Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6915
(13) U
(46) 2010.12.30
(51) МПК (2009)
B 82B 3/00
(54) УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
УГЛЕРОДНОГО НАНОМАТЕРИАЛА
(21) Номер заявки: u 20100510
(22) 2010.05.31
(71) Заявитель: Государственное науч-
ное учреждение "Институт тепло- и
массообмена имени А.В.Лыкова
Национальной академии наук Бела-
руси" (BY)
(72) Авторы: Жданок Сергей Александро-
вич; Крауклис Андрей Владимирович;
Борисевич Кирилл Олегович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт тепло-
и массообмена имени А.В.Лыкова
Национальной академии наук Белару-
си" (BY)
(57)
Установка для получения углеродного наноматериала, включающая горелку, выпол-
ненную в виде стального цилиндра, внутри которого последовательно помещены слой по-
ристой керамики и не менее двух слоев металлической сетки, стальную трубу для осаждения
углеродного наноматериала, помещенную в теплообменник, выполненный в виде цилиндра,
BY6915U2010.12.30

2. BY 6915 U 2010.12.30
2
окруженного слоем теплоизоляции и наполненного дисперсным термостойким материа-
лом, газовые каналы для подачи реагента и окислителя, содержащие измерительные кла-
паны и флоуметры, причем газовые каналы объединены в один с образованием рабочей
смеси, который далее разделен на два канала и подсоединен к стальному цилиндру горел-
ки с противоположных сторон, отличающаяся тем, что стальная труба для осаждения уг-
леродного наноматериала неподвижно установлена в нижней части горелки и
дополнительно снабжена подвижным чистящим устройством, представляющим собой
поршень со штоком, помещенным в секцию, являющуюся продолжением трубы для оса-
ждения углеродного наноматериала, причем секция размещена под углом не более 45° к
оси трубы, снабжена отверстием для штока и соединена со съемной камерой сбора угле-
родных наноматериалов, а на выходе из стальной трубы предусмотрен патрубок для вы-
вода продуктов разложения.
(56)
1. Патент РБ 5991, МПК8
В 82В 3/00, 2009.
Предлагаемое техническое решение относится к области изготовления и обработки
наноструктур, в частности к установкам для получения углеродных наноматериалов, со-
держащих многостенные углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна и частицы на-
нографита, и может быть использовано для создания полимерных нанокомпозитов,
используемых в машиностроении, приборостроении, химической промышленности,
авиастроении, электронике, электротехнике и других отраслях народного хозяйства.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению (прототип)
является установка для получения углеродных наноматериалов [1]. Известная установка
содержит горелку, выполненную в виде открытого сверху стального цилиндра, внутри ко-
торого последовательно помещены слой пористой керамики и не менее двух слоев метал-
лической сетки, съемную стальную трубу для осаждения углеродного наноматериала,
размещенную над горелкой, и газовые каналы для подачи реагента и окислителя, содер-
жащие измерительные клапаны и флоуметры. Для обеспечения предварительного смеше-
ния реагента и окислителя газовые каналы объединены в один с рабочей смесью, который
далее разделен на два канала и подсоединен к стальному цилиндру с противоположных
сторон. Съемная стальная труба для осаждения углеродного наноматериала установлена в
теплообменнике, выполненном в виде стального цилиндра, заполненного дисперсным
термостойким материалом, например шариками из керамики, к которому подсоединен ка-
нал с рабочей смесью. Теплоизоляционный слой позволяет снизить тепловые потери и
поднять температуру поверхности осаждения углеродного наноматериала, а дисперсный
термостойкий материал накапливает тепловую энергию съемной стальной трубы и за счет
развитой поверхности теплообмена обеспечивает предварительный нагрев рабочей смеси.
Слой пористой керамики служит для равномерного распределения рабочей смеси по объ-
ему цилиндра. Слои металлических сеток разделяют рабочую смесь на газовые потоки
меньшего сечения, обладающие большими скоростями, которые достаточны для удержа-
ния фронта горения пламени вблизи поверхности сетки, что обеспечивает ее нагрев и со-
здание инфракрасного излучения. Это позволяет сжигать газовые смеси, в которых
реагента содержится значительно больше, чем окислителя, и инициировать реакции ча-
стичного окисления и термического крекинга, продукты которых играют роль строитель-
ного материала для формирования углеродных наноструктур, образующихся на
внутренней поверхности стальной съемной трубы. За время работы установки углеродные
наноматериалы постепенно накапливаются на внутренней поверхности стальной съемной
трубы до тех пор, пока есть доступ углерода из газовой фазы к металлическим частицам
на поверхности, которые участвуют в росте углеродных наноструктур. По мере накопле-

3. BY 6915 U 2010.12.30
3
ния углерода на поверхности снижается степень структуризации материала. После окон-
чания работы установки и ее остывания внутренняя поверхность съемной стальной трубы
подвергается механической чистке, например с помощью металлического скребка, для
удаления депозита с поверхности. В данной конструкции работа установки в непрерывном
режиме невозможна, так как постоянно необходимо удалять накапливающийся на поверх-
ности депозит (не реже чем 1 раз в час). Кроме того, по мере накопления углеродного де-
позита на поверхности стальной трубы снижается степень его структуризации.
Недостатком этой конструкции является необходимость механической чистки сталь-
ной трубы, на которой накапливается депозит при полном отключении установки. Невоз-
можность работать в непрерывном режиме снижает производительность процесса и
негативно сказывается на степени структуризации наноматериала, так как в течение часа
рабочего режима толщина слоя углеродного наноматериала постепенно увеличивается,
ограничивая таким образом доступ свободного углерода к поверхности металла, т.е. к ак-
тивным металлическим частицам, участвующим в образовании углеродных наноструктур.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение производительно-
сти установки и эффективности процесса для получения углеродного наноматериала.
Задача решается следующим образом. Известная установка для получения углеродно-
го наноматериала содержит горелку, выполненную в виде стального цилиндра, внутри ко-
торого последовательно помещены слой пористой керамики и не менее двух слоев
металлической сетки, стальную трубу для осаждения углеродного наноматериала и газо-
вые каналы для подачи реагента и окислителя, содержащие измерительные клапаны и
флоуметры. Газовые каналы объединены в один для образования рабочей смеси, который
далее разделен на два канала и подсоединен к стальному цилиндру горелки с противопо-
ложных сторон. Стальная труба для осаждения углеродного наноматериала установлена в
теплообменнике, выполненном в виде цилиндра, окруженного слоем теплоизоляции и
наполненного дисперсным термостойким материалом, к которому подсоединен канал с
рабочей смесью.
Согласно предлагаемому техническому решению, стальная труба для осаждения угле-
родного наноматериала неподвижно установлена в нижней части горелки и дополнитель-
но снабжена подвижным чистящим устройством, выполненным из нержавеющей стали.
Чистящее устройство представляет собой поршень со штоком, помещенное в секцию, яв-
ляющуюся продолжением трубы для осаждения углеродного наноматериала. Секция раз-
мещена под углом не более 45° к оси трубы и снабжена отверстием для штока,
обеспечивающим свободное его перемещение вдоль вертикальной оси стальной трубы по
всей ее длине. В нижней части секции размещена съемная камера сбора полученных угле-
родных наноматериалов, где происходит их естественное охлаждение. Шток приводится в
движение специальным механизмом или вручную. На выходе из стальной трубы для оса-
ждения углеродных наноматериалов предусмотрен патрубок для вывода продуктов раз-
ложения.
При разложении углеводородов в пламени горелки образуются сажевые микро- и на-
ночастицы (аморфный углерод), промежуточные радикалы, водород (во всем объеме) и
углеродный наноматериал, содержащий углеродные нанотрубки и нановолокна, образу-
ющиеся только на металлической поверхности стальной трубы, который по мере накопле-
ния удаляется с ее внутренней поверхности чистящим устройством путем
поступательного перемещения штока по всей длине реактора и ссыпается в специальную
камеру сбора полученных углеродных наноматериалов. Газообразные продукты реакций и
сажевые частицы удаляются через патрубок для вывода продуктов разложения. Таким об-
разом, предлагаемая конструкция с использованием дополнительно введенных подвижно-
го чистящего устройства, секции с камерой сбора полученного углеродного
наноматериала и патрубка для вывода газообразных продуктов разложения и аморфного
углерода позволяет получать качественный материал с высоким содержанием структури-

4. BY 6915 U 2010.12.30
4
рованных форм углерода (нанотрубки и нановолокна), образующегося на металлической
поверхности трубы. Конструкция установки позволяет осуществлять процесс непрерывно
в течение нескольких часов. Отмеченные факторы улучшения качества материала и не-
прерывности работы установки увеличивают производительность процесса и его эффек-
тивность.
На фигуре представлен общий вид установки для получения углеродного наноматери-
ала.
Предлагаемая установка для получения углеродного наноматериала включает горелку
1, представляющую собой стальной цилиндр, внутрь которого помещены слой пористой
керамики 2 и несколько слоев (например, три слоя) металлической сетки 3. Газовые кана-
лы 4 и 5 служат для подачи реагента и окислителя соответственно. Указанные каналы со-
держат измерительные клапаны 6 и флоуметры 7, обеспечивающие контроль газовых
расходов. Газовые каналы 4 и 5 объединены в один канал 8 для смешения реагента и
окислителя для приготовления рабочей смеси, поступающей в горелку 1. Образование уг-
леродных наноматериалов происходит на внутренней поверхности стальной трубы 9,
установленной снизу горелки 1. Стальная труба 9 расположена в теплообменнике, выпол-
ненном в виде полого стального цилиндра 10, наполненного дисперсным термостойким
материалом 11, например шариками из керамики, и окруженного слоем теплоизоляции 12.
К нижней части стального цилиндра 10 с термостойким материалом 11 теплообменника
подсоединен канал 8 с рабочей смесью, который в верхней части теплообменника разде-
лен на два канала 13 для подачи рабочей смеси к горелке 1. Секция 14, являющаяся про-
должением стальной трубы 9, размещена под углом не более 45° к оси трубы и снабжена
отверстием для штока 15, который крепится к поршню 16 чистящего устройства. Отвер-
стие в секции 14 направляет шток 15, приводящий в движение поршень 16 чистящего
устройства, вдоль вертикальной стальной трубы для осаждения углеродного наноматери-
ала. Длина штока 15 определяется длиной стальной трубы так, чтобы поршень 16 чистя-
щего устройства свободно проходил по всей ее длине. Секция 14 в нижней части
соединена с камерой 17 сбора полученного углеродного наноматериала. Патрубок 18 вы-
вода продуктов разложения (газообразные продукты реакций и аморфный углерод) распо-
ложен в нижней части трубы 9.
Установка работает следующим образом. По газовым каналам 4 и 5 через измеритель-
ные клапаны 6 и флоуметры 7 реагент и окислитель поступают в общий канал 8, где они
перемешиваются и образуют рабочую смесь. Далее в каналах 13 рабочая смесь разделяет-
ся на два одинаковых потока и подается в стальной цилиндр горелки 1, где, проходя через
слой пористой керамики 2, она равномерно распределяется по всему объему горелки 1. За
счет многослойности сетки 3 рабочая смесь разбивается на газовые потоки меньшего се-
чения, обладающие большими скоростями, которые достаточны для удержания фронта
горения пламени вблизи поверхности сетки. Это обеспечивает нагрев сетки и создание
инфракрасного излучения. Далее происходит поджиг и горение рабочей смеси. Горение в
течение времени порядка 15-30 минут определяется как стадия предварительного разогре-
ва, и установка работает на стехиометрической смеси реагента (углеводорода) и окисли-
теля (воздуха), для которой преобладают реакции полного окисления. После того как слои
сетки 3 прогреваются до температур 700-900 °С и начинают излучать в инфракрасном
спектре, предварительно полученную рабочую смесь обогащают углеводородами, т.е.
значительно увеличивают долю реагента в смеси. Это обеспечивает избыток углерода в
зоне образования углеродных наноструктур, а именно на поверхности стальной трубы 9.
После поджига рабочей смеси труба начинает разогреваться и передавать тепловую энер-
гию цилиндру 10 теплообменника. Проходя через дисперсный материал 11, тепловая
энергия передается рабочей смеси, поступающей из канала 8. При этом наличие слоя теп-
лоизоляции 12 снижает тепловые потери и обеспечивает более равномерный прогрев
внутренней поверхности стальной трубы 9.

5. BY 6915 U 2010.12.30
5
Благодаря высоким температурам в пламени горелки 1 углеводороды разлагаются, об-
разуя промежуточные продукты реакции, включающие сажевые микро- и наночастицы,
водород и промежуточные радикалы (различные активные и неактивные углеводородные
соединения). Часть продуктов оседает на поверхности стальной трубы 9 цилиндра 10 теп-
лообменника и формирует углеродный наноматериал, содержащий углеродные нанотруб-
ки и нановолокна. Часть, содержащая аморфный углерод и газообразные продукты
разложения, выводится через патрубок 18. Углеродный наноматериал, образующийся на
поверхности стальной трубы 9, удаляется по мере его накопления посредством поршня 16
чистящего устройства, которое с помощью штока 15 приводится в движение извне меха-
нически или вручную (на чертеже не показано). Поршень 16 чистящего устройства пере-
мещается по всей длине стальной трубы 9, соскребая с ее поверхности углеродный
наноматериал, который далее по наклонной поверхности секции 14 попадает в камеру 17
для сбора углеродного наноматериала, где накапливается до остывания установки. После
выключения горелки 1 подачи воздуха и углеводородов съемную камеру 17 с собранным
материалом отделяют и удаляют оттуда собранный продукт.
Конечный продукт представляет собой черно-серый порошок, содержащий микро- и
наночастицы сажи, образующиеся в объеме, и углеродные нанотрубки и нановолокна, вы-
росшие на поверхности стальной трубы 9 благодаря взаимодействию промежуточных
продуктов реакции (активные радикалы и углеводородные соединения) с наночастицами
железа и никеля.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет увеличить эффектив-
ность процесса за счет предлагаемой конструкции, которая обеспечивает повышение
степени структуризации получаемого в процессе углеродного наноматериала, т.е. увели-
чивает содержание в нем углеродных нановолокон и нанотрубок наряду с сажевыми мик-
ро- и наночастицами и их скоплениями и позволяет осуществлять процесс непрерывно в
течение нескольких часов.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.