scalare industriala. Prin utilizarea limitelor de transfer energetic eficient este posibila utilizarea unor volume de sinteza mărite.

x) Este eliminata necesitatea de utilizare de substanțe sensibilizante cum ar fi SF6, C2H4, etc. care poate sa aduca un grad de impurificare a NP/NS tintite.

xi) Se poate utiliza precursorul solid si ca substanța activa.

xîi) Temperaturile posibile de realizat sunt in domeniul de peste 2000 C°, realizabile la nivele de putere reduse.

xiii) Folosirea carbonului (C) ca mediu solid de transfer de energie este foarte avantajos întrucât are temperatura de topire foarte înalta si in lipsa oxigenului are o mare stabilitate chimica si din punct de vedere a reactivitatii chimice este o substanța neutra.

. 4.

$“2015-- 001670 δ -03- 355 et xiv) Exista posibilitatea de utilizare a NP/NS realizate in alte sinteze, dedicata numai pentru utilizarea in procesul de transfer energetic.

xv) Creșterea in omogenitate si reproductibilitate a sintezei. Este un factor important in valorificarea comerciala a metodei.

EXPUNEREA INVENȚIEI

Invenția se refera la o parte din procesul de sinteza de NP/NS si care este un proces complex care se desfasoara la nivel atomic/molecular rezultând structuri si particule la scara nanometrică ceea ce le conferă proprietăți deosebite cum ar fi cele fotocatalitice, biochimice, electronice, de rezistenta, etc. Piroliza cu laser este o procesare artificiala a materiei/substantelor caracterizata prin:

- exploatarea caracterului interdisciplinar a sintezei prin piroliza laser daca s-a avut in vedere aportul chimiei in principal la dezvoltarea acestei sinteze cele expuse poarta oarecum amprenta fizicii in sensul aplicării progreselor obținute in domeniul interacțiunii intre radiația laser si materia in special cu materiale in stare de agregare solida:

- prezenta mai multor substanțe sau de combinații de substanțe interactive intre ele sau nu sub forma precursorilor si care sau o parte din ele interactioneaza cu fasciculul laser;

- descompunerea lor termochimica la temperaturi relativ ridicate sau ridicate;

- procesarea are loc in prezenta/absența a oxigenului;

- existenta fasciculului/radiatiei laser si a componentelor sale care procesează si controlează parametri sale pana la interacțiunea cu materia in zona de sinteza si care prin proprietățile sale spațial - temporale influențează in mod decisiv procesul de sinteza;

- sinteza de nanoparticule se desfasoara in mediu de gaz protector, pentru asigurarea unui mediu pur;

- sunt implicate procese interdisciplinare privind natura substanțelor procesate sub aspect chimic si fizic, cu modificarea simultană a compoziției chimice și a proprietăților fizice in mod ireversibil;

- recombinarea produselor, rezultate din descompunerea materialelor/substantelor livrate de precursori, in condiții de mediu energetic corespunzător;

- transferul energetic intre mediul de sinteza si fasciculul laser; etc.

- din acest proces in final rezulta in urma transformărilor fizico-chimice materie sub forma de NP/NPS;

Procesarea prin sinteza a materialelor / substanțelor pana in prezent se considera si se reducea la studiul zonei de intersecție a fasciculului laser cu fluxul precursorilor introduse printr-un injector simplist. In prezent pentru a obține premisele aplicațiilor industriale a acestei sinteze injecția precursorilor este asigurat cu un dispozitiv complex termostatat conceput pentru substanțe sub forma de gaze, vapori sau de micro/nanoparticule solide (M/NPS). Preprocesarea precursorilor se face pornind de la

- 5ίλ- 2 0 1 5 - - 001670 6 -D3- 33 starea de agregare gazoasa, lichida, vapori sau solid cu dispozitive termice, cu ultrasunete (US), etc. urmărind stabilirea unor parametri cu control riguros in interesul reproductibilitatii si a productivității sintezei.

Caracteristicile enumerate mai sus au o semnificație privind prezenta invenție. Transferul energetic intre fasciculul laser si precursori se realizează in mod clasic prin absorbția de unul din precursori in stare de agregare gazoasa sau vapori a energiei fasciculului. Aceasta forma de transfer a fost acceptata ca fiind principala cale de transfer energetic si datorita faptului ca interacțiunea radiația laser-materie inca nu a fost îndeajuns studiata si acest transfer era, ca nivel si influenta, redusa datorita scalei dimensionale. In urma scalarii inevitabile cu scopul de obținere de productivități economic eficiente era necesara explicarea si dezvoltarea studiului zonei de reacție privitor la transferul energetic si de control parametral a sintezei.

Invenția a fost elaborata pe baza unor rezultate experimentale si este expusa sintetic in Fig. 5-7. Transferul energetic intre M/NPS se produce in doua condiții: - ca urmare a interacțiunii cu particulele solide care apar ca urmare a diferitelor procese fizico - chimice ce au loc in zona de sinteza care nu este numai exlusiv zona de intersecție a precursorilor cu fasciculul laser si - introducerea in precursorii injectați de M/NPS special destinați sau nu ca mediu de transfer de energie.

Datorita metodei de transfer energetic cu mediu de transfer solid, vezi Tab. 2 Transfer de energie prin particule solide, M/NPS, domeniul de alegere a sursei de radiație laser devine o problema economica si nu tehnica putând fi utilizata toata gama de surse de radiație laser industriale indiferent de mediul activ, lungime de unda, modul de transfer si prelucrare a fascicolului: - cu CO2, mediu activ gazos, - cu mediu activ solid: cu pompaj optic, cu dioda, cu fibra, cu disc; cu lungime de unda λ = 10,6 - -1,03 pm; cu transport fascicul cu oglinzi/fibre si lentile. In Tab. 1 Tipuri de lasere cu aplicație in piroliza laser cu transfer energetic prin solid sunt menționate caracteristicile laserilor care se pretează la o asemenea procesare.

PREZENTAREA AVANTAJELOR INVENȚIEI IN RAPORT CU STADIUL TEHNICII

Metoda prezintă avantaje multiple cum ar fi:

- In domeniul procesului de sinteza prin piroliza laser, din punct de vedere chimic, prin eliminarea substanțelor precursoare cu rol de sensitivant, care pe langa rolul lor funcțional principal de absorbție de energie din fascicul au si un rol poate mai dăunător prin introducerea inerenta de substanțe nedorite in produsele finale a sintezei cum ar fi F, C, etc. In Tab. 2 Transfer de energie prin particule solide, M/NPS sunt prezentate sumar

- 6φ2 Ο 1 5 - - 0 0 1 6 7 0 G -03- 2SÎ5

Μ relațiile intre tipul generatorului de radiație laser, sensitivant precusori, procesare precursori si transferul de energie prin particule solide, M/NPS.

- Realizarea de instalații de sinteza cu piroliza laser care au printre precursori materiale/substante solide la scara micro / nanometrică.

- Lungimea de unda a radiației laser nu are un rol determinant. Datorita dezvoltării in domeniul generatoarelor de radiație laser au aparut noi tipuri de generatoare laser care insa in lipsa de mediu absorbant a energiei nu puteau sa fie folosite, lungimea de unda prin care substanțele procesate erau transparente la radiații neexistand schimb energetic intre radiația laser si precursori.

- Avantajul de cuplare prin fibra optica la orice sistem de generator de fascicul modern, existent in multe din companiile cu preocupare in domeniul tehnologiei cu laser. Reprezintă un avantaj important din punct de vedere economico-financiar.

- Transport de prelucrare si procesare fascicul cu oglinzi/fibre si lentile.

- Poate cel mai important insa este utilizarea eficienta a fasciculului: transferul energetic prin M/NPS este caracterizat printr-ο viteza foarte mare cu gradient de încălzire înalt, important in cazul utilizării de precursori sub forma de vapori, reducând timpul de stagnare la nivelul temperaturii de fierbere a substanței.

- Scalare dimensionala prezintă o provocare privind controlul parametral zonal a sintezei, datorita apariției acestui fenomen de scalare dimensionala, indusa de aplicațiile industriale tintand productivitate si randament economico-financiar, in principal a temperaturii are o importanta foarte mare întrucât asigura armonizarea intre nivelul energetic disponibil/posibii si cea necesara pentru descompunerea si recombinarea substanțelor.

- Se poate utiliza precursorul solid bine ales si ca substanța activa cu posibilitatea de a reacționa cu precursorii injectați.

- Temperaturile in sinteza posibil de atins depasesc 2000 C°, relizabile in condiții de randament energetic foarte avantajoase.

- In final sinteza de piroliza cu laser este furnizor de materie prima chiar pentru acest procedeu modern de obținere de M/NPS.

PREZENTAREA FIGURILOR DIN DESENE

Fig. 1. Schema de principiu a unei instalații de piroliza cu laser pentru sinteza de NP prin metoda de transfer energetic prin particule solide in zona de sinteza.

Metoda este prezentata in ordinea desfășurării a diferitelor faze a sintezei de piroliza cu laser cu transfer energetic prin M/NPS. Sinteza este fragmentata pe compartimente secțiuni oarecum diferențiate intre ele evidențiate in felul acesta pentru o mai buna înțelegere a subiectului invenției:

- 74-2015-- 001670 6 -03- 2315

a. Alimentare precursori, pozițiile 1-4 reprezintă cele patru categorii de precursori posibile de procesat împreuna sau separat gazoase, vapori prin barbotare, lichide si solide.

b. Procesare precursorilor este efectuata in compartimentele 5, 6:

- pe cale termica: cum ar fi preincalzirea gazelor, obținerea fazei de vapori prin vaporizarea la temperaturi sub temperatura de fierbere si aducerea in stare gazoasa prin temperaturi peste temperatura de fierbere,

- cu dispersie US

- dozarea precursorilor M/NPS prin transport cu gaz neutru si control masic,

c. Injectarea precursorilor sub controlul temperaturii a precursorilor injectați de către injectorul 7.

d. Camera de reacție 9 este, poate elementul principal a instalației de sinteza, poz. 8 reprezintă geometric fluxul de precursori si gazul de confinare, care poate sa aiba geometria si poziționarea fata de fasciculul laser poz. 10, cum este reprezentata in poz. 1113 de secțiune circulara, alungită axial si transversal pe axa fasciculului. La intersecția precursorilor cu fascicolulu este delimitată zona activa de reacție poz. 16.

e. Ansamblul filtru este compartimentul de recuperare a produselor sintezei, prin colectorul de secțiune circulara poz. 14 si filtrul poz. 15 pulberea de NPS poz. 17,18 sunt reținute si recuperate.

f. Sistemul de vidare poz.19 vehiculează componentele gazoase spre sistemele de epurare.

Fig.2. Studiu comparativ a diagramelor termice a trei metode de sinteza.

Prin cele trei variante de sinteze a, b si c sunt evidențiate diferentele fenomenului complex care are loc in zona de sinteza determinat spațial in planul reprezentat de injector -colector, care sunt coaxiale, si axa optica a fasciculului laser.

In diagrama (a) este reprezentata variația temperaturii gazelor dintre injector si colector, dmm, fara preincalzirea gazelor, unde se observa cele doua curbe a temperaturii care se datoreaza in parte si geometriei fsciculului si a injectorului, vezi Fîg. 1 poz. 8 si respectiv 11-13.

In diagrama (b) se observa in comparația cu diagrama (a) efectul vaporilor care datorita vaporizarii in totalitate introduc un platou car depinde de mai multi factori cum ar fi valoarea temperaturii de fierbere, masa vaporilor, cantitatea sensibilizatorului, nivelul radiației laser-densitatea de puter, etc. După care încălzirea are gradient de creștere similar cu situația in (a).

In diagrama (c) este cazul sintezei intre precursori gazosi cu formare sau injectare de M/NPS. Se au in vedere numai precursori gazosi deoarece deoarece se presupune procesarea prealabila in Fig. 1 compartimentul de procesare a precursorilor este efectuata in compartimentul 5 pe cale termica prin preincalzirea gazelor cu obținerea fazei de gaz

- 8^-2015-- 00167^x 0 B -03- ^3« //</ prin vaporizarea la temperaturi peste temperatura de fierbere, aducand precursorul lichid sau sub forma de vapori în stare gazoasa. Se observa gradiente mari de temperatura si nivel de temperatura superoioara cu câștig în omogenitatea si reproductibilitatea sintezei.

Fig. 3 Reprezentarea simbolica a metodei de producere prin transfer energetic prin particule solide in zona de sinteza in piroliză cu laser de nanoparticule.

Fig. 4 Schema de utilizare industriala integrata. Metoda poate fi aplicat intr-un sistem integrat ca de exemplu in Fig. 4, in cazul acoperirilor cu laser cu materiale compozite.

Fig. 5 Transfer energetic radiație laser (Ă = 10,6 pm) - mediu de sinteza prin sensitivant/gaz-si nanoparticule solide-NPS. Schematic este reprezentat sinteza de piroliză laser cu precursorii in stare de agregare gazoasa. Sintetic sunt prezentate patru diagrame corelate spațial si temporal:

- Cea a temperaturii mediului (e), funcție de inaltimea intre injector si colector H ι-c, cu precizarea ca aceasta schița nu este scalata; cele trei temperaturi specifice care sunt caracteristice acestui caz sunt temperatura mediului ambiant <t0), cea de descompunere pentru una din gaze (t1) si temperatura maxima (t2) a zonei de sinteza care este măsurabila.

- Diagrama procesării precursorilor (d) unde: (b), (c) reprezintă dimensionalitatea canalelor de alimentare a injectorului cea de confinare si cea a precursorilor, fluxul gazelor este prezentat de poz, 4, 5. Zona de sinteza (a), care nu este intersecția geometrica a gazelor cu radiația laser, datorita destinderii gazelor la parasirea injectorului si expandarii lor datorita încălzirii in timpul procesării. Poz. 6 reprezintă suprafața izotermica cu temperatura maxima de descompunere si transformarea de stare a precursorilor activi din gaz in particule solide. Poz. 9 reprezintă zona de încălzire a particulelor solide, concomitent cu combinarea lor chimica in raport stoîchiometric, substanțele sub forma de NP/NS si gaze reziduale trec prin zona calda poz. 7 si părăsesc zona de sinteza, răcite si de debitele de Ar_w care sunt ca valoare apreciabile. In zona poz. 9 nu exista sensitivant după descompunere. Zonele precizate sunt diferite de la caz la caz, mai mari sau mai mici funcție de multi parametri. Poz. 8 reprezintă zona de evacuare a NP/NS si a gazelor reziduale.

- Diagrama (f) reprezintă transformării stărilor de agregare a materialelor procesate unde: poz. 15 reprezintă zona de stare de agregare gazoasa si poz. 10 starea de agregare solida a substanțelor active, raportate spațial la celelalte doua diagrame (d) si respectiv (e).

- Poz. 11 reprezintă fasciculul laser procesat in forma poz. 14 rotunda si ovala si poz. 13 patrat/dreptunghi. Poz. 12 materializează axa optica a fasciculului.

- 9Ο 1 5 - - Ο Ο 16 7 - /β

Ο 6 -03- 2315

Poziționarea spațiala a injectorului (g) si a colectorului este (i) este determinata de distanta (h).

Fig. 6 Transfer energetic radiație laser (Ă = 10,6 pm) - mediu de sinteza prin sensitivant/gaz-si nanoparticule solide-NPS. Schematic este reprezentat sinteza de piroliză laser cu precursorii in stare de agregare gazoasa/vapori, caracteristice pentru metodele prin barbotare, dispersie/vaporizare cu US si prin vaporizare termica. Diferentele sunt marcate pe figura si constau in: - Datorita transformării vaporilor in gaze apare un platou in diagrama (e) de mărime (a’) mai mare sau mai mica corespunzător temperaturii de fierbere (tf), care mărește distanta pana la realizarea temperaturii de descompunere si tine procesele sintezei stopate. In acest caz apare o zona poz.16 unde starea de agregare a substanțelor este gazos si in poz. 15 gaz/vapori.

Fig. 7 Transfer energetic radiație laser (λ = 1 -10,6 pm) - mediu de sinteza prin nanoparticule solide-NPS. Schematic este reprezentat sinteza de piroliză laser cu precursorii in stare de agregare gazoasa/M/NPS. Este caracterizat prin schimbările evidențiate:

-In acest caz transferul de energie este aproape instantaneu si la valori mici/foarte mici de densități de putere. Temperatura de descompunere este la limita contactului precursorilor cu radiația laser vezi (e) si (d). In diagrama (f) este reflectat acest fenomen unde avem doua zone de stări de agregare: poz. 15 gaz/M/NPS si poz. 10 de NPS si gaze de tranport/reziduale.

PREZENTAREA IN DETALIU A UNUI MOD DE REALIZARE CU REFERIRE LA DESENE

Realizarea unei instalații de piroliză cu laser de nanoparticule cu folosirea metodei de transfer energetic prin particule solide in zona de sinteza se poate realiza respectând schema de principiu a unei instalații de piroliză cu laser pentru sinteza de NP prin metoda de transfer energetic prin particule solide in zona de sinteza reprezentata in Fig. 1 schematic. Cele patru sisteme de alimentare cu precursori poz. 1-4 sunt prezente pentru a asigura versatilitatea instalației funcție de precursorii sintezelor planificate. Sistemele de alimentare preconizate asigura un control masic a precursorilor. Unitatea de procesare precursori cu doua sisteme poz. 5,6 cu procesarea termica si dozator prin intermediul unui gaz purtător de M/NPS. Procesarea termica aduce precursorii lichizi sau in stare de vapori obtinut prin metoda de barbotare sau prin metoda de dispersare US, in stare de agregare gazoasa in care pot fl procesați precursorii prin metoda transferului energetic prin particule solide in zona de sinteza. Injectorul poz. 8 cu diferite geometrii poz.11-13 adaptate ficarui

- 10-t 2 Ο 1 5 - - 0 0 1 6 7 O Β -03- 2315 ilV caz in parte de sinteza este unul cu izolație termica, prin reducerea transferului de căldură prin conducție (vid). Fasciculul laser poz. 10 este generat prin sisteme fata de care nu exista condiții privind lungimea de unda a fasciculului si implicit fata de metodele de generare a fasciculului. Transferul si prelucrarea fascicolului se poate asigura cu oglinzi, fibre si lentile. In camera de reacție poz. 9 de construcție consacrata are loc sinteza in zona de reacție poz. 16 la intersecția fascicolului cu fluxul de precursori. Traseul in continuare este consacrata si este compusa din sistem de vidare, filtru si recuperarea NP. Realizarea este mult ușurata prin adaptabilitatea la un sistem de generare de fascicul industrial cu mediu activ gazos sau solid. In principiu se poate cupla la un sistem computerizat cu utilizatori multipli.

MODUL IN CARE SE POATE APLICA INDUSTRIAL

Aplicația industriala este înlesnită prin creșterea productivității prin aplicarea de metode de procesare a precursorilor avand in vedere cateva criterii inerente unei utilizări industriale:

- primul criteriu este privitor la productivitate, din punct de vedere economico financiar trebuie sa fie atractiva,

- reproductibilitatea trebuie sa fie la un nivel care sa asigure produsului final o stabilitate calitativa,

- exigente investitionale: investiție redusa si justificata economi.

Aplicațiile cele mai atractive ale NP/NS sunt domeniile de acoperiri fotocatalitice, acoperiri anticorozive si de rezistenta mecanica, acoperiri electrocatalitice, acoperiri prin depunere cu radiație laser de straturi compozite cu conținut de NP/NS, vezi Fig.4. Se poate aplica industrial in complexe de procesare cu fascicul laser, caz in care, o investiție foarte importanta poate fi ocolit prin cuplarea optica la generatoare de radiație existente.

Claims (1)

1. REVENDICĂRILE

   Este revendicata metoda de piroiiză cu laser de nanoparticule cu transfer energetic prin particule solide in zona de sinteza caracterizata prin acea ca transferul energetic in piroiiză laser intre radiația laser si precursori in zona activa are loc prin materiale/substante solide la scara micro / nanometrică injectați ca precursor cu rol de transfer energetic sau ca rezultat a descompunerii chimica a precursorilor, este compusa din următoarele etape de procesare;

   -alimentare precursori, pentru patru categorii de precursori posibile de procesat împreuna sau separat gazoase, vapori prin barbotare, lichide si solide,

   -procesare precursorilor: -pe cale termica, cu preincalzirea gazelor, obținerea fazei de vapori prin vaporizarea la temperaturi sub temperatura de fierbere si aducerea in stare gazoasa prin temperaturi peste temperatura de fierbere, -cu dispersie US, -cu dozarea precursorilor M/NPS prin transport cu gaz neutru si control masic,

   -injectarea precursorilor cu controlul temperaturii precursorilor injectați de către un injector, -procesarea in zona activa de reacție reprezentat geometric de intersecția fluxului de precursori si gazul de confinate, care au geometria si poziționarea fata de fasciculul laser sub forme diferite, secțiune circulara, alungită axial si transversal pe axa radiației laser, cu fascicolul,

   -filtrare si recuperare a produselor sintezei, prin colectorul de secțiune circulara si filtrul pulberea de NPS sunt reținute si recuperata,

   -eliminarea prin sistemul de vidare, a componentelor gazoase spre sistemele de epurare, metoda de utilizare a surselor de radiații laser cu mediul activ solid cu dioda, cu disc, cu fibra cu pompaj optic sau cu dioda.