Установка для диспергирования углеродных нанотрубок на основе электрогидравлического эффекта

Полезная модель относится к области устройств вспомогательного учебного оборудования, а именно к учебной установке для получения устойчивой дисперсии углеродных нанотрубок и может быть использована для создания дисперсий углеродных нанотрубок и других твердых веществ, устойчивых к термическому воздействию, в воде, измельчения твердых материалов в жидкой среде, создания эмульсий.
Задачей полезной модели является создание установки для диспергирования углеродных нанотрубок на основе электрогидравлического эффекта, обеспечивающего получение технического результата, состоящего в получении устойчивой дисперсии углеродных нанотрубок.
Задача получения устойчивой дисперсии углеродных нанотрубок в жидкой среде является весьма актуальной. Это связано, в том числе, с использованием нанотрубок в составах полимерных материалов, где необходимо получение структуры, близкой к гомогенной. Также получение устойчивой дисперсии необходимо для получения оптических покрытий, оптических фильтров и анализаторов на основе углеродных нанотрубок.
Трудность в создании дисперсных сред с нанотрубками связана с высокой взаимосвязью отдельных углеродных трудок. Это приводит к образованию жгутов и клубков, препятствующих использованию преимуществ углеродных нанотрубок.
1
1
Известен гомогенизатор погружной с моторредуктором ( http://www.agro-mash.ru/gomogenizator-pogruzhnoi.html), основным рабочим элементом которого является погружной шнек с лопатками смесителя. Достоинствами данного устройства является высокая производительность, возможность работы в емкостях любого объема. Недостатками устройства является невозможность его применения для решения указанной задачи - создания дисперсии углеродных нанотрубок.
2
2
Прототипом предлагаемого устройства является гомогенизатор погружной ультразвуковой ( http://www.tehno.com/product.phtml?uid=B00120044790CB), предназначенный для гомогенизации и диспергирования небольшого количества веществ с использованием плотности ультразвука высокой мощности на поверхности погружаемых зондов, и состоящий из следующих основных частей
a. ВЧ-генератор, необходимый для создания высокочастотного напряжения (порядка 20 кГц).
b. Магнитострикционный или пьезокерамический ультразвуковой преобразователь, предназначенный для трансформации электрической энергии в механические колебания.
c. Рога ультразвукового гомогенизатора предназначены для увеличения амплитуды колебаний.
d. Зонды предназначены для передачи колебаний непосредственно в образец.
В основе создания дисперсии лежит образование областей кавитации и распространению ударных волн. Это достигается за счет ультразвуковых колебаний среды, передаваемых через зонд от электромеханического преобразователя.
Достоинствами этого устройства является высокая частота работы и высокая мощность излучения, простота конструкции исполнительного устройства - преобразователя, универсальность применения.
Недостатками устройства являются невысокая надежность и высокая стоимость применяемых магнитострикционных и пьезокерамических преобразователей.
Предлагаемое устройство обладает всеми основными перечисленными достоинствами аналога и лишено указанных недостатков вследствие применения принципиально иного подхода к электромеханическому преобразователю.
Предлагаемая схема устройства содержит высоковольтный преобразователь и накопитель электрической энергии (батарея конденсаторов). Она не содержит ультразвукового преобразователя, а также зонда и рогов, что значительно упрощает и удешевляет устройство гомогенизатора. Основным рабочим элементом является коаксиальная схема расположения электродов.
Как и в случае указанного прототипа в основе работы данного устройства лежит эффект кавитации. Однако, в отличие от прототипа, эффект достигается не посредством ультразвуковых колебаний зонда, а в результате электрогидравлического эффекта, возникающего при прохождении электрического разряда через жидкость.
3
3
Технический результат - обеспечение возможности получения устойчивой дисперсии углеродных нанотрубок - достигается за счет значительного перепада давления ( Л.А. Юткин. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. - 253 с., ил.), недостижимого для гармонических колебаний пьезокерамических или магнитострикционных преобразователей, и возникающего при протекании разряда. Это обеспечивает необходимое усилие для разрыва связей между отдельными углеродными нанотрубками в жгутах и между жгутами в клубках.
Разряд происходит в самой среде, что обеспечивает образование областей кавитации и волн сверхвысоких давлений без использования промежуточных зондов. Это обеспечивает безинерционность.
Первоначальное ускорение воды от расширяющегося канала разряда приводит к образованию полости, называемой кавитационной, и вызывает первый гидравлический удар.
Схлопывание области приводит к возникновению второго гидроудара и появлению кавитационного кольца, состоящего из множества маленьких пузырьков.
Образование областей разрежения и сжатия оказывают разрушающее воздействие на агломерации углеродных нанотрубок, а также хрупкие материалы. Это определяет область возможных применений способа диспергирования.
Для повышения эффективности работы необходимо увеличивать мощность источника с целью уменьшения времени заряда батареи конденсаторов и повышения эффективности методики.
Частота разрядов обеспечивается параметрами электрического колебательного контура схемы и может достигать значений свыше 10-15 кГц.
Полезная модель поясняется примерами ее выполнения.
Предлагаемая установка содержит источник постоянного выпрямленного напряжения ВС-24, высоковольтный преобразователь «Разряд-1», блок высоковольтных конденсаторов общей емкостью 45,5 пФ, рассчитанный на напряжение 28 кВ, разрядник с регулируемым воздушным зазором между электродами. В качестве электродов в жидкости использована коаксиальная схема расположения с внешней медной трубкой и внутренним медным стержневым электродом. Между электродами проложен изолирующий диэлектрический материал - каучук.
На вход преобразователя подается выпрямленное напряжение 12 В, на выходе преобразователя (на батарею конденсаторов) - 25 кВ. Инициирующим элементом является воздушный разрядник с регулируемым зазором. При воздушном разряде в жидкости также происходит разряд, обеспечивающий гидроудар и кавитацию.
Установка работает в импульсном режиме 5-10 ударов/мин.
Так в случае исходных параметров емкости и напряжения энергия, накапливаемая в батарее конденсаторов составляет 14,2 мДж. При обеспечении данной мощности и частоты срабатывания 20 кГц потребляемая мощность должна составлять около 285 Вт.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены:
фиг. 1 - схема расположения элементов установки.
На вход преобразователя 1 подается выпрямленное однофазное напряжение 200 В промышленной частоты 50 Гц, на выходе - напряжение 12 В, которое подается на вход преобразователя 2. На выходе напряжение составляет 25 кВ и подается на батарею конденсаторов 3. При подаче напряжения на батарею конденсаторов происходит накопления заряда до разряда. Инициирующим элементом является воздушный разрядник 4 с регулируемым зазором. При воздушном разряде в полипропиленовой емкости 5 с жидкостью также происходит разряд между электродами, обеспечивающий гидроудар и образование области кавитации. Схема расположения электродов - коаксиальная с изолирующей прокладкой. Это позволяет формировать ударную волну почти сферической формы. Форма волны с учетом небольших объемов обрабатываемых сред обеспечивает диспергирование материала по всему объему.
Установка работает в импульсном режиме 5-10 ударов/мин.
Для повышения эффективности работы необходимо увеличивать мощность источника с целью уменьшения времени заряда батареи конденсаторов и повышения эффективности методики.
Так в случае исходных параметров емкости и напряжения энергия, накапливаемая в батарее конденсаторов 3 составляет 14,2 мДж. При обеспечении данной мощности и частоты срабатывания 20 кГц потребляемая мощность должна составлять около 285 Вт.
Предлагаемая установка для диспергирования углеродных нанотрубок на основе электрогидравлического эффекта позволяет изучить:
1. Воздействие электрогидравлического удара на эмульсии, суспензии, растворы и смеси, в том числе углеродные нанотрубки, помещенные в жидкость.
2. Силы поверхностного взаимодействия между частицами и волокнами в агломерациях (вкупе с микроскопическими исследованиями размеров агломераций).
3. Способность веществ образовывать эмульсии, суспензии и смеси при электрогидравлическом воздействии.
Установка проста в изготовлении, надежна в работе, не требует больших затрат при изготовлении ее в производстве.