Установка для получения углеродных нанокластеров

Предложение относится к технологии получения фуллерита и углеродных нанокластеров при возгонке исходного материала.

Установка для этого технического процесса содержит рабочую камеру 1 с размещенной в ней реакционной зоной 2 и электродами 3 и 4 для образования дуги разряда постоянного тока, нагнетающий насос 6 и плазмотрон 5 создают оптимальные условия для формирования пульсирующего потока плазмы, при этом отрицательный электрод 4 выполнен из жаропрочного неплавящегося, в процессе работы, материала, а подвергаемый деструкции положительный электрод 3 выполнен из углеродсодержащего материала и расположен у среза сопла 9 плазматрона на расстоянии 10÷100 мм по оси истекающего потока плазмообразующего газа. Такое принципиальное техническое выполнение установки позволяет эффективно и высокопроизводительно вести процесс получении углеродных нанокластеров для их применения но прямому назначению и в смежных областях технологий.

Предложение относится к физико-техническим процессам получения фуллеренов, фуллеритов и углеродных нанокластеров при возгонке исходного углеродсодержащего материала.

Известны технические средства для получения углеродных нанокластеров, содержащие корпус с камерой переработки углеродсодержащего материала, включающей рекционную зону для возгонки этого материала, магистраль отвода продукта переработки на фракционирование и упаковку, /1. JP 2546511, 23.10.1996.; 2. RU 2187456, 2000./.

Кроме того, известны установки для получения углеродных нанокластеров /US 5994410, С 01 B 31/00, 1995.; JP 06122513, 5.06.1994./, содержащие камеру переработки углеродсодержащего материала.

Наиболее близким техническим решением является установка для получения углеродных нанокластеров, содержащая рабочую камеру с реакционной зоной для переработки исходного углеродсодержащего материала в дуге разряда постоянного тока между полюсами на положительном и отрицательном электродах (по знаку полюса тока), /WIPO W6 03/038163 A1, С 01 В 31/00, 02, 30.10.2001./.

Обладая более прогрессивной технологией переработки углеродсодержащего материала, это техническое решение обладает также и существенными недостатками, заключающимися в принципиальной конструктивной схеме установки с несовершенной камерой возгонки, типичной по своей недоработке указанным выше аналогам, что не позволяет увеличить производительность процесса получения углеродных нанокластеров, требует значительных энергетических затрат и отражается на высокой стоимости получаемого конечного продукта.

Технической задачей и технологическим результатом данного предложения является снижение удельных энергетических затрат, при увеличении массового количества исходного материала, возгоняемого

в каждую единицу времени процесса, что приводит к повышению производительности и снижению трудозатрат на весь процесс получения углеродных нанокластеров.

Это достигается за счет того, что установка для получения углеродных нанокластеров содержит рабочую камеру с реакционной зоной для переработки исходного углеродсодержащего материала в дуге разряда постоянного тока между полюсами на положительном и отрицательном электродах, при этом она снабжена плазмотроном, газонагнетающим насосом с пульсирующей подачей этого газа, отрицательный электрод выполнен из неплавящегося, в процессе переработки исходного материала, жаропрочного материала (сплава) в форме стержня сплошного сечения или полого кольцевого сечения, стержень размещен по оси сопла плазмотрона, а подвергаемый деструкции положительный углеродсодержащий электрод расположен у среза соплового отверстия плазмотрона по оси остекающего потока плазмы.

Неплавящийся электрод выполнен из сплава, содержащего вольфрам в смеси с иттрием, титаном и лантаном.

А расстояние от углеродсодержащего положительного электрода до среза сопла плазмотрона устанавливают в пределах 10-100 мм.

На фиг.1 показан общий вид установки с сечением по оси;

на фиг.2 приведена технологическая схема установки.

Установка для получения углеродных нанокластеров содержит рабочую камеру 1 с реакционной зоной 2 в полости этой камеры, оснащенной положительным электродом (по знаку тока) 3 и отрицательным электродом 4 (по знаку "-" полюса тока); установка снабжена плазмотроном 5 струйного типа, имеющий газонагнетающий насос 6, работающий в режиме пульсирующей подачи этого газа, что обеспечивается клапаном (радиально-дисковым, или дроссельным).

Положительный электрод 3 выполнен из исходного углеродсодержащего материала, подвергаемого в процессе - деструкции, а отрицательный электрод 4 выполнен из неплавящегося, в процессе переработки исходного материала (3), жаропрочного материала - сплава, содержащего вольфрам в смеси с иттрием, титаном и лантаном при соотношении, соответственно,: 70-80:3-5:25-12:2-3, % мас.

Электрод 4 в поперечном сечении (фиг.1, 1-1,) выполнен или сплошного сечения - 7, или кольцевого полого (внутри) сечения - 8; выбор сечения зависит от диаметра и материала электрода 3: при значительном диаметре электрода 3 (более 10 мм) выбирают электрод 8 (4).

Электрод 4 размещен по оси сопла 9 плазмотрона 5, соответственно ему по оси (фиг.1) размещен электрод 3, который располагают у среза сопла 9 плазмотрона на расстоянии 10 (зазор), равном 10-100 мм, а электрод 4 установлен своим торцем (4) также у среза сопла на расстоянии 2-3 мм (до 10 мм), что обеспечивает стабильность процесса возгонки электрода 3 и получение углеродных нанокластеров.

Стенки плазмотрона имеют рубашку охлаждения с патрубком 11 подачи хладагента и патрубком 12 отвода хладагента. А получаемый углеродный нанокластер (продукт) отводят в накопительный контейнер 13 или подают на непосредственное использование в технологии.

Установка работает следующим образом. Патрубки 11 и 12 подсоединяют на вход и выход хладагента (охлажденная вода, до +5°С, с добавкой ПАВа, около 1%); электроды 3 и 4 соединяют с источником тока (150 А, 50 В) с удельной энергией 47 кВт/см², в качестве плазмообразующего газа берут аргон (Аг), скорость струи от насоса 6 задают пульсирующей: при низком давлении - 70-100 м/с, при максимальном давлении - 800-1200 м/с; соблюдая эти операции и их режим и параметры, ведут стабильную работу установки и высокопроизводительный процесс получения углеродных нанокластеров (сшитых в нанокластеры фуллеренов) за счет такой возгонки углеродсодержащего электрода 3 (выбранного, например, из ¹²С).

По сравнению с базовым объектом (изготовление на принципе установки по пат. РФ №2187456) заявляемая установка расходует энергии на 25-27 кВт меньше, при увеличении производительности на 18-22% и существенном снижении трудозатрат на процесс, что определяет высокую эффективность и прогрессивность данной установки.

1. Установка для получения углеродных нанокластеров, содержащая рабочую камеру с реакционной зоной для переработки исходного углеродсодержащего материала в дуге разряда постоянного тока между полюсами на положительном и отрицательном электродах, отличающаяся тем, что она снабжена плазмотроном, газонагнетающим насосом с пульсирующей подачей этого газа, отрицательный электрод выполнен из неплавящегося в процессе переработки исходного материала, жаропрочного материала в форме стержня сплошного или полого кольцевого сечения, размещенного по оси сопла плазмотрона, а подвергаемый деструкции углеродсодержащий положительный электрод расположен у среза соплового отверстия плазмотрона по оси истекающего потока плазмы.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что неплавящийся электрод выполнен из сплава, содержащего вольфрам в смеси с иттрием, титаном и лантаном.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что расстояние от углеродсодержащего положительного электрода до среза сопла плазмотрона устанавливают в пределах 10-100 мм.