ПЛАЗМОХИМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СИНТЕЗА НАНОЧАСТИЦ

Предлагаемая полезная модель относится к установкам и способам получения нанодисперсных частиц материалов, пригодных для использования в различных областях промышленности и техники.
Известен плазмохимический реактор для получения нанодисперспых частиц, содержащий СВЧ плазмотрон, форсунки для диспергирования раствора, реакционную камеру и подсоединенный к ее нижнему торцу патрубок вывода пылепарогазовой смеси, при этом патрубок размещен под углом 130-140° к реакционнрй камере, а переход от реакционной камеры к патрубку вывода пылепарогазовой смеси выполнен в виде колена, после которого установлена емкость для сбора некондиционного порошка [1]. Плазмохимический реактор позволяет увеличить производительность процесса и снизить количество некондиционного порошка, однако в таком типе реактора происходит налипание целевого продукта на стенки реактора, что в значительной мере снижает его возможности, в частности, в таком реакторе невозможно получение сложных композиционных материалов.
Известна плазмохимическая установка, содержащая технологически связанные между собой микроволновой генератор, СВЧ плазмотрон, формирователь газового потока, разрядную камеру, поглотитель микроволнового излучения, реакционную камеру, устройство для ввода в реакционную камеру исходных реагентов в порошкообразном состоянии, теплообменник, фильтр-сборник целевого продукта в виде нанодисперсных частиц [2]. Использование данной установки получения нанодисперсных частиц в плазме СВЧ разряда включает введение исходных реагентов в поток плазмообразующего газа со среднемассовой температурой плазменного потока 500-1100°С, плазмохимический синтез в реакционной камере, охлаждение целевого продукта и его выделение из реакционной зоны через фильтр-сборник, при этом по крайней мере один реагент используют в порошкообразном состоянии или в виде химического пара.
К недостаткам установки относятся низкая температура плазменного потока (500-1100°С), что ограничивает производительность установки (расход сырья составляет 0,5-1 г/мин), и круг используемых исходных реагентов, возможность ввода исходных реагентов в реакционную камеру только в парообразном или порошкообразном состоянии, отсутствие механизма герметизации фильтра для улавливания порошка, что приводит к окислению целевых продуктов, активных по отношению к кислороду и влаге, отсутствие приспособлений для очистки стенок аппаратуры во время процесса, что через небольшой промежуток времени может привести к электрическому пробою на стенку разрядной камеры и выходу из строя плазмотрона и генератора микроволнового излучения.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой модели является установка получения нанодисперсных частиц в плазме СВЧ разряда [3], принятая за прототип. Установка для получения нанодисперсных частиц в плазме СВЧ разряда включает технологически связанные между собой микроволновой генератор, СВЧ плазмотрон, формирователь газового потока, разрядную камеру, поглотитель микроволнового излучения, реакционную камеру, теплообменник, фильтр-сборник целевого продукта - порошка, дополнительно устройство для ввода в реакционную камеру исходных реагентов в жидкокапельном состоянии, содержащее связанные между собой дозатор, поршень с электрическим приводом, испарительную камеру с термостатируемым корпусом для регулирования температуры внутри камеры, которая соединена с узлом ввода реагентов в парообразном состоянии и с узлом ввода реагентов в жидкокапельном состоянии, через указанные узлы ввода, выполненные с 6-12 отверстиями и открывающимися в объем реакционной камеры под углом 45-60° к оси камеры. Установка обеспечивает высокий выход нанопорошков заданных размеров при повышенном ресурсе непрерывной работы.
К недостатку прототипа относится сложность конструкции, и, следовательно, стоимость плазмохимической установки.
Техническим результатом заявленной полезной модели является то, что предлагаемая модель установки позволяет получить высокодисперсные порошковые материалы при более простом конструкционном оформлении и высокой производительности установки. Технический результат достигается за счет того, что плазмохимическая установка дополнительно содержит закалочную камеру, а разрядная камера совмещена с реакционной.
Преимуществом заявленной полезной модели является более простая в аппаратурном оформлении плазмохимическая установка для синтеза нанодисперсных частиц материалов.
На фигуре 1 представлена схема конструкции заявляемой плазмохимической установки.
Принцип действия плазмохимической установки основан на инициировании плазмы с помощью СВЧ-излучения в газовой смеси, содержащей токопроводящие прекурсоры. Прекурсорами могут быть порошки металлов (для получения наночастиц оксидов и нитридов металлов), смесь порошков металлов и графита (для получения наночастиц карбидов металов), смесь порошков оксида кремния и графита (для получения наночастиц карбида кремния).
СВЧ-излучение магнетрона 1 волноводом 2 направляется в реактор 4, выполняющий одновременно роль разрядной камеры, перегородка из радиопрозрачного материала 3 (например, керамическая) служит для защиты магнетрона от попадания частиц прекурсора. В потоке газа 7, создаваемом компрессором 6, порошок прекурсора из бункера 5 подается в плазмохимический реактор 4, в котором происходит образование плазмоида за счет наличия в потоке электропроводящих частиц. В качестве газа может применяться кислород, азот или инертный газ (например, гелий, аргон).
СВЧ излучение подбирается таким образом, что плазма генерируется только в случае, если в воздухе находятся электропроводные частицы, которые являются прекурсорами товарных наночастиц. Температура плазмы достигает 10000 К. Реакционный поток поступает в закалочную камеру 10, где происходит его разбавление большим потоком воздуха, нагнетаемым компресором 11, закалка предотвращает излишнюю агломерацию частиц, а также охлаждает конструкцию реактора, кроме того, турбулентный режим потока исключает осаждение наночастиц на стенках камеры. Затем поток поступает в фильтр-сборник целевого продукта 9 (ультрациклон), где происходит разделение отработанного газа 12 и товарного продукта 8, который, в зависимости от комбинации прекурсоров (порошков и газов), представляет собой наноразмерные оксиды, нитриды, карбиды металлов или карбид кремния.
Ниже приведены схемы химических реакций, протекающих в реакторе, в зависимости от выбранных прекурсоров:
2
n
m
nМе+m/2O→МеО
2
n
m
nМе+m/2N→MeN
n
m
nМе+mС→МеС
2
SiO+2C→2SiC
На предприятии была изготовлена заявляемая плазмохимическая установка, и синтезированы вышеперечисленные наночастицы. Данные, полученные с помощью электронной микроскопии, показали наличие частиц размером от 5 до 40 нм в зависимости от газодинамического режима эксплуатации установки.
Полученные результаты подтверждают эффективность найденного технического решения.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки на изобретение.
1. патент RU 2138929 С1 от 24.06.1997, МПК Н05Н 1/24, Н05В 7/16, опубл. 27.09.1999
2. патент US 6409851 В1 от 5.05.1999, МПК С23С 16/511, С23С 16/513, опубл. 25.06.2002
3. патент RU 2252817 С1 от 23.12.2003, МПК B01J 19/08, B01J 19/12, Н05В 6/80, Н05Н 1/24, B22F 9/14, опубл. 27.05.2005 (Прототип)