RO131389A2 - Sistem versatil complex de injectare a precursorilor în stare gazoasă/vapori, utilizat în piroliza laser, pentru obţinerea de nanoparticule - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un dispozitiv de injectare a precursorilor în stare gazoasă/de vapori, utilizat în cadrul unei instalaţii de piroliză cu laser, pentru obţinerea de nanoparticule/nanostructuri. Dispozitivul de injectare a precursorilor, conform invenţiei, asigură introducerea precursorilor în zona de sinteză, la interacţiunea cu radiaţia laser, respectând condiţiile impuse de zona de sinteză, şi este alcătuit dintr-un sistem de termostatare asigurând controlul temperaturii precursorilor cu ajutorul unui termocuplu (TCU), evitând procesul de condensare, din nişte discuri: un disc (DC) de capăt şi nişte discuri (D1, D2, D3, D4) care, prin asamblare, materializează canalele (a, b, c) de transport al precursorilor, şi asigură etanşeitatea sistemului de injecţie atât între canalele precursorilor, cât şi în interiorul sau exteriorul camerei de reacţie, dispozitivul de injectare fiind prevăzut cu sisteme de racordare la camera de reacţie, de mare flexibilitate, şi sisteme de procesare a precursorilor cu ultrasunete şi prin barbotare, componentele acestui injector asigurând prelucrarea de materiale periculoase, toxice, piroforice, la temperaturi specifice procesului de sinteză.

Description

SISTEM VERSATIL COMPLEX DE INJECTARE A PRECURSORILOR IN STARE GAZOASA/VAPORI UTILIZAT IN PIROLOZA LASER PENTRU OBȚINEREA DE NANOPARTICULE

DOMENIUL TEHNIC

Invenția face parte din domeniul tehnic al nanotehnologiilor, contribuind la obținerea de nanoparticule, prin piroliză laser a precursorilor in faza gazoasa, implicând si un alt domeniu, cel al tehnologiilor laser. Acesta cuprinde metoda de obținere a fasciculului/radiatiei laser, transportul si prelucrarea lui, interacțiunea radiației cu materia precum si aplicațiile acestuia.

STADIUL TEHNICII

Stadiul tehnicii este diseminat printr-o serie de articolele publicate, prin metode aplicate in laboratoarele de cercetare, prin brevete de invenție acordate, prin cereri de brevete de invenție publicate pe internet si in rețelele specifice, conform cu reglementarea si gestionarea proprietății intelectuale, naționale si internaționale. Segmentul de aplicare a invenției se refera la procesul de obținere de nanoparticule/ nanostructuri (NP/NS) prin sinteza prin piroliză laser (SPL) din precursori in stare gazoasa (PSG) si din precursori in stare de vapori (PSV). In cadrul acestui proces, sursa de radiație are lungimea de unda λ = 10,6 pm fiind un laser cu mediu activ C02, si care implica folosirea anumitor precursori specifici.¹

Injectoarele erau caracterizate la început prin procesarea unor precursori, confinati cu ajutorul unui gaz inert.²· 3 Construcția din sticla se realiza ușor, conform cerințelor, in forme relativ simpleA-6 Dezavantajele majore sunt prezintate atat de caracterul casant cat si de temperatura relativ mica de funcționare (300 θθ), existând un potențial pericol, in cazul utilizării gazelor/substantelor toxice/periculoase?· 8 Astfel, au fost realizate sisteme de injecție complexe, ce implica un grad înalt de specializare intr-un domeniu ținând cont atat

- 1 c<- 2 0 1 5 - - 0 0 2 2 1 2 5 -03- 2315 de posibilitatea aplicabilității lor industriale cat si de condițiile comerciale.⁹-¹1 Gradul de solicitare mecanica, termica si de uzura sunt evidente fiind impetuos necesara dezvoltarea de noi tehnologii care sa minimizeze aceste probleme.¹2-14

REFERINȚE

1. N. Herlin, O. Croix, M. Cauchetier, M. Luce, E. Musset. Nanosized SiiCIN composite powders formed by laser-aerosol coupling. Journal de PhysiquelV, 1993, 03 (C7), pp.C71481-C7-1484.<10.10511 jp4:19937232>. <jpa-00251869>

2. Fleaca, C. T.; Scarisoreanu, M.; Morjan, 1.; Alexandrescu, R.; Dumitrache, F.; Luculescu,

C.; Morjan, I. P.; Birjega, R.; Niculescu, A.-M.; Filoti, G.; Kuncser, V.; Vasile, E.; Danciu, V.; Popa, M., 'Recent progress în the synthesis of magnetic titania/iron-based, composite nanoparticles manufactured by laser pyrolysis', Applied Surface Science, Volume 302, p. 198-204 DOI: 10.10161j.apsusc.2013.10.138

3. Nathalie Herlin, Michel Luce, Emmanuel Musset, Michel Cauchetier, Synthesis and characterization of nanocomposite SiiCIN powders by laser spray pyrolysis of hexamethyldisilazane, Journal of the European Ceramic Society, Volume 13, Issue 4, 1994, Pages 285-291, ISSN 0955-2219, http://dx.doi.orgl10.101610955-2219(94)90002-7

4. R. Alexandrescu, 'The developing of the conceptual models and theories regarding the synthesis methods for the preparation of doped Ti02 nanostructured compounds’, Project code: PN-11-10-PCE-2011-3-0479, Phase I, http:/lllp.inflpr.ro/IDEI80EN

5. R. Alexandrescu, 'Developing of the experimental model for the laser pyrolysis synthesized Ti02-based nanoparticles which containmaghemitelmagnetite-type iron oxide as the magnetic core (using the Fe(C0)6 precursor) embedded in a Ti02 matrix; synthesis and characterization Project code: PN-11-10-PCE-2011-3-0479, Phase II, http://llp.inflpr.ro/IDEI80EN

6. C. Fleaca, 'Comparated experiments regarding the laser pyrolysis synthesis of the Ti02 nanoparticles covered with siloxane polymers: complex chacaterizations’, Project code: PN11-10-PCE-2011-3-0479, Phase III, http://llp.inflpr.ro/IDEI80EN

7. Masahiko Maeda, Takahiro Horikawa, ’Photocatalytic Properties of Ti02 / W03 / FTO Multi-layer Structures Prepared by Spray Pyrolysis Deposition’, MRS Proceedings / Volume 1492 /2013, DOI: http://dx.doi.org/10.15571opl.2013.220 (About DOI)

8. Ernest Popovîci, ion Nicolae Mihailescu, Carmen Ristoscu, Gabriela Demian, 'Laser systems for synthesis of nanostructured materials from liquid and gaseous precursors for biomedical applications’, ROM. J. 8/OCHEM., 50, 1, 53-63 (2013)

9. Hariklia Oris Reitz, James P. Buckley, Sujeet Kumar, Yu K. Fortunak, Xiangxin Bi, 'Metal vanadium oxide particles’, US 391,494

- 2 α

Λ - 2 Ο 1 5 - - Ο Β 2 2 1 ^k 2 5 -03-205

10. Trung Tri Doan, 'Chemical mechanical polishing slurry’, US 6,893,333

11. Hariklia Oris Reitz, Sujeet Kumar, Xiangxin Bi, N obuyuki Kambe, Ronald J.

&i1osso, James T. Gardner,' multiple reactant nozzles for a flowing reactor’, US 7,507,382

12. Maskrot, Hîcham; Sauder, cedric; Guizard, Benoit, ’ Composite-material injectîon nozzle for producing powders by laser pyrolysis’, WO 2013/093385

13. Sujeet Kumar, James T. Gardner, Xiangxin Bi, Nobuyuki Kambe, ’Reaction methods for producing metal oxide particles’, US 6,680,041

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

PREZENTAREA PROBLEMEI TEHNICE PE CARE INVENȚIA O REZOLVA ¹ Prezenta invenție propune un sistem versatil de injectare a precursorilor in stare gazoasa/ vapori, permițând introducerea precursorilor activi in zona de sinteza (delimitată de intersecția radiației laser cu gazele reactive), in scopul obținerii de nanoparticule prin piroliză laser. Invenția rezolva următoarele probleme cu caracter inovativ:

-.asigura stabilitatea de faza, prin controlul temperaturii de injecție eliminând variațiile / oscilațiile temperaturii precursorului injectat in stare de vapori,

- gradul de etanșeitate asigura procesarea de substanțe toxice, corozive, fotosensibile, explozive,

- numărul de canale de procesare prin extensie constructiva poate sa depaseasca patru,

- rezistenta termica este asigurata pana la 1500 cO.fara artificii constructive si materiale deosebite,

- constructiv previne condensarea vaporilor de substanța activa, prin încălzirea termostatata a injectorului,

- asigura modificarea poziției geometrice in camera de reacție in mod controlat, cu referire la poziția reciproca fata de fasciculul laser si colector,

- asigura prin modificări simple o variație larga a parametrilor de sinteza cum ar fi viteza de curgere, debitele precursorilor, mixarea precursorilor,

- garanteaza puritatea substantelor/rnaterialelor procesate si a NP/NS obținute, asigurând si utilizarea lor in domenii de aplicații cum ar fi medicale, in biologie, electronica,

- constructiv asigura omogenitatea fluxurilor de precursori, mai ales la secțiuni relativ mari,

- fezabilitatea de a fi utilizat la camere de reacție din sticla si metalice,

- flexibilitate de conexiune la sisteme de sinteza si la sistemele de procesare a precursorilor,

- posibilitatea de scalare industriala, este posibila utilizarea la volume de sinteza mărite.

- un factor important este creșterea in omogenitate si reproductibilitate sintezei in ansamblu,

- utilizarea sistemului de injecții, atat in condiții experimentale de laborator cat si in condiții de utilizare/apiicare industriala.

- 3 ar _Λ- 2 0 1 5 -- 0 0 2 2 1 2 5 -03-2015

EXPUNEREA INVENȚIEI

Invenția se refera la dispozitivul de injecție (Dl) care face legătură dintre procesarea precursorilor si zona de sinteza, determinata de interactia dintre precursori si radiația laser. Specific pentru un dispozitiv de injecție a precursorilor in stare gazoasa/vapori in piroliza cu laser de nanoparticuie este starea de instabilitate de faza de agregare a precursorului in stare de vapori. Starea de vapori este caracterizata din punct de vedere fizic detemperaturile de topire si respectiv de fierbere a substanței precursoare. Ca formare este rezultatul vaporizarii de suprafața intre cele doua temperaturi caracteristice si de vaporizarea in masa la temperatura de fierbere. Putem obține vaporii precursorilor lichizi in doua moduri, cu o importanta practica din punct de vedere a utilizării in sinteza de NP/NS, care sunt: barbotarea si dispersia ultrasonica (US). Cele doua metode sunt diferențiate prin caracteristicile fizice a substanțelor, temperaturi si presiune de vapori mici si cele care au aceste valori peste valorile normale. Cele doua metode de procesare mai sunt diferențiate si prin debitele masice de procesat: prima de productivitate mica si a doua de productivitate mare. Alimentarea cu precursori se realizează in partea inferioara si printr-un sistem de canalizare realizat prin combinarea unor discuri repartitoare sunt conduse in tuburile de livrare metalice de pereți subțiri realizate din otel inox refractar, funcție de materialele procesate, de diferite compoziții. Tot acest sistem de tuburi si discuri sunt strânse pachet de prezoane a carer număr depinde de nivelul de scalare. Secțiunile de trecere sunt alese cu grija de a evita schimbările bruște de direcție. Canalele tehnologice asigura funcționalitatea pachetului. Materialele de etanșare sunt alese funcție de condițiile de temperatura in care funcționează sistemul. Racordarea la camera de reacție si respectiv la sistemele de procesare a precursorilor dispune de un mare potențial de adaptabilitate fiind compatibil cu toate sistemele actuale in uz standardizate sau nu. Execuția metalica a sistemului de injecție asigura o mare robustețe si siguranța in exploatare. Aceasta expunere a invenției este complementara si se consulta cu desenele explicative si respectiv cu prezentarea figurilor din desene.

PREZENTAREA AVANTAJELOR INVENTIEIIN RAPORT CU STADIUL TEHNICII

Acest dispozitiv de injecție asigura procesarea de substanțe toxice, corozive, fotosensibile, explozive cu garantarea purității substantelor/materialelor procesate si a NP/NS obținute, asigurând utilizarea lor in domenii de aplicații de vârf: medicina, biologie, electronica. Gradul de etanșeitate se pastreaza si la temperaturile de procesare. încălzirea este termostatata cu o precizie 10-1 , aceasta precizie este necesara pentru a se asigura reproductibilitatea . 4 .

0“ 2015- - 00221- $

5 -03-²²¹⁵ sintezei, entalpia sau nivelul energetic caloric va fi constant in timpul sintezei pentru toate substanțele procesate. Condensarea vaporilor de substanța activa constructiv este eliminata prin termostatarea dispozitivului de injecție. Dispozitivul este versatil sub aspectul numărul canalelor de transport a precursorilor, minim sunt doua iar numărul maxim depinde de condițiile tehnologice, cu posibilitatea de a fi utilizat la camere de reacție din sticla si metalice de diferite configurații, avand mare flexibilitate de conexiune la sisteme de sinteza si ia sistemele de procesare a precursorilor. Materialele constructive asigura rezistenta mecanica la solicitarea termica fara artificii constructive si materiale deosebite pana la 1500 θθ. Omogenitatea fluxurilor de precursori, mai ales la debite relativ mari este asigurata constructiv. Dispozitivul asigura modificarea poziției geometrice in camera de reacție in mod controlat, cu referire la poziția reciproca fata de fasciculul laser si colector. Prin modificări simple asigura o variație larga a parametrilor de sinteza cum ar fi viteza de curgere, debitele precursorilor, mixarea precursorilor, etc. Invenția rezolva utilizarea sistemului de injecții atat in condiții de laborator, experimentale cat si in condiții de utilizare/aplicare industriala cu posibilitatea de scalare, este posibila utilizarea la volume de sinteze mărite. Un factor important este creșterea in omogenitate si reproductibilitate a sintezei de NP/NS in ansamblu.

PREZENTAREA FIGURILOR DIN DESENE

Fig. 1. Schema de principiu a unei instalații de piroliza cu laser pentru sinteza de NP/NS cu sistem de injectare polivalent de precursori in stare gazoasa si/sau de vapori in piroliza cu laser de nanoparticule. Sistemul este compus din dispozitivul de injecție poz. 2, care este cuplata la camera de reacție (CR) printr-o cupla rapida cum este prezentat in figura cu posibilitate de centrare si etanșare corespunzător unui nivel de presiune de vid preliminar, adica 10^Λ-2 bar, cu condițiile de pierdere precizate pentru instalația de sinteza. Compartimentul de control temperatura si termostatare (TCU) asigura încălzirea sistemului funcție de temperatura masurata de termocuplul poz. 3 plasata influxul de gaz emergent in camera de reacție CR. Poziția patru reprezintă axa optica a fasciculului laser pentru ilustrarea poziției lor reciproce (poz. 2 cu poz. 4). Sunt vizualizate canalele interne a precursorilor.

Fig. 2. Schița corpului dispozitivului de injecție, unde:

- poz. 1 si 5 reprezintă elementele de etanșare din materiale elastice sau metalice,

- poz. 2 este elementul de încălzire alimentat de compartimentul de control temperatura si termostatare (TCU) fig.1 si poz. 6 este un sistem de izolație termica mobila, . 5 .

ί\- 2 01 5 - - 002212 5 -03- za

- ροζ. 3 si 4 reprezintă modalitatî diferite de cuplare la sistemele de procesare a precursorilor, mobile sau fixe.

- pozitiille a, b, c, si sunt canalele de transport precursori, cu vizualizarea parțiala a canalelor tehnologice,

- pozițiile D1-D3 si respectiv DC reprezintă discurile componente a dispozitivului care prin asamblare materializează canalele de transport a precursorilor si care asigura etanșeitatea sistemului de injecția atat intre precursori una fata de alta cat si a sistemului fata de interiorul camerei de reacție si fata de mediul înconjurător.

Fig. 3.Modalitatea de conectare a tubulaturii precursorilor 1a dispozitivul de injecție.

Ροζ/1 reprezintă conectarea prin asamblare filetata, iar poz. II-IV prin îmbinarea de tip SW. Este prezentata si modalitatea de prindere a pachetului.

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

Realizare dispozitivului de injecție se ineadreaza ca prelucrări mecanice in tolerante si abateri geometrice in cele de mecanica fina pentru pozițiile D1-D3 si respectiv DC. închiderea canalelor tehnologice se executa prin presare si sudura exterioara pentru eliminare posibilității de unei surse de impurități. După terminarea montajului dispozitivul se testează la vid pe un bane de testare. Acest test este obligatoriu in cazul utilizării substanțelor toxice si explozive.

MODUL IN CARE SE POATE APUCA INDUSTRIAL

Aplicația industriala este tinta urmărită, întrucât acest dispozitiv corespunde condițiilor unei utilizări industriale. Cerințele care sunt satisfăcute sunt următoarele:

- asigura o buna reproductibilitate pentru sinteze prin măsură de termostatare a dispozitivului,

- este eliminata posibilitatea de condensare a vaporilor precursorilor,

- are un potențial de scalare foarte bun si de adaptabilitate la sintezele de NP/NS propuse, Țintite sunt sintezele de Ti02 cu aplicații in acoperiri cu efect fotocatalitic si de NP/NS pe baza de Fe in domeniul imagisticii RMN.

Aplicația industriala este avantajoasa datorita polivalentei in exploatare si a realizării prin tehnologii clasice.

Claims (1)

1. Este revendicat dispozitivul de injectare versatil complex a precursorilor in stare gazoasa/vapori utilizat in cadrul sintezei de piroliza cu laser pentru obținerea de nanoparticule / nanostructuri, caracterizat prin acea ca asigura introducerea precursorilor, intr-un număr tehnologic necesar, in zona de sinteza, la interacțiunea cu radiația laserului, respectând condițiile impuse de zona de sinteza, acesta fiind compus dintr-un sistem de termostatare, asigurând controlul temperaturii precursorilor cu ajutorul unui termocuplu, evitând procesul de condensare, prezentând un disc de capat si discuri de canale pentru precursori, cu găuri tehnologice, asamblate pachet, cu etanșare atat intre canalele precursorilor cat si in interiorul sau exteriorul camerei de reacție, cu sisteme de racordare cu mare flxibilitate la camera si la sisteme de procesare a precursorilor cu US si prin barbotare, componentele acestui injector asigura procesarea de materiale periculoase, toxice, piroforice, la temperaturi specifice procesului de sinteza.