СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩЕЙ САЖИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЭТОГО СПОСОБА
METHOD OF PRODUCING FULLERENE-CONTAINING BLACK AND DEVICE TO THIS END

Предлагаемые изобретения относятся к области технологических процессов и устройств для получения фуллеренсодержащей сажи путем испарения графита в электрической дуге.
Впервые синтез фуллеренов из фуллеренсодержащей сажи, основанный на электродуговом испарении графита в среде гелия, описан в Kraetsmer, et.al. "Solid C60: A new form of carbon", Nature, Vol.247, p.354-357, Sep.27, 1990.
Способ получения фуллеренсодержащей сажи включает создание зоны генерации паров углерода в атмосфере инертного газа, в которой находятся первый и второй углеродные электроды, подачу на электроды электрического напряжения, достаточного для поддержания электрической дуги между электродами, перемещение одного из электродов в направлении другого для компенсации укорочения испаряющегося в дуге электрода, перемещение образовавшихся в электрической дуге паров в зону конденсации потоком инертного газа, направленным поперек электрической дуги, и последующее осаждение паров в виде образовавшейся фуллеренсодержащей сажи (патент US №5227038, МПК: C01B 31/00, опубл. 13.07.93). Недостатками известного способа получения фуллеренсодержащей сажи является его небольшая производительность, обусловленная необходимостью периодически прерывать процесс для замены графитовых стержней и их обезгаживания в самой реакционной зоне, а также нарушением теплового режима электрической дуги при продувке через нее инертного газа, приводящее к снижению содержания фуллеренов в саже.
Известны установки, реализующие этот способ. Примерами таких установок являются установки, описанные, например, в патенте US №5227038, МПК: C01B 31/00, 1993 г.; заявке JP №05-009013, МПК: C01B 31/02, 1993 г.; патенте RU №2259942, МПК: C01B 31/02, 2005 г. Известные установки включают охлаждаемую герметичную камеру, заполненную инертным газом, содержащую корпус, верхний и нижний фланцы, диаметрально установленные на корпусе камеры, в которой размещены два графитовых стержневых электрода, установленных в анодном и катодном токовводах на противоположных сторонах корпуса камеры соосно друг другу. Анодный и катодный токовводы подключены к электрическому блоку питания. Известные установки являются малопроизводительными вследствие того, что в камере происходит горение одного стержня с перерывами во времени для подачи каждого следующего. Кроме того, режим горения дуги меняется во времени из-за образования катодного нароста, что меняет условия синтеза, не позволяя, тем самым, поддерживать оптимальные параметры процесса во времени.
Известен выбранный в качестве прототипа способ получения фуллеренсодержащей сажи по патенту РФ №2086503 «Способ промышленного производства фуллеренов», МПК: C01B 31/00, опубл. 10.08.1997 г., заключающийся в следующем. Из графитового порошка, сажи и остатков предыдущей заготовки (анода) прессуют новую твердую углеродсодержащую заготовку (анод) и затем ее просушивают нагревом во входящей в состав устройства (реактора) вакуумной камере синтеза фуллеренов. Просушенную заготовку нагревают в среде аргона или в вакууме. Одновременно с нагреванием заготовки производят локальный нагрев ее поверхности дуговым электрическим разрядом, образованным при помощи катода. Пятно локального нагрева и скорость перемещения этого пятна по аноду выбирают из условия разрушения слоя изотермического графита, получая при этом фуллеренсодержащую сажу. Полученная сажа собирается в предназначенных для нее сборниках, входящих в состав реактора.
Способ-прототип имеет следующие недостатки. Необходимость периодического прессования и размещения новой заготовки (анода) в рабочей зоне взамен израсходованной предыдущей заготовки требует периодического перерыва в работе. Это снижает производительность способа, так как для выполнения указанных выше операций необходимо разгерметизировать и открыть камеру реактора, а после выполнения этих операций вновь выполнить герметизацию реактора, обеспечить удаление воздуха из его внутренней полости и заполнение ее аргоном (если в последнем есть необходимость). Это увеличивает трудозатраты и энергозатраты способа-прототипа, а также увеличивает расход аргона (если в последнем есть необходимость).
Операции прессования (формирования) и размещения новых заготовок в реакторе взамен израсходованных старых заготовок выполняются обслуживающим реактор персоналом на соответствующем оборудовании, что увеличивает трудозатраты способа-прототипа и количество используемого в нем оборудования.
Операции прессования (формирования) заготовки (электрода), ее размещения в рабочей зоне и сжигания (испарения) выполняются поочередно через промежутки времени, что удлиняет рабочий цикл способа-прототипа и снижает его производительность.
Известно устройство-аналог для получения фуллеренсодержащей сажи, описанное в статье «Исследование продуктов электродугового испарения металл-графитовых электродов», авторы Тарасов Б.П. и др., Институт проблем химической физики РАН (см. http://isjaee.hvdrogen.ru/pdf/6_2002tarasov.pdf, фиг.1). Устройство-аналог состоит из реактора, источника постоянного тока, системы вакуумирования и напуска очищенного газа, блока регулируемой подачи катода и пр. Реактор содержит герметичную камеру с системой циркуляции в ней инертного газа (преимущественно гелия). Камера снабжена также системой водяного охлаждения. Во внутреннюю полость камеры по ее оси через внутренние полости известных уплотнений Вильсона введены снаружи два противолежащих графитовых стержневых электрода, один из которых установлен неподвижно, а второй - с возможностью поступательного перемещения в направлении первого электрода. Оба стержневых электрода электрически соединены с соответствующими токовводами, подключенными к источнику постоянного тока питания электрической дуги, причем каждый из токовводов соединен с одним из разнополярных выводов источника. Поступательное перемещение соответствующего электрода осуществляется при помощи шагового электродвигателя.
Устройство-аналог работает следующим образом.
В камере реактора устанавливают графитовые электроды, выполненные в виде цилиндрических графитовых стержней, и включают систему ее охлаждения. Токовводы, с которыми электрически соединены катодный и анодный электроды, подключают к выходу источника питания электрической дуги. Выполняют откачку воздуха из камеры, после чего полость камеры заполняют гелием при давлении от 400 до 800 торр. Зажигают дуговой электрический разряд между стержневыми электродами и устанавливают рабочий режим горения электрической дуги. Включают систему перемещения подвижного стержневого электрода и устанавливают требуемую скорость его осевого перемещения навстречу неподвижному второму стержневому электроду. Указанная скорость должна компенсировать испарение (и, как следствие, уменьшение длины) подвижного электрода в электрической дуге. При этом промежуток между электродами (анодом и катодом) не меняется. Углерод, испарившийся с анодного электрода в виде фуллеренсодержащей сажи, покидает зону дуги и оседает внутри камеры на ее стенках и на катодном электроде.
После испарения анодного электрода прекращают работу устройства, отключают источник питания, открывают камеру, предварительно впустив в нее атмосферный воздух для выравнивания давления внутри и снаружи камеры, и устанавливают новый анодный электрод взамен испарившегося. После этих операций начинают работу устройства так, как описано выше.
К недостаткам устройства-аналога относятся следующие.
После испарения анодного электрода в электрической дуге необходимо размещение в устройстве-прототипе нового электрода. Эта операция выполняется вручную, необходимо прекращать работу устройства, чтобы открыть камеру для установки в ней нового электрода, что усложняет эксплуатацию устройства-прототипа и увеличивает трудозатраты при его обслуживании и снижает КПД работы устройства.
Применение в качестве испаряемого электрода цилиндрических графитовых стержней, изготовленных из смеси графитового порошка и связующего, снижает качество получаемой фуллеренсодержащей сажи из-за присутствия связующего.
Кроме этого, стоимость вышеуказанных графитовых стержней достаточно высока по следующим причинам:
- стержни изготавливаются на специализированном предприятии, что подразумевает соответствующие накладные затраты,
- для изготовления стержней требуется соответствующее оборудование и оснастка для их прессования и спекания из графитового порошка, что подразумевает производственные затраты.
Известно устройство-прототип, описанное в статье «Лабораторное производство фуллеренов», авторы Попеко Л.А. и др. (см. http://www.pnpi.spb.ru/nrd/nr2/sitefuller.html, фиг.1). Устройство-прототип содержит реактор, охлаждаемая камера которого сообщена со сборником сажи. Конструктивная схема реактора решена аналогично реактору в устройстве-аналоге, описанном в статье «Исследование продуктов электродугового испарения…», авторы Тарасов Б.П. и др. Отличительными особенностями устройства-прототипа являются следующие.
В отверстии в стенке камеры герметично установлен толкатель, имеющий возможность продольного возвратно-поступательного перемещения для осевой подачи испаряющегося электрода в направлении второго электрода. Это сохраняет постоянный промежуток между электродами, необходимый для нормального горения электрической дуги. Внутри камеры смонтирован бункер (магазин), рассчитанный на 6000 графитовых стержней. Бункер предназначен для автоматической поочередной подачи нового стержня на место испарившегося стержня.
Устройство-прототип работает аналогично вышеописанному устройству-аналогу, за исключением следующего.
Испаряющийся электрод принудительно при помощи толкателя перемещается в направлении второго электрода для сохранения постоянного зазора (промежутка) между этими двумя электродами, что необходимо для нормального горения электрической дуги. Толкатель выполнен в виде штока, герметично расположенного в сквозном отверстии в стенке камеры с возможностью возвратно-поступательного движения от внешнего привода. При этом отверстие толкателя выполнено соосно перемещаемому толкателем электроду. По мере испарения вышеназванного электрода на его место каждый раз устанавливается новый электрод из бункера, находящегося внутри камеры. Получаемая в процессе испарения соответствующих электродов сажа поступает из камеры в сборник сажи.
В устройстве-прототипе исключена значительная часть недостатков, отмеченных выше при описании устройства-аналога:
- на смену каждому испарившемуся электроду поступает из бункера новый электрод, что исключает остановку работы устройства,
- устройство может работать непрерывно до тех пор, пока в бункере не израсходуется весь запас графитовых стержней.
Недостатком устройства-прототипа является необходимость использования в качестве испаряющегося электрода предварительно изготовленных графитовых стержней. Как отмечалось выше, стоимость готовых графитовых стержней складывается из стоимости графитового порошка, стоимости оборудования и оснастки для изготовления стержней и величины накладных расходов предприятия, где стержни изготавливаются.
Вышеперечисленные недостатки способа-прототипа исключаются за счет того, что в способе получения фуллеренсодержащей сажи, включающем сжатие содержащей графит сыпучей массы для формирования из нее первого электрода, перемещение его ко второму электроду и создание между ними электрической дуги, в которой при испарении первого электрода образуется фуллеренсодержащая сажа, выполнено следующее. Формирование и перемещение первого электрода выполняют при помощи шнекового пресса, на вход которого подают графит сыпучей массы, а на выходе получают, по меньшей мере, один сформированный из нее первый электрод, причем скорость перемещения сформированного первого электрода устанавливают равной скорости его испарения.
На выходе шнекового пресса можно сформировать несколько первых электродов, перемещаемых ко второму электроду.
На выходе шнекового пресса можно сформировать несколько первых электродов, каждый из которых перемещают к соответствующему второму электроду.
Возможно, что перед формированием первого электрода графит сыпучей массы смешивают со связующим, например с каменноугольной смолой.
Устройство для реализации способа содержит охлаждаемую камеру с системой циркуляции инертного газа и, по меньшей мере, с одним средством улавливания фуллеренсодержащей сажи. Внутри камеры расположены два электрода, первый из которых, содержащий графит и расположенный вдоль оси отверстия в стенке охлаждаемой камеры, имеет возможность перемещения в направлении второго электрода и имеет возможность восстанавливать свою первоначальную длину. Каждый электрод электрически соединен с соответствующим токовводом, подключенным снаружи камеры к одному из выходов источника питания электрической дуги. Снаружи охлаждаемой камеры устройство содержит шнековый пресс с приемным бункером для содержащей графит массы и с герметично расположенной в отверстии в стенке охлаждаемой камеры прессующей камерой, чье выходное отверстие обращено внутрь охлаждаемой камеры в сторону второго электрода, причем прессующая камера выполнена из диэлектрического материала, отверстие в ней имеет поперечное сечение, равное поперечному сечению первого электрода, и изолировано от атмосферного воздуха, как и внутренние полости пресса и бункера.
Токоввод, электрически соединенный с первым электродом, может быть расположен или в отверстии прессующей камеры, или в бункере, или на неподвижной поверхности пресса, контактирующей с содержащей графит массой.
Бункер и пресс могут быть выполнены из диэлектрического материала, по меньшей мере, со стороны своих поверхностей, контактирующих с содержащей графит массой.
В случае формирования на выходе шнекового пресса нескольких первых электродов, перемещаемых к одному второму электроду, выходное отверстие прессующей камеры разветвлено в последней на несколько отверстий, направленных в сторону второго электрода и имеющих поперечное сечение как у первого электрода.
В случае формирования на выходе шнекового пресса нескольких первых электродов, каждый из которых перемещают к соответствующему второму электроду, выходное отверстие прессующей камеры разветвлено в последней на несколько отверстий, каждое из которых направлено в сторону соответствующего второго электрода и имеет поперечное сечение как у первого электрода.
В существующих информационных источниках не было обнаружено сведений, содержащих предлагаемые способ и устройство. Это позволяет считать указанные технические решения соответствующими критерию новизны.
Существенность отличительных признаков предлагаемого способа подтверждается следующим.
Условие формирования и перемещения, по меньшей мере, одного первого содержащего графит электрода из массы реализуется при помощи шнекового пресса, который забирает массу из бункера и принудительно пропускает ее сквозь одно или несколько отверстий в прессующей камере. При прохождении через пресс и камеру графитовая масса подвергается сжатию и уплотняется. В результате из одного или нескольких отверстий прессующей камеры сжатая там масса выходит в виде одного или нескольких монолитных цельных изделий - одного электрода или нескольких электродов. А так как вышеописанные операции шнековый пресс осуществляет непрерывно, то и сформированный из массы электрод или сформированные электроды будут непрерывно выходить из отверстия или отверстий прессующей камеры и сгорать (испаряться) в электрической дуге. Условие, в соответствии с которым скорость перемещения постоянно и непрерывно формируемого первого электрода ко второму электроду устанавливают равной скорости испарения первого электрода в электрической дуге, необходимо для сохранения между этими первым и вторым электродами постоянного расстояния во время реализации способа. Это гарантирует постоянное горение электрической дуги в одном и том же оптимальном режиме, что обеспечивает получение фуллеренсодержащей сажи высокого качества. Действительно, прирост длины первого электрода, непрерывно и постоянно происходящий при его формировании, будет непрерывно и постоянно ликвидироваться за счет сжигания (испарения) этого электрода в дуге. Следовательно, выступающая из отверстия (отверстий) прессующей камеры длина формируемого первого электрода будет во время реализации способа неизменна, если скорость прироста длины указанного формируемого первого электрода или, что то же самое, скорость его перемещения ко второму электроду будет равна скорости сгорания (испарения) формируемого электрода.
Условие смешивания графитовой массы со связующим перед формированием из нее первого электрода, например, с каменноугольной смолой, направлено на гарантированное сохранение целостности и повышение механической прочности этого электрода. В то же время высокая температура в электрической дуге, организованной между первым и вторым электродами, обеспечит спекание смеси из графитовой массы и связующего, так как последнее применяется в качестве связующего для изготовления графитовых и графитированных электродов (см. http://www.pronap.ru/netcat/require/artiklisi/promishlen/5.html «ГЛС, ГОСТ графит ГЛ, электроды графитовые, графитированные», http://www.hw-nsk.ru/load/30-1-0-78 «Производство электродной продукции для алюминиевой промышленности»). Кроме указанной смолы в качестве связующего могут быть использованы и другие вещества, например получаемый из этой смолы пек.
Реальность осуществления при помощи шнекового пресса одновременного и непрерывного выполнения операций забора графитовой массы из бункера, ее перемещения к прессующей камере, принудительного продавливания массы сквозь отверстие (отверстия) в камере для формирования из сжатой в камере массы электрода подтверждается информацией о шнековых прессах, предназначенных для непрерывного получения твердых изделий из сыпучих материалов (см. описание патента РФ №2191799 «Способ брикетирования лигносодержащих материалов и комплекс средств для его осуществления» МПК: C01F 7/06, опубл. 27.10.2002, http://eco.by/technology.html «Технология производства топливных брикетов из древесных отходов», http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/5225.html «Технология непрерывного формирования строительных архитектурно-отделочных материалов и топливных брикетов различного назначения на шнековом прессе», http://www.pkti.if.ua/press.htlm «Пресс для брикетирования шнековый УБТ-300»).
Существенность признаков предлагаемого устройства подтверждается следующим.
Условие включения в состав устройства-прототипа шнекового пресса с бункером для содержащей графитовый порошок массы и с прессующей камерой обеспечивает следующее:
- графитовая масса будет непрерывно подаваться из бункера в прессующую камеру,
- при продавливании массы сквозь отверстие (или отверстия) в камере масса будет спрессована до относительно плотного состояния и будет сохранять свою полученную на выходе из прессующей камеры форму по мере дальнейшего перемещения вследствие непрерывной работы шнекового пресса.
Условие расположения прессующей камеры в отверстии в стенке охлаждаемой камеры обеспечивает возможность перемещения спрессованной графитовой массы внутрь охлаждаемой камеры. Это необходимо для реализации горения электрической дуги.
Условие герметичного расположения прессующей камеры в отверстии в стенке охлаждаемой камеры исключает возможность проникновения внутрь охлаждаемой камеры охлаждающей ее воды, что направлено на повышение надежности устройства.
Условие, в соответствии с которым отверстие (или отверстия) в прессующей камере обращено внутри охлаждаемой камеры в сторону второго электрода, обеспечивает перемещение выходящего из камеры первого электрода (или выходящих из камеры электродов), спрессованных из графитовой массы, в сторону второго электрода (или вторых электродов). Это достаточно для реализации горения электрической дуги.
Условие выполнения отверстия (или отверстий) в прессующей камере с поперечным сечением как у первого электрода (или как у первых электродов) обеспечивает придание выходящей из прессующей камеры сжатой графитовой массы формы первого электрода (или электродов). В результате можно получать указанный электрод (электроды) с любой формой требуемого поперечного сечения за счет замены одной прессующей камеры на другую с отверстием (отверстиями) требуемого поперечного сечения. Следовательно, расширяются технологические возможности устройства.
Условие выполнения прессующей камеры из диэлектрического материала исключает электрический контакт между ней и стенкой отверстия в охлаждаемой камере, сквозь которую проходит прессующая камера. Это, в свою очередь, исключает короткое замыкание между находящимся под напряжением электродом (электродами), выходящим из прессующей камеры, и охлаждаемой камерой. Следовательно, повышается надежность устройства.
Условие изоляции от атмосферного воздуха как отверстия (отверстий) в прессующей камере, так и внутренних полостей пресса и бункера, исключает вероятность проникновения указанного воздуха в охлаждаемую камеру, с которой сообщается отверстие (или отверстия) в прессующей камере. Присутствие воздуха в охлаждаемой камере во время работы устройства снизило бы, если не исключило бы, получение качественной фуллеренсодержащей сажи.
Условие расположения токоввода, электрически соединенного с первым электродом или в отверстии прессующей камеры, или в бункере, или на неподвижной поверхности пресса, которая контактирует с графитовой массой как внизу бункера, так и со стороны шнека, необходимо для подачи электрического напряжения к первому электроду (или электродам), которые непрерывно формируются из графитовой массы и постоянно имеют с ней электрический контакт. При этом во всех этих вариантах размещения токоввода электрическое напряжение от него к электроду (электродам) подается через графитовую массу, которая вследствие присутствия в ней графитового порошка является электропроводником.
Когда упомянутый токоввод расположен в отверстии прессующей камеры, то электрическое напряжение от него будет подводиться к электроду (электродам) через малое количество массы, находящейся между токовводом и этим электродом. Естественно, что электрические потери подводимого к указанному электроду напряжения будут минимальны. Следует отметить, что плотность этого малого количества графитовой массы будет высокая, так как это количество массы уже подвергнуто сжатию в прессующей камере. А электропроводность графитового порошка, присутствующего в графитовой массе, тем выше, чем выше плотность этого порошка. Этот фактор также положительно влияет на уменьшение электрических потерь подводимого к электроду (электродам) напряжения.
Когда упомянутый токоввод расположен в бункере, то напряжение от него будет подводиться к электроду (электродам) через графитовую массу, которая находится в этом бункере, в прессе и в прессующей камере. Естественно, что количество графитовой массы между токовводом и электродом (электродами) будет больше, что приведет к увеличению потерь подводимого к указанному электроду (электродам) напряжения. Следует отметить и низкую плотность графитовой массы в бункере и на входе в шнековый пресс, что отрицательно скажется на электропроводности указанной массы со всеми вышеописанными отрицательными последствиями. Но в конструктивном исполнении это вариант расположения токоввода наиболее прост.
Возможен третий вариант, когда упомянутый токоввод может быть расположен на неподвижной части пресса, контактирующей с графитовой массой, а именно:
- снаружи корпуса пресса в самом его низу, где он соприкасается с находящейся в бункере графитовой массой,
- внутри корпуса пресса в любом месте, так как там графитовая масса присутствует везде.
Условие расположения токоввода на неподвижной части шнекового пресса упрощает создание электрической цепи между упомянутым токовводом и первым электродом (электродами). Если бы токоввод располагался на подвижной части шнекового пресса, то есть на шнеке, то упомянутая электроцепь нуждалась бы в коллекторе для организации электрического контакта между неподвижным и подвижным ее участками, что удорожало бы и усложняло устройство.
В любом из этих двух исполнений количество графитовой массы между токовводом и первым электродом будет меньше, чем в предыдущем варианте. Также будет меньше количество графитовой массы с низкой плотностью. Но в конструктивном исполнении этот вариант будет по сложности аналогичен первому варианту расположения токоввода в отверстии прессующей камеры.
Условие выполнения бункера и пресса из диэлектрического материала, по меньшей мере, со стороны своих поверхностей, контактирующих с содержащей графит массой, необходимо для соблюдения техники безопасности. Выполнение указанного условия обеспечит электрическую изоляцию всего устройства от напряжения, которое подводится к токовводу, находящемуся в электрическом контакте с графитовой массой через электрод (электроды) или непосредственно с ней.
Все вышеизложенные качества предлагаемого устройства сохранят свою силу и в том случае, когда в устройстве будет использоваться смесь графитовой массы со связующим.
Условие, в соответствии с которым выходное отверстие прессующей камеры разветвлено в последней на несколько отверстий, направленных в сторону второго электрода и имеющих поперечное сечение как у первого электрода, обеспечивает следующее качество. В таком исполнении устройства при его работе будут гореть две (или более) электрические дуги. Причем все эти дуги будут расположены параллельно друг другу. Вследствие термодинамических процессов, происходящих в этих дугах при их горении, будет иметь место взаимное силовое влияние этих дуг друг на друга. Это приведет к принудительному вытеснению («выдуванию») образующейся сажи из каждой дуги в направлении, противоположном соседней дуги. Следовательно, сокращается время нахождения сажи в зоне каждой дуги, что повышает процентное содержание в ней фуллеренов.
Условие, в соответствии с которым выходное отверстие прессующей камеры разветвлено в последней на несколько отверстий, каждое из которых направлено в сторону соответствующего второго электрода и имеет поперечное сечение как у первого электрода, обеспечивает следующее качество. В таком исполнении устройства при его работе будут гореть две (или более) электрические дуги. Причем все эти дуги будут разнесены друг от друга вокруг прессующей камеры. В результате прессующая камера будет загораживать одну дугу от другой, исключая тем самым световое ультрафиолетовое воздействие каждой дуги на другую. Следовательно, повысится содержание фуллеренов в саже, получаемой в каждой дуге, так как их процентное содержание в саже напрямую зависит от интенсивности и времени указанного воздействия на сажу.
Предлагаемые способ и устройство поясняются чертежами, где на фиг.1 показана в разрезе принципиальная схема устройства для получения фуллеренсодержащей сажи, а на фиг.2 и 3 представлены в разрезе фрагменты других вариантов исполнения устройства.
Устройство для реализации способа содержит следующие основные узлы и детали.
В верхней части корпуса 1 (фиг.1) находится охлаждаемая камера 2, изготовленная из нержавеющей стали. Пространство 3 между корпусом 1 и камерой 2 служит для циркуляции воды, предназначенной для охлаждения камеры 2 (система циркуляции воды на чертеже не показана).
Камера 2 подсоединена к системе, обеспечивающей циркуляцию внутри камеры инертного газа, например гелия (система на чертежах не показана), и имеет сообщение с одним или несколькими сборниками фуллеренсодержащей сажи (сборники на чертежах не показаны).
Внутри камеры 2 друг против друга находятся электроды 4 и 5. Электрод 4 расположен в изоляторе 6, исключающем электрический контакт электрода с камерой 2. Этот же электрод 4 снабжен токовводом 7, смонтированным на нем снаружи корпуса 1. Токоввод 7 электрически подключен к одному из выходов источника питания электрической дуги (источник, электрическая дуга и все электрические соединения на чертеже не показаны).
Электрод 5 находится в электрическом контакте с токовводом 8, который подключен к другому выходу источника питания и установлен в отверстии прессующей камеры 9 (в некоторых источниках информации называется «прессующая головка»). Последняя герметично расположена в стенке камеры 2 и отверстие в прессующей камере 9 обращено в камере 2 в сторону электрода 4. Это же отверстие в камере 9 имеет поперечное сечение как у электрода 5.
Прессующая камера 9 является частью шнекового пресса, размещенного снаружи охлаждаемой камеры 2. В корпусе 10 пресса расположен шнек 11, состоящий из цилиндрической и конической частей. При этом внутренняя поверхность корпуса 10 повторяет наружную конфигурацию шнека 11, обеспечивая при этом минимальный зазор между ними.
Возможны другие варианты конфигурации шнека 11, обеспечивающие работу пресса (на чертежах не показаны):
- шнек может иметь снаружи цилиндрическую форму витков, шаг между которыми уменьшается по мере приближения к прессующей камере 9,
- шнек может иметь снаружи цилиндрическую форму витков, а диаметр находящегося по оси шнека ротора увеличивается по мере приближения к прессующей камере 9.
Шнек 11 посредством своего хвостовика 12, проходящего сквозь отверстие в нижней части корпуса 1, кинематически связан с приводом вращения 13, расположенным снаружи этого корпуса. Узел 14 выполняет функцию опорного элемента хвостовика 12 шнека и функцию уплотнительного элемента, исключающего возможность проникновения атмосферного воздуха внутрь корпуса 1 через сопряжение «отверстие в корпусе 1 - элемент 14 - хвостовик 12».
В нижней части корпуса 1 имеется, по меньшей мере, один бункер 15, также входящий в состав шнекового пресса 10, 11. Бункер сообщается с нижней цилиндрической частью пресса и предназначен для загрузки в него сыпучей массы 16, содержащей графитовый порошок. Масса 16 предназначена для формирования из нее электрода 5.
Бункер 15 снабжен одной или несколькими крышками 17, которые в закрытом положении обеспечивают его герметизацию, и подсоединен к системам откачки воздуха и подачи инертного газа (системы на чертеже не показаны).
Для исключения электрического контакта с массой 16 бункер 15, корпус 10 и шнек 11 (или поверхности этих узлов, соприкасающиеся с массой 16) выполнены из диэлектрического материала.
Вышеописанное устройство может иметь другие конструктивные исполнения.
Токоввод 18 для электрода 5 может быть расположен в бункере 15 или на неподвижной части 10 пресса 10, 11, контактирующей с массой 16 (на чертежах не показано).
Прессующая камера 18, 21 (фиг.2, 3) может иметь на выходе два однонаправленных или разнонаправленных отверстия, напротив которых может быть расположен один 4 или два 24, 25 электрода в изоляторах 6, 26 с токовводами 7, 29.
Используемая для работы устройства графитовая масса 16 может быть смешана со связующим - каменноугольной смолой, пеком, который является остатком разгонки этой смолы или др. (на чертежах не показано). Смешивание массы 16 со связующим предпочтительно выполнять заранее, перед загрузкой этой смеси в бункер 15.
Реализация предлагаемого способа при помощи предлагаемого устройства выполняется следующим образом. Открывают крышки 17 (фиг.1) и в бункер 15 загружают сыпучую графитовую массу 16. Количество загружаемой массы 16 должно обеспечить непрерывную работу устройства в течение требуемого промежутка времени. Герметично закрывают крышки 17 и включают систему откачки воздуха из бункера 15, шнекового пресса 10, 11 и внутренней полости охлаждаемой камеры 2, которые в данный момент сообщаются друг с другом через шнековый пресс 10, 11 и отверстие в прессующей камере 9.
После откачки воздуха из бункера 15 и камеры 2 включают систему подачи инертного газа, например гелия, для заполнения всех внутренних полостей устройства, за исключением полости 3. Включают систему циркуляции воды в полости 3. Включают электрические соединения токовводов 7 и 8 с выходами источника питания электрической дуги. Включают привод 13 вращения шнека 11. Так как нижняя цилиндрическая часть шнека 11 находится в сыпучей массе 16, то указанная масса будет захватываться этой его частью и перемещаться вдоль шнека в его коническую часть внутри корпуса 10. При прохождении массы 16 сквозь коническую часть шнекового пресса 10, 11 масса начнет сжиматься вследствие уменьшения объема пространства, где она принудительно перемещается. Поэтому по мере приближения перемещаемой массы 16 к прессующей камере 9 плотность массы будет возрастать вследствие ее сжатия и уплотнения. В результате указанная масса 16, продавленная сквозь отверстие в прессующей камере 9, на выходе из этого отверстия примет вид плотного и цельного электрода 5, имеющего поперечное сечение такой же площади и формы, как площадь и форма поперечного сечения отверстия в прессующей камере 9. При этом электрод 5, плотно расположенный в отверстии камеры 9, исключит сообщение между камерой 2 и шнековым прессом 10, 11, который, в свою очередь, сообщается с бункером 15.
Перемещающийся в направлении неподвижного электрода 4 электрод 5 благодаря наличию в нем графитового порошка и контакту с токовводом 8 внутри отверстия в камере 9 будет электрически подключен через этот токоввод 8 к соответствующему выходу источника питания электрической дуги. При приближении конца электрода 5 к электроду 4 на расстояние, необходимое для горения электрической дуги, ее зажигают и включают систему циркуляции инертного газа в камере 2. Вследствие горения дуги конец электрода 5 будет испаряться, образуя фуллеренсодержащую сажу, которая частично будет оседать на внутренних поверхностях камеры, а частично будет выноситься из нее в сборники сажи циркулирующим в охлаждаемой камере 2 инертным газом.
Испарение электрода 5 будет сопровождаться уменьшением длины его части, выступающей из прессующей камеры 9 в камере 2. Но так как шнек 11 вращается, то графитовая масса 16 непрерывно поступает из бункера 15 вдоль шнека и вдоль корпуса 10, где он вращается, в отверстие в прессующей камере 9, уплотняясь по мере указанного продвижения. В результате выступающая из камеры 9 в камере 2 часть электрода 5 будет постоянно восстанавливать свою первоначальную рабочую длину, компенсируя тем самым ее укорочение по мере испарения этого электрода в электрической дуге. Для гарантированного достижения описанного результата необходимо, чтобы скорость испарения электрода 5 (то есть скорость уменьшения его длины) и скорость перемещения (выдвижения) этого электрода из отверстия в прессующей камере 9 были равны. Этого можно достичь путем регулирования частоты вращения привода 13, с которым кинематически связан шнек 11.
Если необходимо остановить работу устройства, то следует выключить привод 13 вращения шнека 11. Тогда электрод 5 прекратит свое движение в направлении к электроду 4, продолжая испаряться в электрической дуге. После уменьшения длины электрода 5 на величину, недостаточную для поддержания электрической дуги, она самопроизвольно гаснет. После этого выключают электрическое соединение электродов 4 и 5 с источником питания дуги, выключают систему циркуляции инертного газа в камере 2 и систему циркуляции воды в полости 3. При этом в отверстии прессующей камеры 9 может остаться часть электрода 5.
Извлечение полученной фуллеренсодержащей сажи из ее сборников и из камеры выполняют известными приемами.
Для последующего возобновления работы устройства и реализации способа необходимо выполнить следующие операции.
Открывают крышки 17 и загружают в бункер 15 графитовую массу 16 в требуемом количестве. Герметично закрывают крышки 17 и включают систему откачки воздуха из бункера 15 и из камеры 2, которые в данном случае изолированы друг от друга частью электрода 5, оставшейся в отверстии камеры 9 от предыдущего рабочего цикла. Включают систему подачи инертного газа в бункер 15 и в камеру 2. Включают систему подачи воды в охлаждающую камеру 3 и привод вращения 13 шнека 11. Масса 16 начнет перемещаться шнеком по полости 10 в направлении отверстия в элементе 9, где она состыкуется с находящимся в этом отверстии остатком старого электрода 5. Дальнейшие операции способа и действие устройства описаны выше.
Предлагаемый способ будет реализован и при помощи устройства с другими конструктивными особенностями. Токоввод 18, размещенный, например, в бункере 15 или на неподвижной части 10 пресса, контактирующей с графитовой массой 16 (на чертеже не показано), обеспечит электрическую связь сформированного из массы 16 электрода 5 с источником питания электрической дуги через электропроводящую массу 16, которая находится в одновременном контакте как с токовводом 18, расположенным как указано выше, так и с электродом 5. Следовательно, условие возникновения электрической дуги в этом исполнении устройства будет соблюдено, и реализация способа, как и функционирование устройства, будут осуществимы.
Все вышеизложенные операции предлагаемого способа и все указанные выше функции предлагаемого устройства сохранят свою неизменность и в том случае, когда вместо массы 16 будет применяться смесь этой массы со связующим (каменноугольная смола или др.). Следует отметить повышение надежности реализации способа благодаря повышению прочности формируемого электрода 5. Это объясняется воздействием на него высокой температуры электрической дуги, которая образована между этим электродом и электродом 4. Высокая температура обеспечит спекание спрессованной смеси массы 16 и связующего, из которой сформирован электрод 5. Следовательно, возрастет прочность этого электрода, о чем сказано выше.
В предлагаемом устройстве прессующая камера 18 (фиг.2) или 21 (фиг.3) может иметь два (или более) выходных отверстия, из которых будут принудительно выходить два (или более) электрода 19, 20 и 22, 23. Условие испарения в одной охлаждаемой камере 2, 28 не одного, а двух электродов обеспечит соответствующее увеличение получаемой фуллеренсодержащей сажи. При этом в варианте устройства по фиг.3 может быть один источник тока, у которого один выходной контакт подключен к токовводу 8, а второй подключен параллельно к токовводам 29. В этом же варианте могут быть использованы два источника тока, один источник подключен к токовводам 8 и 29 слева, а второй - к токовводам 8 и 29 справа. Естественно, что при подключении этих двух источников должна быть соблюдена полярность.
Помимо сказанного выше, работа вариантов устройства по фиг.2 и 3 будет характеризоваться следующими особенностями.
При работе устройства (фиг.2) на выходе из указанных отверстий камеры 18 будут принудительно перемещаться сформированные из графитовой массы 16 два параллельных электрода 19 и 20, которые образуют с электродом 4 две параллельные друг другу электрические дуги. Поэтому каждая дуга с одной стороны будет закрыта от окружающего пространства другой дугой. А так как горение электрической дуги сопровождается термодинамическими процессами, то на образующуюся в каждой дуге сажу будет оказывать динамическое воздействие соседняя дуга. Это явление обеспечит дополнительное воздействие на образующую в каждой дуге сажу, принуждающее последнюю к ускоренному выходу из зоны дуги. Этот эффект будет способствовать увеличению содержания фуллеренов в саже каждой дуги, так как указанное содержание фуллеренов обратно пропорционально времени, в течение которого сажа находится в зоне действия дуги.
При работе устройства (фиг.3), где прессующая камера 21 имеет на выходе два разнонаправленных отверстия, из которых в направлении электродов 24 и 25 принудительно перемещаются электроды 22 и 23, сформированные из массы 16, достигается следующий положительный фактор. Каждая электрическая дуга, образованная соответствующей парой электродов 22, 24 и 23, 25, будет отгорожена от второй дуги прессующей камерой 21. Поэтому сажа, образующаяся в каждой дуге, не будет испытывать светового ультрафиолетового воздействия от другой дуги, что положительно скажется на увеличении содержания фуллеренов в саже каждой дуги.
На основании вышеизложенного видно, что исключены следующие недостатки способа-прототипа:
- нет необходимости прессовать новые заготовки - электроды, что снижает трудозатраты и количество используемого оборудования,
- нет необходимости в периодической остановке устройства, реализующего способ, для извлечения отработанной заготовки - электрода из рабочей зоны и размещении там новой заготовки - электрода, что повышает производительность способа и снижает его трудозатраты,
- нет необходимости в периодической разгерметизации и открытии рабочей зоны для замены вышеуказанных заготовок и в последующих операциях герметизации зоны, откачки воздуха из нее и заполнении зоны инертным газом, что снижает трудозатраты способа, энергопотребление и расход инертного газа.
В предлагаемом устройстве устранен указанный выше недостаток прототипа: исключено использование дорогостоящих готовых стержневых графитовых электродов.
Появился ряд преимуществ перед устройством-прототипом:
- возможно формирование первых электродов с любой формой поперечного сечения путем замены одной прессующей камеры на другую; подбор оптимальной формы поперечного сечения электродов целесообразен при использовании разных сортов графитовой массы - для каждого сорта может быть подобрана своя оптимальная форма поперечного сечения первого электрода,
- возможна работа устройства с несколькими электрическими дугами, горящими одновременно, что увеличит КПД устройства.