RU2648273C2 - Газоразрядный модификатор углеродных наноматериалов барабанного типа - Google Patents
Газоразрядный модификатор углеродных наноматериалов барабанного типа Download PDFInfo
- Publication number
- RU2648273C2 RU2648273C2 RU2016101020A RU2016101020A RU2648273C2 RU 2648273 C2 RU2648273 C2 RU 2648273C2 RU 2016101020 A RU2016101020 A RU 2016101020A RU 2016101020 A RU2016101020 A RU 2016101020A RU 2648273 C2 RU2648273 C2 RU 2648273C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- rotor
- discharge
- electrode
- dielectric
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 32
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 18
- 239000003607 modifier Substances 0.000 title claims abstract description 13
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 36
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 12
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 8
- 238000002156 mixing Methods 0.000 abstract description 16
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 abstract description 14
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 13
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 12
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 43
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 22
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 description 16
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 16
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 14
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 11
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 10
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 7
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 6
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 5
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 201000003728 Centronuclear myopathy Diseases 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 3
- 210000004907 gland Anatomy 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 2
- 238000012994 industrial processing Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910017464 nitrogen compound Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002830 nitrogen compounds Chemical class 0.000 description 2
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101100441413 Caenorhabditis elegans cup-15 gene Proteins 0.000 description 1
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 description 1
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011852 carbon nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000000739 chaotic effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 150000002576 ketones Chemical class 0.000 description 1
- 238000005339 levitation Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000009347 mechanical transmission Effects 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000007745 plasma electrolytic oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 229920001059 synthetic polymer Polymers 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Cleaning In General (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области электротехники, а именно к газоразрядному модификатору углеродных наноматериалов барабанного типа, и может быть использовано для получения углеродных нономатериалов. Газоразрядный модификатор содержит ротор, два электрода, пьезоэлектрический барьер, газоразрядный зазор в межэлектродном пространстве, где также расположен насыпной слой углеродного наноматериала, и высоковольтный источник переменного напряжения акустического диапазона частот. Решетчатая структура электрода позволяет сформировать на поверхности диэлектрического барьера неоднородное электрическое поле, что обеспечивает одновременное возбуждение множественных разрядов. Повышение производительности и надежности работы газоразрядного модификатора за счет снижения адгезии электропроводных модифицированных наноуглеродных частиц к поверхности ротора, а также повышение интенсивности их перемешивания является техническим результатом изобретения. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.
Description
Изобретение относится к оборудованию для химической промышленности, предназначенному для модифицирования углеродных наноматериалов (УНМ) различными функциональными группами. Оборудование подобного назначения необходимо для промышленного производства новых композиционных материалов с заданными свойствами на основе наноуглеродных систем.
Поскольку УНМ инертны и гидрофобны, часто требуется дополнительная обработка перед введением их в матрицы. Одними из наиболее широко используемых УНМ являются углеродные нанотрубки (УНТ) и графены. Совместимость углеродных нанотрубок с матрицами различной природы может быть достигнута, например, химической функционализацией их поверхности [1].
Известны различные методы функционализации углеродных наноматериалов. Так, в патенте US 20080031802 А1, 21.10.2005 описан метод функционализации однослойных и многослойных углеродных нанотрубок гидроксильными группами в атмосфере, содержащей озон, при температурах от 0°С до 100°С [2]. Авторы предлагают для реализации этого метода использовать как вертикальные конвекционные реакторы, так и горизонтальные с принудительным перемешиванием.
Озон может подаваться с помощью пульверизатора в горизонтальный реактор с опрокидывающимся или с вращающимся барабаном, в котором углеродные нанотрубки перемешиваются и более равномерно подвергаются воздействию озона, что приводит к интенсивной функционализации углеродных нанотрубок.
Недостатком такого решения является то, что неустойчивые молекулы озона вырабатываются в отдельном устройстве и, в процессе их производства и по пути доставки в реактор, частично обратно превращаются в молекулы кислорода.
Кроме того, реакция функционализации углеродных наноматериалов идет медленно (несколько часов при температурах до 100°С). В некоторых случаях стоит задача функционализации углеродных материалов не только кетонами и гидроксильными группами, а, например, аминогруппами и другими азотистыми соединениями. В этих случаях данный метод малопригоден. Все эти недостатки снижают привлекательность решения для промышленной обработки углеродных материалов.
Преимущества газоразрядных химических реакторов известны давно. Температура молекулы складывается из температур каждой ее степени свободы, а для химической реакции необходима лишь поступательная энергия (температура) определенного направления. Использование газового разряда позволяет сохранить реакционную температуру, существенно уменьшив среднюю температуру реагентов [3].
Известен метод модифицирования поверхности углеродных материалов под воздействием низкотемпературной плазмы пониженного и атмосферного давления в среде различных газов и паров органических соединений [4]. Для реализации этого метода предлагается устройство, содержащее стеклянную вакуумную камеру, форвакуумный насос, катушку индуктивности для возбуждения высокочастотного (ВЧ) индукционного разряда (Н-разряд), ВЧ генератор (13.56 МГц), подачу газа-носителя и паров мономера, мешалку для перемешивания насыпного слоя углеродных нанотрубок (УНТ). Устройство позволяло производить несколько видов процесса плазмохимического модифицирования:
1) окисление под воздействием кислородсодержащей плазмы (O2, воздух, смеси Ar/O2 и т.п.);
2) обработка в среде неполимеризующихся газов (например, NH3, N2, F и т.п.) с включением атомов или групп в состав поверхности;
3) полимеризация паров органических соединений различной химической природы и прививка на поверхность наноразмерных тонких пленок полимера в плазме;
4) обработка в среде неполимеризующихся газов (например, O2, воздуха, NH3, N2, F и т.п.) с последующей химической прививкой или иммобилизацией необходимых соединений или групп.
Недостатками это решения для промышленной обработки углеродных материалов являются низкая производительность, высокая себестоимость, сложность вакуумной и ВЧ технологий.
Действительно, низкое давление определяет малую плотность ионов-реагентов в плазме, дополнительные операции по выравниванию давления при загрузке и выгрузки уменьшают производительность.
Прототипом изобретения является одна из установок, описанных в статье «Эффект стабилизации углеродных нанотрубок в барьерном искровом газовом разряде» [5], опубликованной авторами данного патента. Эта установка состояла из высоковольтного трансформатора марки ТГМ - 1020 УХЛ1 (10 кВ, 20 мА) с питанием от промышленного напряжения (220 В, 50 Гц) в качестве источника переменного тока; газоразрядной камеры атмосферного давления, содержащей верхний электрод, покрытый барьерным слоем диэлектрика, слой порошка УНТ, расположенного на нижнем сплошном металлическом горизонтальном электроде (диэлектрический слой на нижнем электроде показал свою неэффективность из-за собственной электропроводности насыпного слоя УНТ) и газоразрядный зазор в межэлектродном пространстве.
Работа установки сопровождалась газоразрядным процессом, поясняемым фигурой 1. На фиг. 1 приведена фотография воздушного барьерного разряда в условиях насыпного слоя многостенных углеродных нанотрубок «Деалтом», вид сбоку.
Позиции на фигуре означают следующее:
1 - газоразрядный зазор;
2 - электрод;
3 - барьерный электрод;
4 - диэлектрический барьер;
5 - слой порошка УНМ;
6 - газоразрядные каналы;
7 - цилиндрические образования УНТ;
8 - газо-«пылевые» вихри.
Установка работала следующим образом. На электрод 2, расположенный внизу газоразрядной камеры, помещался определенной высоты слой порошка УНМ 5, состоящий из УНТ «Деалтом». В газоразрядном зазоре 1 при подаче переменного высокого напряжения на электрод 2 и барьерный электрод 3, отделенный от газоразрядного зазора 1 диэлектрическим барьером 4, возникал низкочастотный барьерный разряд атмосферного давления [6]. Влияние электропроводных УНТ на барьерный разряд выражалось в возникновении множества газоразрядных каналов 6, в которые втягивались устойчивые цилиндрические образования УНТ 7 и хаотично мигрировали по поверхности электродов.
Кроме того, наблюдались газо-«пылевые» вихри 8 - хаотичная левитация и активное перемешивание УНТ в межэлектродном пространстве, неспособных создать долгоживущий разрядный канал. Высокое (атмосферное) давление разряда и высокая средняя плотность разрядного тока, воздействие ультрафиолетового (УФ) излучения и активное перемешивание УНТ под влиянием переменного электрического поля обуславливают высокую интенсивность процесса обработки УНТ озоном и азотными соединениями, возникающими из воздушной среды непосредственно в камере под воздействием газовых разрядов и УФ-излучения.
Обработка другого углеродного наноматериала - графена на данной установке протекала подобным образом.
Основным недостатком прототипа является неравномерность обработки слоя порошка УНМ 5. Дело в том, что по прошествии некоторого времени множественные газоразрядные каналы 6 вырождались в стабильный одиночный канал, интенсивность перемешивания порошка УНМ падала и не все УНМ активно участвовали в обработке.
Это объяснялось тем, что диэлектрический барьер 4 со временем покрывался слоем УНМ и электропроводность этого слоя постепенно росла, что влияло на поверхностное распределение электрического потенциала диэлектрического барьера 4 и создавало условия для формирования одиночного разрядного канала. При обработке графенов поверхность диэлектрика «засорялась» еще быстрее. Кроме того, с течением времени наблюдалась интегральная миграция слоя порошка УНМ 5 из центра электрода 2 к его периферии.
Таким образом, для длительной интенсивной обработки наноматериала требовалась операция по периодической очистке диэлектрической поверхности барьерного электрода 3 и выравнивание уровня слоя порошка УНМ 5 на электроде 2.
Задачами предлагаемого изобретения являются:
- увеличение производительности газоразрядного модификатора углеродных наноматериалов;
- увеличение ресурса безостановочной работы устройства;
- снижение энергозатрат по модифицированию УНМ.
Эти задачи решаются в газоразрядном модификаторе углеродных наноматериалов барабанного типа, содержащем ротор, состоящий из пьезоэлектрического полого стакана, на внутреннюю цилиндрическую поверхность которого без зазора нанесен барьерный электрод; внешнего электрода, выполненного в виде внешнего кольца ротора; газоразрядного зазора, образованного полостью между внутренней поверхностью внешнего электрода и внешней поверхностью пьезоэлектрического полого стакана, куда помещают обрабатываемый наноматериал; диэлектрической крышки, герметично закрывающей ротор; при этом двигатель приводит во вращение ротор, а на электроды подаются переменные потенциалы, посредством скользящих контактов, от высоковольтного источника переменного напряжения акустического диапазона частот.
Изобретение поясняется следующими фигурами.
На фиг. 2 приведено схематическое изображение газоразрядного модификатора углеродных наноматериалов барабанного типа, вид сбоку.
На фиг. 3 приведено схематическое изображение возможных типов решетчатой структуры электродов: а - спиральный; б - волновой; в - сетчатый.
На фиг. 4 приведено схематическое изображение газоразрядного модификатора углеродных наноматериалов барабанного типа с металлическим статором и ракельной очисткой в двух проекциях, вид сбоку и сечение.
На фиг. 5 приведено схематическое изображение цилиндрического ракеля вращения.
На фиг. 6 приведена циркуляционная схема газодинамического ракеля.
Позиции на фигурах означают следующее:
9 - ротор;
10 - пьезоэлектрический полый стакан;
11 - диэлектрическая крышка;
12 - скользящий токосъемный контакт;
13 - двигатель;
14 - статор;
15 - диэлектрическое полимерное наполнение;
16 - диэлектрический сальник;
17 - токопроводящий вал;
18 - диэлектрическая оболочка вала;
19 - контактный конец вала;
20 - электроконтактная втулка;
21 - газовые патрубки;
22 - диэлектрический щеточный ракель;
23 - цилиндрический вал ракеля вращения;
24 - ворсяные кисточки;
25 - циркуляционный компрессор;
26 - входной патрубок компрессора;
27 - газодинамическое сопло:
27.1 - дозвуковая часть;
27.2 - критическое сечение;
27.3 - сверхзвуковая часть;
28 - наноуглеродно-газовая смесь;
29 - сверхзвуковая струя.
Газоразрядный модификатор углеродных наноматериалов барабанного типа изображен на фиг. 2.
Устройство по фиг. 2 содержит ротор 9, состоящий из пьезоэлектрического полого стакана 10, барьерного электрода 3, нанесенного на внутреннюю цилиндрическую поверхность пьезоэлектрического полого стакана 10 без воздушного зазора, электрода 2, выполненного в форме внешнего кольца ротора, диэлектрической крышки 11; рабочий газоразрядный зазор 1 между внутренней поверхностью электрода 2 и внешней поверхностью пьезоэлектрического полого стакана 10; слой порошка УНМ 5; скользящие токосъемные контакты 12 электродов 2 и 3; двигатель 13, присоединенный посредством своего вала к ротору 9; высоковольтный источник переменного тока (не указан) акустического диапазона частот, подключенный выводами к скользящим токосъемным контактам 12.
Установка по фиг. 2 работает следующим образом.
В рабочий газоразрядный зазор 1 при открытой диэлектрической крышке 11 ротора 9 насыпается слой порошка УНМ 5 в необходимом количестве, вводятся, при необходимости, химические добавки в твердом, жидком или газообразном виде. Диэлектрическая крышка 11 герметично закрывает ротор 9. Включается двигатель 13, который приводит во вращение ротор 9. На электроды 2 и 3 подаются переменные потенциалы от выводов источника тока (не указан) посредством скользящих токосъемных контактов 12. Вращающийся ротор 9 увлекает за собой наноуглеродно-газовую смесь, распределяя ее по объему газоразрядного зазора 1 и способствуя ее активному перемешиванию.
В межэлектродном пространстве газоразрядного зазора 1 возникают множественные барьерные газовые разряды искрового типа, стримеры которых образуют ломаные линии, проходя траекторию от частички взвеси к следующей частичке и далее. Насыпной слой, помимо функции обрабатываемого материала, выступает в качестве конструкционного элемента устройства.
Высота слоя должна быть не только достаточно велика для возникновения электрического пробоя, но и достаточно мала, препятствуя формированию электрической дуги, способной разрушить кристаллическую структуру наноматериала с образованием аморфного углерода.
Отсутствие воздушного зазора между барьерным электродом 3 и диэлектриком в виде пьезоэлектрического полого стакана 10 препятствует выгоранию этого электрода, электрод 2 защищен от постепенного выгорания электропроводным слоем наноуглеродного порошка.
Диэлектрический барьер пьезоэлектрического полого стакана 10 под действием электрического поля проявляет свои пьезоэлектрические свойства, возбуждая акустические колебания. Газоразрядный зазор 1 помимо основной функции является акустическим резонатором с набором собственных резонансных частот и их гармоник. При совпадении частоты источника тока с собственной гармоникой газоразрядного зазора 1 возникает акустический резонанс, усиливающий амплитуды акустических давлений и скоростей. При использовании в качестве источника импульсного генератора с резким фронтом нарастания электрических импульсов прямоугольной формы возможно одновременное возбуждение в рабочем газоразрядном зазоре 1 (резонаторе) различных звуковых и ультразвуковых колебаний.
Под действием переменного электрического поля, газовых разрядов и акустических колебаний происходит интенсивное движение и перемешивание обрабатываемых частиц в дополнение к вихревым потокам, вызванным вращением ротора 9 и гравитацией. Комбинированное перемешивание наноуглеродно-газовой смеси препятствует возникновению стабильных газоразрядных каналов 6 (на Фиг. 2 не указаны, см. фиг. 1).
Кроме того, вращение противодействует адгезии наноуглеродного порошка к звукоизлучающей барьерной диэлектрической поверхности пьезоэлектрического полого стакана 10 под действием «центробежных сил» (когда адгезионные силы не способны создать достаточного центростремительного ускорения) и акустического «встряхивания», препятствуя возникновению электропроводного слоя и поверхностной «утечки» заряда.
Множественные электрические газовые разряды, акустические колебания и УФ-излучение, воздействуя на газоплазменную среду и на углеродный материал, способствуют интенсивному протеканию химических и гальвано-химических реакций, в результате которых происходит функционализация наноматериала.
В одном из частных случаев диэлектрическая крышка 11 выполнена прозрачной, что позволяет визуально контролировать рабочий процесс.
В другом частном случае барьерный электрод 3 выполнен в виде решетки. Решетчатая структура электрода позволяет сформировать на поверхности диэлектрического барьера неоднородную картину электрического поля, что стимулирует одновременное возбуждение множественных разрядов. Для того, чтобы поляризационная картина диэлектрика имела ярко выраженную решетчатую структуру, шаг решетки барьерного электрода должен быть соразмерен толщине диэлектрического барьера. На Фиг. 3 (а-в) изображены возможные типы решетчатой структуры электродов: а - спиральный; б - волновой; в - сетчатый.
Технический результат увеличения производительности модифицированных углеродных наноматериалов обуславливается за счет процентного увеличения количества частиц, непосредственно задействованных в разрядном процессе, относительно общего количества загрузки порошка, что значительно увеличивает интенсивность процесса модификации. Это объясняется принудительным перемешиванием и разрушением условий установления стабильных каналов, в разрядах которых принимают участие лишь «привилегированные» наноуглеродные частицы.
Технический результат увеличения ресурса безостановочной работы обусловлен снижением адгезии электропроводных наноуглеродных частиц к звукоизлучающей диэлектрической поверхности пьезоэлектрического полого стакана 10 ротора 9 вследствие вращения и акустических колебаний. Таким образом, поверхность дольше остается неэлектропроводной и реже требует очистки.
Технический результат снижения энергозатрат обусловлен большей равномерностью обработки загрузочного объема наноуглеродного материала. Напротив, при неравномерной обработке излишняя энергия, подведенная к некоторым «привилегированным» углеродным наночастицам, может причинить вред, чрезмерно разрушая их начальную структуру, тогда как основная масса материала недополучает свою дозу энергии, необходимую для функционализации.
В частном случае устройство отличается тем, что электрод 2 выполнен в виде внешнего неподвижного кольца статора. В данном случае технический результат усиливается за счет более интенсивного вихреобразования и перемешивания наноуглеродно-газовой смеси в газоразрядном зазоре 1.
В другом частном случае для дополнительной очистки диэлектрического барьера ротора используется ракель или скребок, закрепленный на статоре и имеющий фрикционный контакт с диэлектрической поверхностью ротора.
В одном из случаев ракель выполнен в виде диэлектрической щетки. Такое устройство изображено на фиг 4.
Модификатор барабанного типа по фиг. 4 содержит ротор 9, состоящий из пьезоэлектрического полого стакана 10, барьерного электрода 3, нанесенного в форме кольца на внутреннюю цилиндрическую поверхность пьезоэлектрического полого стакана 10 без воздушного зазора, литого диэлектрического полимерного наполнения стакана 15 с электроконтактной втулкой 20, имеющей гальваническую связь с барьерным электродом 3; статор 14, состоящий из электрода 2, диэлектрического сальника 16, неподвижного диэлектрического щеточного ракеля 22, имеющего фрикционный контакт с роторной поверхностью пьезоэлектрического полого стакана 10, диэлектрической крышки 11, закрывающей статор 14, газовых патрубков 21; газоразрядный зазор 1 между внутренней поверхностью электрода 2 и внешней поверхностью пьезоэлектрического полого стакана 10; слой порошка УНМ 5; двигатель 13 с корпусом, жестко присоединенным к статору 14, с токопроводящим валом 17 в диэлектрической оболочке 18, проходящей сквозь диэлектрический сальник 16, скользящим токосъемным контактом 12 и контактным концом вала 19, осуществляющий гальваническую связь с барьерным электродом 3 через электроконтактную втулку 20; высоковольтный генератор прямоугольных электрических импульсов ультразвуковой частоты (не указан), подключенный выводами к скользящему токосъемному контакту 12 и электроду 2 соответственно.
Установка по фиг. 4 работает следующим образом. В рабочий газоразрядный зазор 1 при открытой диэлектрической крышке 11 насыпается слой порошка УНМ 5 в необходимом количестве, вводятся, при необходимости, химические добавки в твердом или жидком виде. Диэлектрическая крышка 11 герметично закрывает статор 14. Через газовые патрубки 21 газоразрядный зазор 1, при необходимости, заполняется требуемой газовой средой определенного давления и температуры. Включается двигатель 13, который приводит во вращение ротор 9. На электрод 2 и скользящий токосъемный контакт 12 подаются переменные потенциалы от выводов импульсного источника (не указан). От скользящего токосъемного контакта 12 потенциал передается барьерному электроду 3 через контактный конец 19 вала 17, присоединенный к электроконтактной втулке 20.
Вращающийся ротор 9 увлекает за собой наноуглеродно-газовую смесь, распределяя ее по объему газоразрядного зазора 1 и способствуя ее активному перемешиванию. Различная скорость стенок ротора 9 и статора 14 обуславливает более сильное вихреобразование газовой среды газоразрядного зазора 1 в сравнении со случаем одиночного ротора, описанным выше. В межэлектродном пространстве газоразрядного зазора 1 возникают множественные барьерные газовые разряды искрового типа, стримеры которых образуют ломаные линии, проходя траекторию от частички взвеси к следующей частичке и далее. Диэлектрический барьер пьезоэлектрического полого стакана 10 под действием электрического поля заданной частоты проявляет свои пьезоэлектрические свойства, возбуждая акустические колебания на одной из собственных частот резонатора, образованного газоразрядным зазором 1.
Вследствие резкого фронта нарастания электрических импульсов прямоугольной формы в газоразрядном зазоре 1 одновременно с основной частотой возбуждаются акустические колебания и более высоких резонансных гармоник. Резонанс усиливает звуковые амплитуды. Под действием переменного электрического поля, газовых разрядов и акустических колебаний происходит интенсивное движение и перемешивание обрабатываемых частиц в дополнение к вихревым потокам, вызванным вращением ротора 9 и гравитацией.
Комбинированное перемешивание наноуглеродно-газовой смеси препятствует возникновению стабильных газоразрядных каналов.
Вращение противодействует адгезии наноуглеродного порошка к звукоизлучающей барьерной диэлектрической поверхности пьезоэлектрического полого стакана 10 под действием «центробежных сил» (когда адгезионные силы не способны создать достаточного центростремительного ускорения) и акустического «встряхивания», препятствуя возникновению электропроводного слоя и поверхностной «утечки» заряда. Остаток наноуглеродного осадка на вращающейся диэлектрической поверхности пьезоэлектрического полого стакана 10 ротора 9 счищается неподвижным диэлектрическим щеточным ракелем 22. Диэлектрический щеточный ракель 22 вследствие своей геометрии не препятствует циркуляции газовой взвеси в газоразрядном зазоре 1.
Кроме того, в области установки диэлектрического щеточного ракеля 22 электрод 2 имеет отклонение от цилиндрической формы с увеличением зазорного расстояния, что препятствует возбуждению разрядных процессов в этой области для исключения влияния диэлектрического щеточного ракеля 22 на равномерный процесс обработки материала.
Множественные электрические газовые разряды, акустические колебания и УФ-излучение, воздействуя на газоплазменную среду и на углеродный материал, способствуют интенсивному протеканию химических и гальвано-химических реакций, в результате которых происходит функционализация наноматериала.
Технический результат увеличения производительности модифицированных углеродных наноматериалов обуславливается за счет увеличения количества частиц, непосредственно задействованных в разрядном процессе, относительно общего количества загрузки порошка, что значительно увеличивает интенсивность процесса модификации. Это объясняется принудительным комбинированным перемешиванием и разрушением условий установления стабильных каналов, в разрядах которых принимают участие лишь «привилегированные» наноуглеродные частицы.
Технический результат увеличения ресурса безостановочной работы обусловлен снижением адгезии электропроводных наноуглеродных частиц к звукоизлучающей диэлектрической поверхности пьезоэлектрического полого стакана 10 ротора 9 вследствие вращения и акустических колебаний.
Кроме того, диэлектрический щеточный ракель 22 постоянно счищает остаток наноуглеродного осадка на этой поверхности. Таким образом, поверхность пьезоэлектрического полого стакана 10 остается неэлектропроводной и не требует периодической остановки устройства для операции очистки.
Технический результат снижения энергозатрат обусловлен большей равномерностью обработки загрузочного объема наноуглеродного материала, то есть более эффективного использования энергии.
В одном из частных случаев диэлектрический щеточный ракель 22 выполнен в виде отдельно вращающейся щетки, установленной на статоре. Привод такого диэлектрического щеточного ракеля 22 осуществляется от отдельного вспомогательного двигателя либо посредством механической передачи от вала основного двигателя. В данном случае технический результат усиливается за счет более тщательной очистки ротора и самоочистки кисточек диэлектрического щеточного ракеля 22. Такая конструкция диэлектрического щеточного ракеля 22 изображена на фиг. 5. По фиг. 5 диэлектрический щеточный ракель содержит цилиндрический вал 23; ряды ворсяных кисточек 24.
В другом из частных случаев очистку ротора проводят при помощи газодинамического сопла (плоского сопла Лаваля либо ряда конических сопел Лаваля). Циркуляционная газодинамическая схема изображена на фиг. 6. В данном случае очистка ротора производится без непосредственного механического контакта ракеля с помощью жесткой сверхзвуковой струи 29. Нагнетание газа в сопло осуществляется с помощью циркуляционного компрессора 25, подключенного входным патрубком 26 к полости рабочего зазора, а выходным - к форкамере сопла Лаваля 27.
Помимо функции очистки система газодинамического сопла вносит дополнительное перемешивание наноуглеродно-газовой смеси 28. Технический результат достигается за счет более интенсивного перемешивания обрабатываемого материала и увеличения срока службы бесконтактного газодинамического ракеля.
Возросшее в последнее время внимание к новым композитным материалам требует увеличения объемов производства различных добавок и химических модификаторов, в том числе и наноуглеродных. Предлагаемое изобретение в сочетании с высокой эффективностью и технической простотой может оказаться востребованным для производства различных химических модификаторов из углеродных нанотрубок и других углеродных наноматериалов (графенов, фуллеренов и пр.) в промышленных объемах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дьячкова Татьяна Петровна (RU), Мележик Александр Васильевич (RU), Горский Сергей Юрьевич (RU), Рухов Артем Викторович (RU), Ткачев Алексей Григорьевич (RU). Способ функционализации углеродных наноматериалов. Патент RU 2529217 С2, 12.11.2012.
2. Jun Ma, Asif Chishti, Lein Ngaw, Alan Fischer, Robert Braden. Ozonolysis of carbon nanotubes. Patent US 20080031802 A1, 21.10.2005.
3. Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов A.M. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование). М.: ЭКОМЕТ, 2005. 368 с.
4. А.Б. Гильман, М.Ю. Яблоков, А.А. Кузнецов. Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН. Композиционные материалы на основе углеродных нанотрубок, модифицированных в низкотемпературной плазме © 2012 г. Материалы Международной научно-технической конференции, 3-7 декабря 2012 г. Москва, INTERMATIC - 2012, часть 2, МИРЭА. e-mail: plasma@ispm.ru
5. Эффект стабилизации углеродных нанотрубок в барьерном искровом газовом разряде © 2015 г. В.А. Вагапов, О.В. Демичева, Лаборатория углеродных наноматериалов, НОУ ВПО Российский новый университет (РосНОУ), Москва, www.dealtom.ru.
6. М.В. Малашин, С.И. Мошкунов, В.Ю. Хомич, Е.А. Шершунова, В.А. Ямщиков. Институт электрофизики и электроэнергетики РАН, СПБ. О возможности получения объемного диэлектрического барьерного разряда в воздухе при атмосферном давлении. Письма в ЖТФ, т. 39, вып. 5, 12.03.2013.
Claims (6)
1. Газоразрядный модификатор углеродных наноматериалов барабанного типа, содержащий ротор, состоящий из пьезоэлектрического полого стакана, на внутреннюю цилиндрическую поверхность которого без зазора нанесен барьерный электрод; внешнего электрода, выполненного в виде внешнего кольца ротора; газоразрядного зазора, образованного полостью между внутренней поверхностью внешнего электрода и внешней поверхностью пьезоэлектрического полого стакана, куда помещают обрабатываемый наноматериал; диэлектрической крышки, герметично закрывающей ротор; при этом двигатель приводит во вращение ротор, а на электроды подаются переменные потенциалы, посредством скользящих контактов, от высоковольтного источника переменного напряжения акустического диапазона частот.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что барьерный электрод имеет решетчатую структуру - спиральную, волновую, сетчатую.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внешний электрод выполнен в виде неподвижного статора.
4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что для дополнительной очистки ротора используется ракель или скребок, закрепленный на статоре.
5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что ракель выполнен в виде отдельно вращающейся щетки.
6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что очистку ротора проводят при помощи газодинамического сопла.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016101020A RU2648273C2 (ru) | 2016-01-15 | 2016-01-15 | Газоразрядный модификатор углеродных наноматериалов барабанного типа |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016101020A RU2648273C2 (ru) | 2016-01-15 | 2016-01-15 | Газоразрядный модификатор углеродных наноматериалов барабанного типа |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016101020A RU2016101020A (ru) | 2017-07-20 |
RU2648273C2 true RU2648273C2 (ru) | 2018-03-23 |
Family
ID=59497178
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016101020A RU2648273C2 (ru) | 2016-01-15 | 2016-01-15 | Газоразрядный модификатор углеродных наноматериалов барабанного типа |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2648273C2 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080031802A1 (en) * | 2004-10-22 | 2008-02-07 | Hyperion Catalysis International, Inc. | Ozonolysis of carbon nanotubes |
WO2010142953A1 (en) * | 2009-06-09 | 2010-12-16 | Haydale Limited | Methods and apparatus for particle processing with plasma |
US20150217287A1 (en) * | 2012-08-29 | 2015-08-06 | Hitachi Chemical Company, Ltd. | Method for manufacturing catalyst for carbon nanotube synthesis |
-
2016
- 2016-01-15 RU RU2016101020A patent/RU2648273C2/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080031802A1 (en) * | 2004-10-22 | 2008-02-07 | Hyperion Catalysis International, Inc. | Ozonolysis of carbon nanotubes |
WO2010142953A1 (en) * | 2009-06-09 | 2010-12-16 | Haydale Limited | Methods and apparatus for particle processing with plasma |
CN105148817A (zh) * | 2009-06-09 | 2015-12-16 | 黑达勒石墨工业公共有限公司 | 处理颗粒的方法、相关装置和颗粒 |
US20150217287A1 (en) * | 2012-08-29 | 2015-08-06 | Hitachi Chemical Company, Ltd. | Method for manufacturing catalyst for carbon nanotube synthesis |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
"Эффект стабилизации углеродных нанотрубок в барьерном искровом газовом разряде", 2015, В.А. Вагапов, О.В. Демичева. Лаборатория углеродных наноматериалов, НОУ ВПО Российский новый университет (РосНОУ), Москва, www.dealtom.ru. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016101020A (ru) | 2017-07-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20180122622A1 (en) | Enhancing gas-phase reaction in a plasma using high intensity and high power ultrasonic acoustic waves | |
US10125421B2 (en) | Plasma CVD apparatus, plasma CVD method, and agitating device | |
US7862782B2 (en) | Apparatus and methods for producing nanoparticles in a dense fluid medium | |
KR102517594B1 (ko) | 액중 플라즈마장치 | |
US8968668B2 (en) | Arrays of metal and metal oxide microplasma devices with defect free oxide | |
JP2017012970A (ja) | プラズマ粉体処理装置およびプラズマ粉体処理方法 | |
Shirafuji et al. | Generation of three-dimensionally integrated micro-solution plasma and its application to decomposition of methylene blue molecules in water | |
US20090291235A1 (en) | Multiarc discharge moving bed reactor system | |
RU2648273C2 (ru) | Газоразрядный модификатор углеродных наноматериалов барабанного типа | |
JP2000303175A (ja) | 透明導電膜の製造方法および透明導電膜 | |
JP6006393B1 (ja) | プラズマ処理装置 | |
JP5008622B2 (ja) | プラズマ発生電極及びプラズマ発生方法 | |
JP6020844B2 (ja) | 液中プラズマ装置および液体浄化システム | |
JP2023539427A (ja) | 音響光学変調器 | |
JP2023533053A (ja) | 電子線照射スクラビング装置及び方法 | |
JP2014032787A (ja) | 液中放電装置 | |
JP2012172208A (ja) | プラスチックボトル内面の処理方法及びプラスチックボトル内面の処理装置 | |
JP5126983B2 (ja) | プラズマ発生装置 | |
CN115594257A (zh) | 一种放电固氮装置及方法 | |
CN1220409C (zh) | 一种活性气体发生方法及其装置 | |
JP2014010931A (ja) | プラズマ処理方法及び処理装置 | |
Park et al. | Effect of nonthermal plasma reactor for CF/sub 4/decomposition | |
Pekárek et al. | Ozone generation by hollow-needle to plate electrical discharge in an ultrasound field | |
JP2012196669A (ja) | プラズマ処理装置 | |
Yamamoto et al. | Synthesis of ultrafine particles by surface discharge-induced plasma chemical process (SPCP) and its application |