Установка для модификации нанодисперсных материалов в плазме вч-разряда

Полезная модель относится к области получения нанодисперсных порошков (НДП) в плазме электрических разрядов, в частности, к установкам осуществления плазмохимических процессов и модификации нанодисперсных материалов и их переработки совместно с другими гранулированными материалами. Техническим результатом заявляемой полезной модели является - повышение эффективности модификации в плазме электрического разряда. Сущность полезной модели заключается в том, что в установке для модификации нанодисперсных материалов в плазме ВЧ разряда, в которой технологически связанны между собой высокочастотный генератор, вакуумный насос, устройство для ввода исходных реагентов, реакционная камера, содержащая внутрикамерный контейнер квадратного сечения для нанодисперсных материалов, устройство соосного вращения контейнера, фильтрующий элемент, электроды подвода высокочастотной энергии к реакционной камере, расположены аксиально и имеют волновое сопротивление равное сопротивлению выхода генератора (обычно 50 Ом), причем наружный электрод расположен снаружи камеры и вплотную прилегает к ней, а внутренний осевой электрод является одновременно магистралью подачи плазмообразующего газа и модификатора и расположен на оси внутри контейнера, при этом внутрикамерный контейнер для наноматериалов, в объеме которого происходит плазмохимическая модификация, выполнен из диэлектрика с горловиной, в которой расположены фильтрующий элемент, пропускающий газ и не пропускающий нанодисперсный материал, при этом вращение внутреннего контейнера в камере осуществляется одновременно со встряхиванием. Полезная модель иллюстрируется чертежами на фиг.1-2.

Полезная модель относится к области получения нанодисперсных порошков (НДП) в плазме электрических разрядов, в частности, к установкам осуществления плазмохимических процессов и модификации нанодисперсных материалов и их переработки совместно с другими гранулированными материалами, а также получение НДП материалов, пригодных для использования в различных областях промышленности и техники.

Известны плазменные реакторы, использующие энергию высокочастотного индукционного и дугового разряда. Однако эти реакторы не могут быть использованы для модификации нанодисперсных порошков в связи с тем, что порошки устойчиво не транспортируются потоками газов и механическими устройствами, они при этом укрупняются и залипают на стенках и скребках, теряя свои свойства.

Известна установка получения нанодисперсных порошков в плазме СВЧ разряда, которая включает технологически связанные между собой микроволновой генератор, СВЧ плазмотрон, реакционную камеру, устройство для ввода исходных реагентов, фильтр и устройство для вывода полученных материалов (патент RU 2252817C1, МПК B01J 19/08, публ.2005). Обработка (модификация) и переработка порошкообразного сырья представляет большие трудности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является установка, в которой технологически связанны между собой генератор ВЧ, устройство для ввода газообразных реагентов, реакционная камера, фильтрующее устройство и устройство для вывода полученных материалов (Реактор периодического действия фирмы «Diener electronic GmbH+Co KG». Публикация Plasmatechnik, 2007. http://www.plasma.de: E-Mail an: info@plasma.de. Прототип). Установка содержит также внутрикамерный контейнер квадратного сечения для нанодисперсных материалов, устройство соосного вращения контейнера с металлическим держателем, два наружных по отношению к камере электрода подвода высокочастотной энергии к реакционной камере-реактору. Ввод плазмообразующего газа и модификаторов производится в реакционную камеру через отверстия, расположенные на торце камеры вблизи дверцы.

Недостатки известной конструкции заключаются в следующем.

1. Электрический разряд, образующийся в реакционной камере-реакторе не проникает внутрь контейнера с модифицирующим материалом, т.к. происходит экранирование электрического высокочастотного разряда держателем контейнера и стенками контейнера.

2. Модифицирующий агент, плазмообразующий газ, непосредственно не циркулирует внутри контейнера и при расходовании модификатора внутри контейнера его концентрация уменьшается.

3. Перемешивание порошкообразного нанодисперсного материала осуществляется не интенсивно в связи с залипанием его на внутренних стенках контейнера.

4. Волновое нагрузочное сопротивление генератора не согласовано с волновым сопротивлением реактора, что не позволяет реализовывать полностью выдаваемую генератором мощность в разряде.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является - повышение эффективности модификации в плазме электрического разряда.

Технический результат достигается использованием предлагаемой установки, принципиальная схема которой представлена на чертеже: фиг.1 - установка для модификации нанодисперсных материалов в плазме ВЧ разряда; фиг.2 - то же, вид сверху.

Установка для модификации нанодисперсных материалов в плазме ВЧ разряда, в которой технологически связаны между собой высокочастотный генератор 1, вентиль-натекатель плазмообразующего газа и модификаторов 2, трубка-ось для ввода модификаторов 3, которая служит электродом, реакционная камера 4, которая содержит внутрикамерный контейнер 5 квадратного сечения для нанодисперсных материалов, устройство 6 соосного вращения контейнера, фильтрующий элемент 7, устройство ввода модификаторов через крышку реакционной камеры с магистралью модификаторов и электрод подвода высокочастотной энергии 8, наружный трубчатый электрод камеры 9, держатель вращения контейнера 10, вакуумный насос 11.

Предлагаемая полезная модель отличается от прототипа тем, что электроды подвода высокочастотной энергии в камеру реактора расположены аксиально и имеют волновое сопротивление равное сопротивлению выхода генератора (обычно 50 Ом), причем наружный электрод 9 расположен снаружи реакционной камеры 4, вплотную прилегает к ней, а внутренний осевой электрод 3 является одновременно магистралью подачи плазмообразующего газа и модификатора и расположен на оси внутри контейнера 5. При этом, внутрикамерный съемный контейнер 5 для наноматериалов, в объеме которого происходит плазмохимическая модификация, выполнен из диэлектрика в виде четырехгранного сосуда с горловиной, в которой расположен фильтрующий элемент 7, пропускающий газ и не пропускающий нанодисперсный материал. Вращение внутреннего контейнера в камере осуществляется устройством соосного вращения 6 одновременно со встряхиванием. Держатель вращения контейнера 10 выполнен из диэлектрического материала

Внутренний осевой электрод 3 - газовая магистраль и наружный электрод 9 образуют нагрузочную линию коаксиальной конструкции. Оптимальная нагрузка линии достигается при сочетании волнового сопротивления питающего генератора, фидера (передающей линии) и нагрузки (нагрузочной линии). У генератора и фидера она обычно 50 Ом. Расчет конструкции по волновому сопротивлению определяет наружный диаметр камеры. Соотношение наружного диаметра к диаметру электрода - газовой магистрали должно составлять 2,7, т.е. при наружном диаметре камеры 300 мм диаметр центрального электрода будет 111 мм.

Работа установки при модификации НДП в плазме ВЧ разряда включает установочные операции и обработку. Установочная операция включает засыпку НДП в контейнер 5 через горловину, установку фильтра 7, размещение контейнера в камере 4 в держателе вращателя 10, установку магистрали газа - внутреннего электрода 3. После проведения установочных загрузочных операций проводят обработку НДП (модификацию) индивидуально или совместно с гранулами полимера, которые загружаются в контейнер 5 совместно с НДП. Обработка включает закрытие крышки (дверцы) 8, откачку вакуума насосом 11, включение вращателя-встряхивателя 6, генератора ВЧ 1, натекателя плазмообразующего газа-модификатора вентилем 2. В процессе обработки между электродами 9 и 3 в контейнере 5 с НДП возбуждается высокочастотный разряд в среде плазмообразующего газа-модификатора, который подается внутрь контейнера 5 и после обработки выходит через фильтр 7 в горловине контейнера в камеру.

Преимущества предлагаемой установки заключаются в следующем.

1. Электрический разряд, образующийся в реакционной камере-реакторе проникает внутрь контейнера с модифицирующим материалом, т.к. не происходит экранирования электрического высокочастотного разряда держателем контейнера и стенками контейнера.

2. Модифицирующий агент, плазмообразующий газ, непосредственно циркулирует внутри контейнера и при расходовании модификатора внутри контейнера его концентрация не уменьшается.

3. Перемешивание порошкообразного нанодисперсного материала осуществляется интенсивно в связи с залипанием его на внутренних стенках контейнера.

4. Волновое нагрузочное сопротивление генератора согласовано с волновым сопротивлением реактора, что позволяет реализовывать полностью выдаваемую генератором мощность в разряде.

Были проведены сравнительные испытания установок для модификации нанодисперсных порошков алмаза детонационного синтеза УДАГ в смеси аргона и пропана. Положительные результаты при модификации НДП алмаза детонационного синтеза на предлагаемой установке в сравнении с прототипом приведены в таблице. Из результатов, приведенных в таблице, видно, что НДП алмаза детонационного синтеза приобретает при модификации новые положительные свойства, что нельзя сказать после обработки на установке-прототипе. Размер частиц (кластеров) не увеличивается, а их поверхность приобретает гидрофильные свойства, что очень важно при осаждении НДП в гальванических осадках (покрытиях).

Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет повысить эффективность модификации нанодисперсного материала в плазме электрического разряда.

Таблица сравнительных испытаний установок для модификации нанодисперсных порошков алмаза детонационного синтеза УДАГ в смеси аргона и пропана
Название установки	Масса загрузки, кг	Параметры установки	Параметры техпроцесса	Параметры УДАГ
Емкость, дм3	ВЧ энергия	В камере	Время обработки, с	Размер кластеров, нм	Смачиваемость водой
Реактора	Контейнера	Частота	Мощность, Вт	Давление, Па	Тем-ра, С°
фирма Динер-электроник ФРГ (прототип) (обработка НДП)	0,1	5,0	1,0	13,56	300	13,0	40	3600	300-400	Нет смачиваемости
Предлагаемая установка по полезной модели (обработка НДП)	0,5	250,0	5,0	13.56	3000	6,0	60	600	100-200	Смачиваемость поверхности водой
Предлагаемая установка по полезной модели (обработка НДП+гранулы полипропилена ПП)	0,1+2,0	250,0	5,0	13,56	3000	6,0	57	600	УДАГ-200, гранулы ПП-2,0 мм	Смачива емость НДП и гранул ПП
Без обработки									200	Нет смачиваемости

Установка для модификации нанодисперсных материалов в плазме высокочастотного разряда, в которой технологически связанны между собой генератор ВЧ-энергии, вакуумный насос, устройство для ввода исходных реагентов, реакционная камера, содержащая внутрикамерный контейнер квадратного сечения для нанодисперсных материалов, устройство соосного вращения контейнера, фильтрующий элемент, электроды подвода высокочастотной энергии к реакционной камере, отличающаяся тем, что электроды подвода высокочастотной энергии в реакционную камеру расположены аксиально и имеют волновое сопротивление, равное сопротивлению выхода генератора (обычно 50 Ом), причем наружный электрод расположен снаружи камеры и вплотную прилегает к ней, а внутренний осевой электрод является одновременно магистралью подачи плазмообразующего газа и модификатора и расположен на оси внутри контейнера, при этом внутрикамерный контейнер для наноматериалов, в объеме которого происходит плазмохимическая модификация, выполнен из диэлектрика с горловиной, в которой расположены фильтрующий элемент, пропускающий газ и не пропускающий нанодисперсный материал, при этом вращение внутреннего контейнера в камере осуществляется одновременно со встряхиванием.