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, 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, дм<sup>3</sup>
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