RU2788886C1 - Method for producing dispersed single nanoparticles from nanoparticle hailes and entangled agglomerates on the binding base surface and installation for its implementation - Google Patents
Method for producing dispersed single nanoparticles from nanoparticle hailes and entangled agglomerates on the binding base surface and installation for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2788886C1 RU2788886C1 RU2022118774A RU2022118774A RU2788886C1 RU 2788886 C1 RU2788886 C1 RU 2788886C1 RU 2022118774 A RU2022118774 A RU 2022118774A RU 2022118774 A RU2022118774 A RU 2022118774A RU 2788886 C1 RU2788886 C1 RU 2788886C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- particles
- nanomaterial
- cyclone separator
- gas flow
- individual
- Prior art date
Links
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 48
- 238000009434 installation Methods 0.000 title claims abstract description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 76
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 60
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 23
- 230000001174 ascending Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 claims abstract description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 12
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 3
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 3
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 2
- -1 strip Substances 0.000 claims description 2
- 229920005601 base polymer Polymers 0.000 claims 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 abstract description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 7
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 abstract description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 6
- 239000002699 waste material Substances 0.000 abstract description 3
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 24
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 9
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 description 4
- 239000011852 carbon nanoparticle Substances 0.000 description 4
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 3
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000000717 retained Effects 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано для получения монодисперстных наноструктур, в частности, углеродных нанотрубок, фуллеренов, графена, и т.д., а также композитов на их основе.The invention relates to the field of nanotechnology and can be used to obtain monodisperse nanostructures, in particular, carbon nanotubes, fullerenes, graphene, etc., as well as composites based on them.
Предпосылкой создания изобретения является необходимость получения равномерно распределенных одиночных (первичных) наночастиц, с целью последующего закрепления на поверхности связующего слоя, например полимерных частиц (микрокапель воска, либо другого полимера, либо другого вещества или композита, применимого для осаждения наноразмерных частиц на его поверхность) или поверхности лент, нитей, волокон, тканей и других форм. При этом основной проблемой получения таких одиночных наночастиц является стремление диспергированных наноразмерных структур к повторному соединению друг с другом, укрупнению (агрегации и агломерации). В случае, если эти наноструктуры вовремя не зафиксировать и не создать условия к их консервации в разделенном состоянии, - значительно снижается качество целевого продукта. Таким образом, в течение всего технологического процесса формирования однородных по своим размерам фракций или одиночных диспергированных наночастиц необходимо осуществлять контролируемое манипулирование отдельными наночастицами с целью недопущения их повторной агрегации и агломерации.The prerequisite for the creation of the invention is the need to obtain evenly distributed single (primary) nanoparticles, with the aim of subsequent fixing on the surface of the binder layer, for example, polymer particles (microdroplets of wax, or another polymer, or another substance or composite applicable for depositing nanosized particles on its surface) or surfaces of tapes, threads, fibers, fabrics and other forms. At the same time, the main problem of obtaining such single nanoparticles is the tendency of dispersed nanosized structures to reconnect with each other, enlargement (aggregation and agglomeration). If these nanostructures are not fixed in time and conditions are not created for their preservation in a separated state, the quality of the target product is significantly reduced. Thus, during the entire technological process of formation of fractions uniform in size or single dispersed nanoparticles, it is necessary to carry out controlled manipulation of individual nanoparticles in order to prevent their repeated aggregation and agglomeration.
Из уровня техники известны различные способы, основанные на механическом разделении наноматериала с целью получения одиночных наночастиц.Various methods are known from the prior art, based on the mechanical separation of a nanomaterial in order to obtain single nanoparticles.
Например, из материалов опубликованной международной заявки РСТ WO 2007103256 (А2) известен способ диспергации углеродного наноматериала, включающий введение потока объемных частиц в первом инертном газе в камеру испарения, поддержание камеры испарения при температуре, достаточной для испарения объемных частиц, введение испарившихся частиц из камеры испарения в камеру разрежения, введение потока второго инертного газа в камеру разрежения через разрежающее отверстие в разрежающей камере, достаточного для выброса сыпучего материала с выходного отверстия, тем самым конденсируя сыпучий материал в одиночные частицы в газовом потоке достаточного объема для предотвращения агломерации одиночных частиц, при этом оставшиеся в камере разрежения более крупные частицы (агрегаты и агломераты) откачиваются насосом.For example, from the materials of the published international application PCT WO 2007103256 (A2) a method is known for dispersing a carbon nanomaterial, including introducing a flow of bulk particles in the first inert gas into the evaporation chamber, maintaining the evaporation chamber at a temperature sufficient to evaporate the bulk particles, introducing the evaporated particles from the evaporation chamber into the rarefaction chamber, introducing a flow of the second inert gas into the rarefaction chamber through a dilution opening in the dilution chamber, sufficient to eject bulk material from the outlet, thereby condensing the bulk material into single particles in a gas stream of sufficient volume to prevent agglomeration of single particles, while remaining in the rarefaction chamber, larger particles (aggregates and agglomerates) are pumped out by a pump.
Основными недостатками известного технического решения являются сложность и низкая эффективность технологического процесса, обусловленная отсутствием дальнейшей консервации отобранных одиночных частиц в разделенном состоянии, что ведет к дальнейшему их укрупнению и агломерации, высокая вероятность прохождения через выходное отверстие камеры более крупных частиц, а также необходимость повторного введения в систему диспергации откачиваемых насосом крупных частиц.The main disadvantages of the known technical solution are the complexity and low efficiency of the technological process, due to the lack of further conservation of the selected single particles in a separated state, which leads to their further enlargement and agglomeration, a high probability of larger particles passing through the outlet of the chamber, as well as the need for re-introduction into system of dispersion of the large particles pumped out by the pump.
Из патента GB 2473048 (А) известен способ разделения углеродного наноматериала, включающий подачу в потоке газа диспергированного сыпучего наноматериала в циклонный конусообразный сепаратор в области его верхней части, разделение наноматериала на более мелкие частицы (одиночные) и более крупные частицы (агрегаты и агломераты) и за счет воздействия на них силы гравитации и центробежных сил осаждение более крупных частиц в виде осадка на конусообразной внутренней поверхности сепаратора и подачу более мелких частиц через отверстие вертикального патрубка в устройство для формирования готовых фракций.From the patent GB 2473048 (A) a method for separating a carbon nanomaterial is known, which includes supplying a dispersed bulk nanomaterial in a gas flow to a cyclone cone-shaped separator in the region of its upper part, separating the nanomaterial into smaller particles (single) and larger particles (aggregates and agglomerates) and due to the effect of gravity and centrifugal forces on them, the sedimentation of larger particles in the form of sediment on the cone-shaped inner surface of the separator and the supply of smaller particles through the opening of the vertical nozzle into the device for the formation of finished fractions.
В известном техническом решении предполагается наличие отходов в виде, осажденных на внутренней поверхности сепаратора агломерированных и агрегированных частиц наноматериала, подлежащих последующему механическому извлечению с целью повторного введения в систему, что существенно усложняет весь технологический процесс. Также не предусмотрена дальнейшая консервация отобранных одиночных частиц в разделенном состоянии, что ведет к дальнейшему их укрупнению и агломерации. При этом выполнение всей боковой внутренней поверхности циклонного сепаратора конусообразной не обеспечивает на выходе эффективное разделение наноматериала, поскольку существует вероятность выталкивания в отверстие вертикального патрубка как мелких, так и более крупных частиц наноматериала.The known technical solution assumes the presence of waste in the form of agglomerated and aggregated nanomaterial particles deposited on the inner surface of the separator, subject to subsequent mechanical extraction in order to re-introduce it into the system, which significantly complicates the entire technological process. Also, further preservation of the selected single particles in a separated state is not provided, which leads to their further enlargement and agglomeration. At the same time, the execution of the entire lateral inner surface of the cyclone separator cone-shaped does not provide effective separation of the nanomaterial at the outlet, since there is a possibility of both small and larger nanomaterial particles being pushed into the opening of the vertical nozzle.
В документах WO 2004043855 (А2) и СА 2983470 (А1) раскрыты способы получения наноматериала с закреплением углеродных наночастиц на поверхности связующего полимера, путем осаждения углеродных наночастиц на поверхности каплей аэрозоли из расплава полимера, после чего микрокапли полимера, опудренные углеродными наночастицами, застывают и отбираются как готовая фракция, в частности путем осаждения на дне циклона (по патенту СА 2983470 (А1)).Documents WO 2004043855 (A2) and CA 2983470 (A1) disclose methods for producing a nanomaterial with carbon nanoparticles fixed on the surface of a binder polymer by depositing carbon nanoparticles on the surface with an aerosol droplet from a polymer melt, after which the polymer microdroplets powdered with carbon nanoparticles solidify and are taken as a finished fraction, in particular by sedimentation at the bottom of the cyclone (according to patent CA 2983470 (A1)).
В известных из указанных документов технических решениях не раскрыты конкретные методы предварительной деагломерации и дезагрегации наночастиц, оседающих на микрокаплях связующего полимера. При этом согласно материалам указанных документов данные способы предусматривают наличие агрегаций или агломераций углеродных наночастиц на поверхности полимера, в связи с чем, целесообразно сделать вывод об отсутствии комплексного подхода, позволяющего обеспечить получение поверхностного слоя материала с осажденными на него одиночными наночастицами.The technical solutions known from these documents do not disclose specific methods for the preliminary deagglomeration and disaggregation of nanoparticles deposited on binder polymer microdroplets. At the same time, according to the materials of these documents, these methods provide for the presence of aggregations or agglomerations of carbon nanoparticles on the polymer surface, and therefore, it is reasonable to conclude that there is no integrated approach that allows obtaining a surface layer of a material with single nanoparticles deposited on it.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания технологии отделения одиночных наночастиц от агломератов и объединенных наноструктур - агрегатов (например, скрученные в жгут одностенные нанотрубки), которая позволяет упростить сам технологический процесс за счет использования замкнутого цикла отделения одиночных наночастиц, исключающего образование отходов в виде агломерированных и агрегированных частиц, и одновременно повысить качество целевого продукта за счет циклического воздействия на наноматериал на стадиях диспергации и дальнейшего формирования готовых наноструктур посредством фиксации диспергированных частиц на поверхности связующего материала, с целью недопущения их повторной агломерации.The present invention solves the problem of creating a technology for separating single nanoparticles from agglomerates and combined nanostructures - aggregates (for example, single-walled nanotubes twisted into a bundle), which makes it possible to simplify the technological process itself by using a closed cycle for separating single nanoparticles, which excludes the formation of waste in the form of agglomerated and aggregated particles , and at the same time improve the quality of the target product due to the cyclic impact on the nanomaterial at the stages of dispersion and further formation of finished nanostructures by fixing the dispersed particles on the surface of the binder material in order to prevent their re-agglomeration.
Поставленная задача решается тем, что предлагается способ получения на поверхности связующей основы одиночных наночастиц, диспергированных из жгутов и спутанных агломератов наночастиц, включающий подачу сыпучего наноматериала в блок диспергации наночастиц в потоке сжатого газа, обеспечивающего первичное движение наноматериала через первый байпас, прохождение полученной дисперсии в первый циклонный сепаратор для отделения диспергированных одиночных частиц от оставшихся агрегированных и агломерированных за счет воздействия на частицы наноматериала силы гравитации и центробежных сил, осаждение агрегированных и агломерированных частиц с последующим их переносом обратно в упомянутый блок диспергации для повторения цикла диспергации и последующего отделения одиночных наночастиц от оставшихся агрегированных и агломерированных, отбор отделенных восходящим потоком газа диспергированных одиночных наночастиц из первого циклонного сепаратора в образующий реакционную зону центральный канал блока осаждения отдельных частиц наноматериала на поверхности связующей основы, подача сформированного композитного материала во второй циклонный сепаратор, отделение сформированного композитного материала от отбираемых восходящим газовым потоком отдельных частиц, не успевших закрепиться на поверхности связующей основы, с дальнейшим их переносом обратно в реакционную зону блока осаждения для повторения цикла осаждения отдельных частиц наноматериала на поверхности связующей основы, извлечение целевого продукта через нижний патрубок и накопительную емкость второго циклонного сепаратора.The problem is solved by the fact that a method is proposed for obtaining single nanoparticles on the surface of the binder base, dispersed from bundles and tangled agglomerates of nanoparticles, including the supply of bulk nanomaterial to the nanoparticle dispersion unit in a compressed gas flow, which ensures the primary movement of the nanomaterial through the first bypass, the passage of the resulting dispersion into the first cyclone separator for separating dispersed single particles from the remaining aggregated and agglomerated ones due to the effect of gravity and centrifugal forces on nanomaterial particles, sedimentation of aggregated and agglomerated particles with their subsequent transfer back to the mentioned dispersion unit to repeat the dispersion cycle and subsequent separation of single nanoparticles from the remaining aggregated ones and agglomerated, the selection of dispersed single nanoparticles separated by an ascending gas flow from the first cyclone separator into the central channel of the OS block forming the reaction zone deposition of individual nanomaterial particles on the surface of the binder base, feeding the formed composite material into the second cyclone separator, separating the formed composite material from the individual particles selected by the ascending gas flow that did not have time to fix on the surface of the binder base, with their further transfer back to the reaction zone of the deposition unit for repetition a cycle of deposition of individual nanomaterial particles on the surface of the binder base, extraction of the target product through the lower branch pipe and the storage tank of the second cyclone separator.
При этом на входе блока диспергации на сыпучий наноматериал может быть предусмотрено, по крайней мере, последовательное воздействие повторно введенным каскадом плоскощелевых форсунок потоком сжатого газа в сторону, сонаправленную первичному движению потока, дальнейшее прохождение полученной дисперсии через сопло Лаваля с последующим воздействием на нее ультразвуковыми колебаниями, и на выходе из блока диспергации - повторно введенным каскадом плоскощелевых форсунок потоком сжатого газа в сторону, сонаправленную первичному движению потока.At the same time, at the inlet of the dispersion unit on bulk nanomaterial, at least sequential exposure to the re-introduced cascade of flat-slot nozzles by a compressed gas flow in the direction co-directed to the primary movement of the flow, further passage of the resulting dispersion through the Laval nozzle, followed by exposure to ultrasonic vibrations, can be provided, and at the outlet of the dispersion unit - by a re-introduced cascade of flat-slot nozzles with a compressed gas flow in the direction co-directed to the primary flow movement.
Отделение сформированного композитного материала от отбираемых восходящим газовым потоком отдельных частиц, не успевших закрепиться на поверхности связующей основы, может осуществляться за счет воздействия на отдельные частицы и композитный материал сил гравитации и центробежных сил.The separation of the formed composite material from the individual particles selected by the ascending gas flow, which did not have time to gain a foothold on the surface of the binder base, can be carried out due to the impact on individual particles and the composite material of gravitational and centrifugal forces.
Поставленная задача решается также установкой, реализующей вышеуказанный способ, состоящей из связанных между собой рециркуляционных контуров, первый из которых включает: патрубок подачи сыпучего наноматериала в потоке сжатого газа через байпас в блок диспергации наночастиц, выходной патрубок которого соединен с вводным патрубком первого циклонного сепаратора, расположенным в его верхней цилиндрической части, для прохождения полученной дисперсии из одиночных, агрегированных и агломерированных частиц наноматериала, при этом в основании нижней конической части первый циклонный сепаратор соединен с патрубком подачи сыпучего наноматериала для прохождения осаждаемых в циклонном сепараторе агрегированных и агломерированных частиц за счет воздействия на частицы наноматериала сил гравитации и центробежных сил, второй рециркуляционный контур включает: блок осаждения отдельных частиц наноматериала на связующую основу, соединенный входной частью с вертикальным выходным патрубком первого циклонного сепаратора, для подачи отделенных в нем диспергированных отдельных частиц в реакционную зону, образованную центральным каналом, для формирования композитного материала, и второй циклонный сепаратор, соединенный в области цилиндрической части вводным патрубком с выходной частью блока осаждения, для отделения путем гравитации и центробежных сил сформированного в блоке композитного материала от отбираемых восходящим газовым потоком отдельных частиц, не успевших закрепиться на поверхности связующей основы, при этом второй циклонный сепаратор снабжен байпасом, соединенным с одной стороны с входной частью блока осаждения для подачи в реакционную зону последнего отдельных частиц, отбираемых восходящим газовым потоком и не успевших закрепиться на поверхности связующей основы, а с другой - с вертикальным выходным патрубком для воздействия гравитации и центробежных сил на сформированный в блоке осаждения композитный материал, а также нижним патрубком и накопительной емкостью для извлечения целевого продукта.The problem is also solved by the installation that implements the above method, consisting of interconnected recirculation circuits, the first of which includes: a branch pipe for supplying bulk nanomaterial in a compressed gas flow through a bypass to a nanoparticle dispersion unit, the outlet pipe of which is connected to the inlet pipe of the first cyclone separator, located in its upper cylindrical part, for the passage of the resulting dispersion of single, aggregated and agglomerated nanomaterial particles, while at the base of the lower conical part the first cyclone separator is connected to the loose nanomaterial supply pipe for the passage of aggregated and agglomerated particles deposited in the cyclone separator due to the action on the particles nanomaterial forces of gravity and centrifugal forces, the second recirculation circuit includes: a unit for deposition of individual nanomaterial particles on a binder base about the separator, for feeding the dispersed individual particles separated in it into the reaction zone formed by the central channel, for the formation of a composite material, and the second cyclone separator, connected in the region of the cylindrical part by an inlet pipe with the outlet part of the deposition unit, for separation by gravity and centrifugal forces of the formed in a block of composite material from individual particles selected by an ascending gas flow that did not have time to fix on the surface of the binder base, while the second cyclone separator is equipped with a bypass connected on one side to the inlet of the deposition unit for supplying individual particles selected by an ascending gas flow to the reaction zone of the latter and those that did not have time to fix on the surface of the binder base, and on the other hand, with a vertical outlet pipe for the effect of gravity and centrifugal forces on the composite material formed in the deposition unit, as well as a lower pipe and a storage tank for extracting the target new product.
При этом блок диспергации может включать последовательно установленные, по меньшей мере, входной патрубок с каскадом плоскощелевых форсунок для сжатого газа, сопло Лаваля, ультразвуковой излучатель, выходной патрубок с каскадом плоскощелевых форсунок для сжатого газа.In this case, the dispersion unit may include at least an inlet pipe with a cascade of flat-slot nozzles for compressed gas, a Laval nozzle, an ultrasonic emitter, an outlet pipe with a cascade of flat-slot nozzles for compressed gas, installed in series.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The essence of the invention is illustrated by drawings, where:
- На Фиг. 1 показано схематическое изображение установки для получения одиночных диспергированных наночастиц согласно предпочтительному варианту;- In FIG. 1 shows a schematic representation of a setup for producing single dispersed nanoparticles according to a preferred embodiment;
- На Фиг. 2 - схематическое изображение первого циклонного сепаратора;- In FIG. 2 is a schematic representation of the first cyclone separator;
- На Фиг. 3 - схематическое изображение блока формирования композиционного материала согласно варианту а);- In FIG. 3 is a schematic representation of the block for forming a composite material according to option a);
- На Фиг. 4 - схематическое изображение блока формирования композиционного материала согласно первому альтернативному варианту б);- In FIG. 4 is a schematic representation of the block for forming a composite material according to the first alternative b);
- На Фиг. 5 - схематическое изображение блока формирования композиционного материала согласно второму альтернативному варианту б);- In FIG. 5 is a schematic representation of the block for forming a composite material according to the second alternative b);
- На Фиг. 6 - схематическое изображение блока формирования композиционного материала согласно варианту в);- In FIG. 6 is a schematic representation of the block for forming a composite material according to option c);
- На Фиг. 7 - микрофотография агрегированных наночастиц на примере одностенных нанотрубок- In FIG. 7 - micrograph of aggregated nanoparticles on the example of single-walled nanotubes
- На Фиг. 8 - микрофотография агломерированных наночастиц на примере одностенных нанотрубок.- In FIG. 8 is a micrograph of agglomerated nanoparticles using single-walled nanotubes as an example.
Предложенный способ возможно реализовать в установке для диспергирования наночастиц, представленной на Фиг. 1. Установка состоит из двух связанных между собой рециркуляционных контуров. Первый рециркуляционный контур состоит из загрузочного шлюза (1), установленного на патрубке (2) с плоскощелевыми форсунками (3), блока диспергации частиц наноматериала (4), соединенного байпасом с патрубком (2), а также первого циклонного сепаратора (13) соединенного в верхней цилиндрической части (33) с блоком (4), а в основании нижней конической части (34) - с патрубком (2). Блок (4) в предпочтительном варианте представляет собой комплекс следующих последовательно выполненных устройств для деагломерации частиц наноматериала: входной патрубок (7) с каскадом плоскощелевых форсунок (6), сопло Лаваля (конвергентно-дивергентное сопло) (8) с форсункой (30), ультразвуковой излучатель (9), выходной патрубок (10) с каскадом плоскощелевых форсунок (11), соединенный с располагающимся в цилиндрической части (33) циклонного сепаратора (13) вводным патрубком (12) (Фиг. 2). Второй рециркуляционный контур состоит из блока осаждения отдельных частиц наноматериала (16), соединенного входной частью с вертикальным выходным патрубком (14) блока (13) и выполненного с образующим реакционную зону центральным каналом (31) и устройством формирования композиционного материала, а также второго циклонного сепаратора (24) и байпаса (29). Циклонный сепаратор (24) аналогичен по конструктивному исполнению циклонного сепаратора (13), имеет в основании накопительную емкость (26) с фильтром клапаном (27) для выведения газового потока, которая соединяется с конической частью посредством нижнего патрубка (25), а в области цилиндрической части циклонного сепаратора (24) соединен вводным патрубком (32) с выходной частью блока (16). Байпас (29) соединен с одной стороны с входной частью блока (16), а с другой - с вертикальным выходным патрубком (28) циклонного сепаратора (24).The proposed method can be implemented in a nanoparticle dispersion unit shown in FIG. 1. The plant consists of two interconnected recirculation circuits. The first recirculation circuit consists of a loading lock (1) installed on a pipe (2) with flat-slot nozzles (3), a nanomaterial particle dispersion unit (4) connected by a bypass to a pipe (2), as well as the first cyclone separator (13) connected in the upper cylindrical part (33) with a block (4), and at the base of the lower conical part (34) - with a branch pipe (2). Block (4) in the preferred embodiment is a complex of the following sequentially made devices for deagglomeration of nanomaterial particles: inlet pipe (7) with a cascade of flat-slot nozzles (6), Laval nozzle (convergent-divergent nozzle) (8) with a nozzle (30), ultrasonic an emitter (9), an outlet pipe (10) with a cascade of flat-slot nozzles (11) connected to an inlet pipe (12) located in the cylindrical part (33) of the cyclone separator (13) (Fig. 2). The second recirculation circuit consists of a block for the deposition of individual nanomaterial particles (16), connected by an inlet to a vertical outlet (14) of the block (13) and made with a central channel (31) forming the reaction zone and a device for forming a composite material, as well as a second cyclone separator (24) and bypass (29). The cyclone separator (24) is similar in design to the cyclone separator (13), it has a storage tank (26) at the base with a filter valve (27) for removing the gas flow, which is connected to the conical part through the lower pipe (25), and in the cylindrical area part of the cyclone separator (24) is connected by an inlet pipe (32) to the outlet part of the block (16). The bypass (29) is connected on one side to the inlet part of the block (16), and on the other hand, to the vertical outlet pipe (28) of the cyclone separator (24).
Способ получения диспергированных одиночных наночастиц в соответствии с Фиг. 1 осуществляют следующим образом.The method for producing dispersed single nanoparticles according to FIG. 1 is carried out as follows.
Через загрузочный шлюз (1) порция сыпучего наноматериала мерником или автоматически подается в патрубок (2), в котором расположены одна или несколько форсунок (3), направленных по оси патрубка в сторону блока (4). Через эти форсунки импульсами сжатого воздуха наноматериал приводится в движение и подается через байпас (5) в зону первичной диспергации блока (4), на входе которого напротив друг друга расположены нескольких плоскощелевых форсунок (6), направленных под углом к оси патрубка (7) в сторону, сонаправленную движению потока, через которые подается сжатый газ. В результате на линии схождения потоков возникает высокая степень турбулентности, что активирует первичную диспергацию. Причем, количество пар форсунок (6) может быть несколько и образовывать каскад. Далее смесь газа и наноматериала, приобретя определенную скорость, попадает в сопло Лаваля (8), где газовый поток многократно ускоряется и на выходе из сопла проходит через зону кавитации, где процесс диспергации усиливается. В этом месте расположен ультразвуковой излучатель (9), ультразвуковое воздействие которого придает наночастицам дополнительную подвижность. Далее газовый поток проходит через патрубок (10) с каскадом плоскощелевых форсунок (11), где наноматериал подвергается максимальному воздействию и от агрегированных частиц, например жгутов одностенных нанотрубок (Фиг. 7) с размерами частиц 1-100 мкм или спутанных агломератов (Фиг. 8) с размерами частиц 100-500 мкм, отделяется максимальное количество отдельных одиночных (первичных) наночастиц, например одиночных нанотрубок с диаметром 1,6 нм +/- 0,2 нм и длиной до 1 мкм. Далее поток газа через вводной патрубок (12) (Фиг. 2), тангенциально входящий в верхнюю цилиндрическую часть (33) циклонного сепаратора (13) и имеющий наклон 12 градусов к горизонтали, начинает свое движение вдоль стенки циклонного сепаратора (13) (Фиг. 2), постепенно понижаясь, переходит к его нижней конической части (34).Through the loading lock (1), a portion of bulk nanomaterial is fed by a measuring device or automatically into the nozzle (2), in which one or more nozzles (3) are located, directed along the axis of the nozzle towards the block (4). Through these nozzles, the nanomaterial is set in motion by pulses of compressed air and fed through the bypass (5) into the zone of primary dispersion of the block (4), at the inlet of which several flat-slot nozzles (6) are located opposite each other, directed at an angle to the axis of the nozzle (7) in side, co-directed to the flow, through which the compressed gas is supplied. As a result, a high degree of turbulence occurs at the convergence line, which activates the primary dispersion. Moreover, the number of pairs of nozzles (6) can be several and form a cascade. Further, the mixture of gas and nanomaterial, having acquired a certain speed, enters the Laval nozzle (8), where the gas flow is accelerated many times and, at the outlet of the nozzle, passes through the cavitation zone, where the dispersion process is enhanced. In this place, an ultrasonic emitter (9) is located, the ultrasonic action of which gives the nanoparticles additional mobility. Further, the gas flow passes through a branch pipe (10) with a cascade of flat-slot nozzles (11), where the nanomaterial is exposed to the maximum impact from aggregated particles, for example, bundles of single-walled nanotubes (Fig. 7) with particle sizes of 1-100 μm or entangled agglomerates (Fig. 8 ) with a particle size of 100-500 µm, the maximum number of individual single (primary) nanoparticles is separated, for example, single nanotubes with a diameter of 1.6 nm +/- 0.2 nm and a length of up to 1 µm. Further, the gas flow through the inlet pipe (12) (Fig. 2), tangentially entering the upper cylindrical part (33) of the cyclone separator (13) and having an inclination of 12 degrees to the horizontal, begins its movement along the wall of the cyclone separator (13) (Fig. 2), gradually decreasing, passes to its lower conical part (34).
При этом движении частицы наноматериала (агломераты, катализатор, посторонние включения) имеющие большую массу чем одиночные наночастицы, центробежной силой выдавливаются ближе к стенкам циклонного сепаратора, а отделенные одиночные наночастицы с замедлившимся потоком газа, изменившим направление своего движения, перемещаются в центр вращения и восходящим потоком выносятся в вертикальный патрубок (14). Агрегаты и агломераты через нижний патрубок (15) вновь попадают в пространство патрубка (2) перед загрузочным шлюзом (1) в зону действия форсунок (3), обеспечивающих первичное движение наноматериала и далее снова оказываются в зоне диспергации блока (4). Поскольку отдельные наночастицы имеют очень маленькую массу, вид газа (вязкость) температура, давление и скорость входа в циклонный сепаратор подбираются так, чтобы в восходящем потоке удерживались только самые легкие (одиночные) наночастицы.During this movement, nanomaterial particles (agglomerates, catalyst, foreign inclusions) having a greater mass than single nanoparticles are squeezed out by centrifugal force closer to the walls of the cyclone separator, and the separated single nanoparticles with a slowed down gas flow that has changed the direction of its movement move to the center of rotation and ascending flow are taken out into the vertical branch pipe (14). The aggregates and agglomerates through the lower branch pipe (15) again enter the space of the branch pipe (2) in front of the loading lock (1) into the zone of action of the nozzles (3), which ensure the primary movement of the nanomaterial, and then again find themselves in the dispersion zone of the block (4). Since the individual nanoparticles have a very small mass, the type of gas (viscosity), temperature, pressure, and velocity of entry into the cyclone separator are selected so that only the lightest (single) nanoparticles are retained in the upward flow.
Далее смесь газа и отдельных частиц через патрубок (14) циклонного сепаратора (13) попадает в реакционную зону блока (16), которая может быть организована несколькими способами:Further, the mixture of gas and individual particles through the nozzle (14) of the cyclone separator (13) enters the reaction zone of the block (16), which can be organized in several ways:
а) В канале реакционной зоны блока (16) расположена форсунка-распылитель (17) (см. Фиг. 3), направленная вдоль потока наночастиц, через специальный канал из нагреваемого резервуара (на Фиг. не показан). Расплав полимера под давлением, проходя через форсунку-распылитель, выходит в виде аэрозоли из полимерных микрокапель, на поверхность которых оседают отдельные частицы наноматериалов;a) In the channel of the reaction zone of the block (16) there is a spray nozzle (17) (see Fig. 3), directed along the flow of nanoparticles through a special channel from a heated reservoir (not shown in Fig.). The polymer melt under pressure, passing through the spray nozzle, exits in the form of an aerosol from polymer microdroplets, on the surface of which separate particles of nanomaterials settle;
б) Под каналом реакционной зоны в блоке (16) смонтирована открытая ванна (18) (см. Фиг. 4), либо закрытая ванна (35) с патрубком (36), выходящим в канал реакционной зоны (см. Фиг. 5), с размещенным внутри ванны ультразвуковым зондом (19). При прохождении потока наночастиц через канал реакционной зоны блока (16) они пролетают над ванной (18) с нагретым до температуры близкой к кипению полимером, при этом помещенный в ванну ультразвуковой зонд создает над ванной облако аэрозоли из полимерных микрокапель, на поверхность которых оседают отдельные частицы наноматериала;b) An open bath (18) (see Fig. 4) or a closed bath (35) with a branch pipe (36) leading into the reaction zone channel (see Fig. 5) is mounted under the reaction zone channel in block (16), with an ultrasonic probe placed inside the bath (19). When the flow of nanoparticles passes through the channel of the reaction zone of the block (16), they fly over the bath (18) with a polymer heated to a temperature close to boiling, while an ultrasonic probe placed in the bath creates an aerosol cloud of polymer microdroplets over the bath, on the surface of which separate particles settle nanomaterial;
в) Через специальную фильеру (20) (см. Фиг. 6), заведенную в канал реакционной зоны в блоке (16) подается адгезионный материал (например мононить, мультифиламентная нить, лента, волокно, полоса, ткань). Поверхность этих материалов должна иметь соответствующие адгезионные свойства для удержания оседающих на нее отдельных частиц наноматериалов. Устройство кроме фильеры имеет приемный порт (21) и протяжный механизм с размотчиками (22) и намотчиками (23), что обеспечивает постоянное перемещение адгезионного материала и регулируемое время его экспозиции в потоке наночастиц.c) Through a special spinneret (20) (see Fig. 6), brought into the channel of the reaction zone in block (16), an adhesive material is fed (for example, monofilament, multifilament yarn, tape, fiber, strip, fabric). The surface of these materials must have appropriate adhesive properties to hold individual particles of nanomaterials deposited on it. The device, in addition to the spinneret, has a receiving port (21) and a broaching mechanism with unwinders (22) and winders (23), which ensures the constant movement of the adhesive material and the adjustable time of its exposure to the flow of nanoparticles.
В вариантах а) и б) микрокапли, опудреные отдельными наночастицами, попадая в циклонный сепаратор (24), имея большую, чем отдельные наночастицы, массу, через нижний патрубок (25) попадают в накопительную емкость (26) и извлекаются в виде целевого продукта, а наночастицы, не успевшие закрепиться на поверхности микрокапель, восходящим потоком газа извлекаются из циклонного сепаратора через патрубок (28) и через байпас (29) снова поступают в реакционную зону блока (16).In options a) and b), microdroplets powdered with individual nanoparticles, entering the cyclone separator (24), having a mass greater than individual nanoparticles, through the lower pipe (25) enter the storage tank (26) and are extracted in the form of the target product, and the nanoparticles that did not have time to fix on the surface of the microdroplets are removed from the cyclone separator through the nozzle (28) by an ascending gas flow and again enter the reaction zone of the block (16) through the bypass (29).
При выполнении блока (16) согласно варианту в) наночастицы, не успевшие закрепиться на поверхности адгезионного материала, по аналогии с вариантами а) и б) извлекаются из циклонного сепаратора газовым потоком и через байпас (29) возвращаются в реакционную зону осаждения.When performing block (16) according to option c), the nanoparticles that have not had time to fix on the surface of the adhesive material, by analogy with options a) and b), are removed from the cyclone separator by a gas stream and returned through the bypass (29) to the precipitation reaction zone.
При этом необходимо отметить, что указанные примеры выполнения конструкций блока осаждения отдельных частиц наноматериала (16), блока диспергации (4) и циклонных сепараторов (13), (24) даны исключительно для пояснения настоящего изобретения и не имеют характера, ограничивающего объем патентных притязаний настоящего изобретения.At the same time, it should be noted that these examples of the construction of the unit for the deposition of individual particles of nanomaterial (16), the unit for dispersion (4) and cyclone separators (13), (24) are given solely to explain the present invention and do not have a nature that limits the scope of patent claims of the present inventions.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2023/050164 WO2024014991A1 (en) | 2022-07-09 | 2023-07-04 | Method for obtaining individual nanoparticles on the surface of a bonding substrate |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2788886C1 true RU2788886C1 (en) | 2023-01-25 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004043855A2 (en) * | 2002-11-12 | 2004-05-27 | Microcoating Technologies, Inc. | Process for producing carbonaceous materials |
| WO2007103256A2 (en) * | 2006-03-03 | 2007-09-13 | Battelle Memorial Institute | Method and apparatus for high mass concentration nano particle generation |
| US7981396B2 (en) * | 2003-12-03 | 2011-07-19 | Honda Motor Co., Ltd. | Methods for production of carbon nanostructures |
| RU2592306C2 (en) * | 2011-04-28 | 2016-07-20 | Экомин С.Р.Л. | Method and apparatus for particle separation |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004043855A2 (en) * | 2002-11-12 | 2004-05-27 | Microcoating Technologies, Inc. | Process for producing carbonaceous materials |
| US7981396B2 (en) * | 2003-12-03 | 2011-07-19 | Honda Motor Co., Ltd. | Methods for production of carbon nanostructures |
| WO2007103256A2 (en) * | 2006-03-03 | 2007-09-13 | Battelle Memorial Institute | Method and apparatus for high mass concentration nano particle generation |
| RU2592306C2 (en) * | 2011-04-28 | 2016-07-20 | Экомин С.Р.Л. | Method and apparatus for particle separation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3110626A (en) | Apparatus for coating discrete solid material | |
| DE3915641C2 (en) | Air classifier | |
| EP2872686B1 (en) | Tumble drier with a lint trap | |
| RU2788886C1 (en) | Method for producing dispersed single nanoparticles from nanoparticle hailes and entangled agglomerates on the binding base surface and installation for its implementation | |
| JPS6137989B2 (en) | ||
| WO2024014991A1 (en) | Method for obtaining individual nanoparticles on the surface of a bonding substrate | |
| KR100369932B1 (en) | Method and apparatus for drying solid material produced from liquid | |
| US6619484B1 (en) | Filter device | |
| US20050139523A1 (en) | Apparatus and method for air classification and drying of particulate matter | |
| FI72353B (en) | FOERFARANDE OCH ANORDNING FOER FRAMSTAELLNING AV CELLULOSAMASSA. | |
| JP6533522B2 (en) | Cyclone-type powder classifier | |
| DE1407950A1 (en) | Process for separating specifically heavier particles from flowing media | |
| WO2018100552A1 (en) | Manufacture of graphene materials using a cavitation reactor | |
| CA1085317A (en) | Centrifugal separator concentrator device and method | |
| JP2018134570A (en) | Pulverizer | |
| RU181994U1 (en) | Pipe hub | |
| US3870493A (en) | Apparatus for separating liquid from a liquid containing gas flow | |
| JPH10509219A (en) | Apparatus and method for screening fiber suspension and paper manufacturing method using the same | |
| KR100586302B1 (en) | Nano unit powder dry classifying apparatus and method | |
| JP2002363845A (en) | Three-dimensional structure and method for producing the same | |
| AU2020300137A1 (en) | Liquid phase ejection nozzle | |
| US11179870B1 (en) | Apparatus, methods, and systems for mixing and dispersing a dispersed phase in a medium | |
| WO2001050937A1 (en) | Device for the separation of particles from a fluid | |
| KR102129056B1 (en) | Powder Aerosol Generator | |
| TWI805400B (en) | Novel inertia impactor for nanoparticle classification |