WO2024014991A1 - Method for obtaining individual nanoparticles on the surface of a bonding substrate - Google Patents

Method for obtaining individual nanoparticles on the surface of a bonding substrate Download PDF

Info

Publication number
WO2024014991A1
WO2024014991A1 PCT/RU2023/050164 RU2023050164W WO2024014991A1 WO 2024014991 A1 WO2024014991 A1 WO 2024014991A1 RU 2023050164 W RU2023050164 W RU 2023050164W WO 2024014991 A1 WO2024014991 A1 WO 2024014991A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nanomaterial
particles
cyclone separator
nanoparticles
unit
Prior art date
Application number
PCT/RU2023/050164
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Алексей Николаевич ГОЛДАЕВ
Original Assignee
Алексей Николаевич ГОЛДАЕВ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2022118774A external-priority patent/RU2788886C1/en
Application filed by Алексей Николаевич ГОЛДАЕВ filed Critical Алексей Николаевич ГОЛДАЕВ
Publication of WO2024014991A1 publication Critical patent/WO2024014991A1/en

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D45/00—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces
    • B01D45/12—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/30—Mixing gases with solids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C19/00—Other disintegrating devices or methods
    • B02C19/06—Jet mills
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C19/00—Other disintegrating devices or methods
    • B02C19/18—Use of auxiliary physical effects, e.g. ultrasonics, irradiation, for disintegrating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C23/00—Auxiliary methods or auxiliary devices or accessories specially adapted for crushing or disintegrating not provided for in preceding groups or not specially adapted to apparatus covered by a single preceding group
    • B02C23/06—Selection or use of additives to aid disintegrating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C23/00—Auxiliary methods or auxiliary devices or accessories specially adapted for crushing or disintegrating not provided for in preceding groups or not specially adapted to apparatus covered by a single preceding group
    • B02C23/08—Separating or sorting of material, associated with crushing or disintegrating
    • B02C23/10—Separating or sorting of material, associated with crushing or disintegrating with separator arranged in discharge path of crushing or disintegrating zone
    • B02C23/12—Separating or sorting of material, associated with crushing or disintegrating with separator arranged in discharge path of crushing or disintegrating zone with return of oversize material to crushing or disintegrating zone
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C23/00—Auxiliary methods or auxiliary devices or accessories specially adapted for crushing or disintegrating not provided for in preceding groups or not specially adapted to apparatus covered by a single preceding group
    • B02C23/08—Separating or sorting of material, associated with crushing or disintegrating
    • B02C23/14—Separating or sorting of material, associated with crushing or disintegrating with more than one separator
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/152—Fullerenes
    • C01B32/154—Preparation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/16—Preparation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/184—Preparation

Definitions

  • 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.
  • a prerequisite for the creation of the invention is the need to obtain uniformly distributed single (primary) nanoparticles, for the purpose of subsequent fixation on the surface of a binding layer, for example, polymer particles (microdroplets of wax, or another polymer, or another substance or composite, applicable for the deposition of nano-sized particles on its surface) or surfaces of tapes, threads, fibers, fabrics and other forms.
  • a binding layer for example, polymer particles (microdroplets of wax, or another polymer, or another substance or composite, applicable for the deposition of nano-sized particles on its surface) or surfaces of tapes, threads, fibers, fabrics and other forms.
  • the main problem in obtaining such single nanoparticles is the tendency of dispersed nano-sized structures to reconnect with each other and enlarge (aggregation and agglomeration). If these nanostructures are not fixed in time and conditions for their preservation in a separated state are not created, the quality of the target product is significantly reduced.
  • a method for dispersing carbon nanomaterial comprising introducing a flow of bulk particles in a first inert gas into the evaporation chamber, maintaining the evaporation chamber at a temperature sufficient to evaporate the bulk particles, introducing evaporated particles from the evaporation chamber into a rarefaction chamber, introducing a flow of a second inert gas into the rarefaction chamber through a rarefaction hole in the rarefaction chamber, sufficient to eject the 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 the larger particles remaining in the vacuum chamber (aggregates and agglomerates) are pumped out by a pump.
  • 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 selected single particles in a separated state, which leads to their further enlargement and agglomeration, the high probability of larger particles passing through the outlet of the chamber, as well as the need to re-introduce dispersion system for large particles pumped out by a pump.
  • 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 for the purpose of reintroduction into the system, which significantly complicates the entire technological process. There is also no provision for further preservation of selected single particles in a separated state, which leads to their further enlargement and agglomeration. In this case, making the entire lateral inner surface of the cyclone separator cone-shaped does not provide effective separation of nanomaterial at the outlet, since there is a possibility of pushing both small and larger particles of nanomaterial into the hole of the vertical pipe.
  • the documents WO 2004043855 (A2) and CA 2983470 (A1) disclose methods for producing a nanomaterial with the fixation of carbon nanoparticles on the surface of a binder polymer, by depositing carbon nanoparticles on the surface with aerosol droplets from a melt of the polymer, after which microdroplets of the polymer, powdered with carbon nanoparticles, solidify and are selected as a finished fraction, in particular by sedimentation at the bottom of a cyclone (according to patent CA 2983470 (A1)).
  • the proposed 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 through the use of a closed cycle for separating single nanoparticles, eliminating the formation of waste in the form of agglomerated and aggregated particles , and at the same time improve the quality of the target product through cyclic action on the nanomaterial at the stages of dispersion and further formation of finished nanostructures by fixing dispersed particles on the surface of the binder material in order to prevent their re-agglomeration.
  • the problem is solved by proposing a method for producing single nanoparticles dispersed from bundles and entangled agglomerates of nanoparticles on the surface of the binder base, which includes supplying bulk nanomaterial to a nanoparticle dispersion unit in a compressed gas flow, ensuring the primary movement of the nanomaterial through the first bypass, passing 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 said dispersion unit to repeat the dispersion cycle and subsequent separation of single nanoparticles from the remaining aggregated ones and agglomerated, selection of dispersed single nanoparticles separated by an ascending gas flow from the first cyclone separator into the central channel of the block forming the reaction zone for deposition of individual particles of nanomaterial on the surface of the binder base, supply of the formed composite material to the second
  • the dispersion unit at the entrance of the dispersion unit to the bulk nanomaterial, it can be provided for at least sequential exposure of the re-introduced cascade of flat-slit nozzles to a compressed gas flow in the direction codirected with the primary flow movement, further passage of the resulting dispersion through the Laval nozzle with subsequent exposure to ultrasonic vibrations. , and at the exit from the dispersion unit - by a re-introduced cascade of flat-slot nozzles with a flow of compressed gas in the direction co-directed with the primary flow movement.
  • Separation of the formed composite material from individual particles selected by an ascending gas flow that have not had time to attach to the surface of the binder base can be carried out due to the effect of gravitational and centrifugal forces on individual particles and the composite material.
  • the problem is also solved by an installation that implements the above method, consisting of interconnected recirculation circuits, the first of which includes: a pipe for supplying bulk nanomaterial in a compressed gas flow through a bypass into 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 particles of nanomaterial, while at the base of the lower conical part, the first cyclone separator is connected to the supply pipe of bulk nanomaterial for the passage of aggregated and agglomerated particles deposited in the cyclone separator Due to the effect of gravitational and centrifugal forces on nanomaterial particles, the second recirculation circuit includes: a unit for deposition of individual particles of nanomaterial onto a binder base, connected by the inlet part to the vertical outlet pipe of the first cyclone separator, for supplying individual particles dispersed therein separated into the reaction zone formed a central channel
  • the dispersion unit may include sequentially installed at least an inlet pipe with a cascade of flat-slit injectors for compressed gas, a Laval nozzle, an ultrasonic emitter, and an outlet pipe with a cascade of flat-slit injectors for compressed gas.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of a plant for producing single dispersed nanoparticles according to a preferred embodiment
  • FIG. 2 is a schematic representation of a first cyclone separator;
  • FIG. 3 schematic representation of a block for forming a composite material according to option a);
  • FIG. 4 schematic representation of the block for forming a composite material according to the first alternative option b);
  • FIG. 5 schematic representation of a block for forming a composite material according to the second alternative option b);
  • FIG. 6 schematic representation of a block for forming a composite material according to option c);
  • FIG. 8 micrograph of agglomerated nanoparticles using single-walled nanotubes as an example.
  • the proposed method can be implemented in an installation for dispersing nanoparticles, shown in Fig. 1.
  • the installation consists of two interconnected recirculation circuits.
  • the first recirculation circuit consists of a loading gate (1) installed on the pipe (2) with flat-slot nozzles (3), a nanomaterial particle dispersion unit (4) connected by a bypass to the pipe (2), as well as the first cyclone separator (13) connected to the upper cylindrical part (33) with a block (4), and at the base of the lower conical part (34) - with a pipe (2).
  • Block (4) in the preferred embodiment is a complex of the following sequential devices for deagglomeration of nanomaterial particles: inlet pipe (7) with a cascade of flat-slit nozzles (6), Laval nozzle (convergent-divergent nozzle) (8) with nozzle (30), ultrasonic emitter (9), output pipe (10) with a cascade of flat-slot nozzles (11), connected to the inlet pipe (12) located in the cylindrical part (33) of the cyclone separator (13) (Fig. 2).
  • the second recirculation circuit consists of a unit for separating individual particles of nanomaterial (16), connected by the inlet part to the vertical outlet pipe (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 a bypass (29) .
  • the cyclone separator (24) is similar in design to the cyclone separator (13), has at the base a storage tank (26) 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 - to the vertical outlet pipe (28) of the cyclone separator (24).
  • the method for producing dispersed single nanoparticles according to FIG. 1 is carried out as follows.
  • a portion of bulk nanomaterial is metered or automatically fed into the nozzle (2), in which one or more nozzles (3) are located, directed along the axis of the nozzle towards the block (4).
  • pulses of compressed air move the nanomaterial and feed it through the bypass (5) into the primary dispersion zone of the block (4), at the entrance of which several flat-slit nozzles (6) are located opposite each other, directed at an angle to the axis of the nozzle (7) in the side aligned with the movement of the flow through which the compressed gas is supplied.
  • a high degree of turbulence occurs at the line of flow convergence, which activates primary dispersion.
  • the number of pairs of injectors (6) can be several and form a cascade.
  • 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 exit from the nozzle, passes through the cavitation zone, where the dispersion process intensifies. This is where the ultrasonic emitter (9), the ultrasonic effect of which gives the nanoparticles additional mobility.
  • the gas flow passes through a pipe (10) with a cascade of flat-slit nozzles (11), where the nanomaterial is exposed to maximum impact from aggregated particles, for example, bundles of single-walled nanotubes (Fig.
  • nanomaterial particles agglomerates, catalyst, foreign inclusions
  • a slowed gas flow that has changed the direction of their movement move to the center of rotation and in an upward flow are carried out into a vertical pipe (14).
  • Aggregates and agglomerates through the lower pipe (15) again enter the space of the pipe (2) in front of the loading gate (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).
  • the type of gas (viscosity), temperature, pressure and entry speed into the cyclone separator are selected so that only the lightest (single) nanoparticles are retained in the upward flow.
  • the mixture of gas and individual particles through the pipe (14) of the cyclone separator (13) enters the reaction zone of the block (16), which can be organized in several ways: a) A spray nozzle is located in the channel of the reaction zone of the block (16)
  • the device has a receiving port (21) and a drawing mechanism with unwinders (22) and winders (23), which ensures constant movement of the adhesive material and adjustable exposure time in the flow of nanoparticles.
  • nanoparticles that have not had time to attach to the surface of the adhesive material are, by analogy with options a) and b), removed from the cyclone separator by a gas flow and returned through the bypass (29) to the deposition reaction zone.

Abstract

The invention relates to the field of nanotechnology and can be used for producing monodispersed nanostructures. A loose nanomaterial is fed into a dispersion unit 4 for dispersing nanoparticles in a stream of compressed gas that provides for a first movement of the nanomaterial through a bypass 5. The resulting dispersion is sent to a first cyclone separator 13, where, under the effect of gravitational and centrifugal forces, dispersed individual particles are separated from the remaining aggregated and agglomerated particles by an ascending gas flow, said aggregated and agglomerated particles being deposited and returned to the dispersion unit 4. The dispersed individual nanoparticles are used to form a composite material in a deposition unit 16 by being fed into a central channel 31 of a reaction zone in order to be deposited onto the surface of a bonding substrate. In a second cyclone separator 24, the formed composite material is separated from the remaining individual nanoparticles, which are removed by an ascending gas flow and returned to the reaction zone of the deposition unit 16. The composite material is extracted via a bottom pipe 25 and a storage tank 26. The result is that of simplifying the technical process by using a closed cycle and preventing re-agglomeration of the nanoparticles.

Description

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОДИНОЧНЫХ НАНОЧАСТИЦ НА ПОВЕРХНОСТИ СВЯЗЮУЩЕЙ ОСНОВЫ METHOD FOR OBTAINING SINGLE NANOPARTICLES ON THE SURFACE OF THE BINDING BASE
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. A prerequisite for the creation of the invention is the need to obtain uniformly distributed single (primary) nanoparticles, for the purpose of subsequent fixation on the surface of a binding layer, for example, polymer particles (microdroplets of wax, or another polymer, or another substance or composite, applicable for the deposition of nano-sized particles on its surface) or surfaces of tapes, threads, fibers, fabrics and other forms. In this case, the main problem in obtaining such single nanoparticles is the tendency of dispersed nano-sized structures to reconnect with each other and enlarge (aggregation and agglomeration). If these nanostructures are not fixed in time and conditions for their preservation in a separated state are not created, the quality of the target product is significantly reduced. Thus, during the entire technological process of forming fractions of homogeneous sizes or single dispersed nanoparticles, it is necessary to carry out controlled manipulation of individual nanoparticles in order to prevent their re-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 nanomaterials in order to obtain single nanoparticles.
Например, из материалов опубликованной международной заявки PCT 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 for dispersing carbon nanomaterial is known, comprising introducing a flow of bulk particles in a first inert gas into the evaporation chamber, maintaining the evaporation chamber at a temperature sufficient to evaporate the bulk particles, introducing evaporated particles from the evaporation chamber into a rarefaction chamber, introducing a flow of a second inert gas into the rarefaction chamber through a rarefaction hole in the rarefaction chamber, sufficient to eject the 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 the larger particles remaining in the vacuum chamber (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 selected single particles in a separated state, which leads to their further enlargement and agglomeration, the high probability of larger particles passing through the outlet of the chamber, as well as the need to re-introduce dispersion system for large particles pumped out by a 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. 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. From patent GB 2473048 (A) a method for separating carbon nanomaterial is known, including supplying dispersed bulk nanomaterial in a gas stream into a cyclone cone-shaped separator in the area of its upper part, dividing the nanomaterial into smaller particles (single) and larger particles (aggregates and agglomerates) and due to the influence of gravity and centrifugal forces on them, larger particles are deposited in the form of sediment on the cone-shaped inner surface of the separator and smaller particles are fed through the opening of the vertical pipe into the device for forming finished fractions. 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 for the purpose of reintroduction into the system, which significantly complicates the entire technological process. There is also no provision for further preservation of selected single particles in a separated state, which leads to their further enlargement and agglomeration. In this case, making the entire lateral inner surface of the cyclone separator cone-shaped does not provide effective separation of nanomaterial at the outlet, since there is a possibility of pushing both small and larger particles of nanomaterial into the hole of the vertical pipe.
В документах WO 2004043855 (А2) и С А 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)). The documents WO 2004043855 (A2) and CA 2983470 (A1) disclose methods for producing a nanomaterial with the fixation of carbon nanoparticles on the surface of a binder polymer, by depositing carbon nanoparticles on the surface with aerosol droplets from a melt of the polymer, after which microdroplets of the polymer, powdered with carbon nanoparticles, solidify and are selected as a finished fraction, in particular by sedimentation at the bottom of a 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. 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 technical solutions known from these documents do not disclose specific methods for preliminary deagglomeration and disaggregation of nanoparticles deposited on microdroplets of the binding polymer. Moreover, according to the materials of these documents, these methods provide for the presence of aggregations or agglomerations of carbon nanoparticles on the surface of the polymer, and therefore, it is advisable to conclude that there is no integrated approach to ensure the production of a surface layer of material with single nanoparticles deposited on it. The proposed 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 through the use of a closed cycle for separating single nanoparticles, eliminating the formation of waste in the form of agglomerated and aggregated particles , and at the same time improve the quality of the target product through cyclic action on the nanomaterial at the stages of dispersion and further formation of finished nanostructures by fixing 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 proposing a method for producing single nanoparticles dispersed from bundles and entangled agglomerates of nanoparticles on the surface of the binder base, which includes supplying bulk nanomaterial to a nanoparticle dispersion unit in a compressed gas flow, ensuring the primary movement of the nanomaterial through the first bypass, passing 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 said dispersion unit to repeat the dispersion cycle and subsequent separation of single nanoparticles from the remaining aggregated ones and agglomerated, selection of dispersed single nanoparticles separated by an ascending gas flow from the first cyclone separator into the central channel of the block forming the reaction zone for deposition of individual particles of nanomaterial on the surface of the binder base, supply of the formed composite material to the second cyclone separator, separation of the formed composite material from those selected by the ascending gas flow of individual particles that did not have time to attach to the surface of the binder base, with their further transfer back to the reaction zone of the deposition unit to repeat the cycle of deposition of individual particles of nanomaterial on the surface of the binder base, extraction of the target product through the lower 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, сонаправ ленную 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, сонаправ ленную первичному движению потока. In this case, at the entrance of the dispersion unit to the bulk nanomaterial, it can be provided for at least sequential exposure of the re-introduced cascade of flat-slit nozzles to a compressed gas flow in the direction codirected with the primary flow movement, further passage of the resulting dispersion through the Laval nozzle with subsequent exposure to ultrasonic vibrations. , and at the exit from the dispersion unit - by a re-introduced cascade of flat-slot nozzles with a flow of compressed gas in the direction co-directed with 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. Separation of the formed composite material from individual particles selected by an ascending gas flow that have not had time to attach to the surface of the binder base can be carried out due to the effect of gravitational and centrifugal forces on individual particles and the composite material.
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 an installation that implements the above method, consisting of interconnected recirculation circuits, the first of which includes: a pipe for supplying bulk nanomaterial in a compressed gas flow through a bypass into 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 particles of nanomaterial, while at the base of the lower conical part, the first cyclone separator is connected to the supply pipe of bulk nanomaterial for the passage of aggregated and agglomerated particles deposited in the cyclone separator Due to the effect of gravitational and centrifugal forces on nanomaterial particles, the second recirculation circuit includes: a unit for deposition of individual particles of nanomaterial onto a binder base, connected by the inlet part to the vertical outlet pipe of the first cyclone separator, for supplying individual particles dispersed therein separated into the reaction zone formed a central channel, for the formation of a composite material, and a second cyclone separator, connected in the area of the cylindrical part by an inlet pipe to the outlet part of the sedimentation block, for separating, by gravity and centrifugal forces, the composite material formed in the block from individual particles taken by the ascending gas flow that did not have time to attach to surface of the binder base, while the second cyclone separator is equipped with a bypass connected on one side to the inlet part of the deposition unit for supplying individual particles taken by the ascending gas flow and not having time to attach to the surface of the binder base into the reaction zone of the latter, and on the other - to the vertical outlet a pipe for the influence of gravity and centrifugal forces on the composite material formed in the deposition block, as well as a lower pipe and a storage tank for extracting the target 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 sequentially installed at least an inlet pipe with a cascade of flat-slit injectors for compressed gas, a Laval nozzle, an ultrasonic emitter, and an outlet pipe with a cascade of flat-slit injectors for compressed gas.
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 is a schematic illustration of a plant for producing single dispersed nanoparticles according to a preferred embodiment;
- На Фиг. 2 - схематическое изображение первого циклонного сепаратора; На Фиг. 3 - схематическое изображение блока формирования композиционного материала согласно варианту а); - In Fig. 2 is a schematic representation of a first cyclone separator; In FIG. 3 - schematic representation of a 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 - schematic representation of the block for forming a composite material according to the first alternative option b);
На Фиг. 5 - схематическое изображение блока формирования композиционного материала согласно второму альтернативному варианту б); In FIG. 5 - schematic representation of a block for forming a composite material according to the second alternative option b);
На Фиг. 6 - схематическое изображение блока формирования композиционного материала согласно варианту в); In FIG. 6 - schematic representation of a 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 using single-walled nanotubes as an example
- На Фиг. 8 - микрофотография агломерированных наночастиц на примере одностенных нанотрубок. - In Fig. 8 - 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 an installation for dispersing nanoparticles, shown in Fig. 1. The installation consists of two interconnected recirculation circuits. The first recirculation circuit consists of a loading gate (1) installed on the pipe (2) with flat-slot nozzles (3), a nanomaterial particle dispersion unit (4) connected by a bypass to the pipe (2), as well as the first cyclone separator (13) connected to the upper cylindrical part (33) with a block (4), and at the base of the lower conical part (34) - with a pipe (2). Block (4) in the preferred embodiment is a complex of the following sequential devices for deagglomeration of nanomaterial particles: inlet pipe (7) with a cascade of flat-slit nozzles (6), Laval nozzle (convergent-divergent nozzle) (8) with nozzle (30), ultrasonic emitter (9), output pipe (10) with a cascade of flat-slot nozzles (11), connected to the inlet pipe (12) located in the cylindrical part (33) of the cyclone separator (13) (Fig. 2). The second recirculation circuit consists of a unit for separating individual particles of nanomaterial (16), connected by the inlet part to the vertical outlet pipe (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 a bypass (29) . The cyclone separator (24) is similar in design to the cyclone separator (13), has at the base a storage tank (26) 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 - 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 sluice (1), a portion of bulk nanomaterial is metered or automatically fed 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, pulses of compressed air move the nanomaterial and feed it through the bypass (5) into the primary dispersion zone of the block (4), at the entrance of which several flat-slit nozzles (6) are located opposite each other, directed at an angle to the axis of the nozzle (7) in the side aligned with the movement of the flow through which the compressed gas is supplied. As a result, a high degree of turbulence occurs at the line of flow convergence, which activates primary dispersion. Moreover, the number of pairs of injectors (6) can be several and form a cascade. Next, 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 exit from the nozzle, passes through the cavitation zone, where the dispersion process intensifies. This is where the ultrasonic emitter (9), the ultrasonic effect of which gives the nanoparticles additional mobility. Next, the gas flow passes through a pipe (10) with a cascade of flat-slit nozzles (11), where the nanomaterial is exposed to 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 particle sizes 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. Next, 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 lowering, moves 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. Далее смесь газа и отдельных частиц через патрубок (14) циклонного сепаратора (13) попадает в реакционную зону блока (16), которая может быть организована несколькими способами: а) В канале реакционной зоны блока (16) расположена форсунка-распылительDuring this movement, nanomaterial particles (agglomerates, catalyst, foreign inclusions) having a greater mass than single nanoparticles are squeezed out closer to the walls of the cyclone separator by centrifugal force, and separated single nanoparticles with a slowed gas flow that has changed the direction of their movement move to the center of rotation and in an upward flow are carried out into a vertical pipe (14). Aggregates and agglomerates through the lower pipe (15) again enter the space of the pipe (2) in front of the loading gate (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 individual nanoparticles have a very small mass, the type of gas (viscosity), temperature, pressure and entry speed into the cyclone separator are selected so that only the lightest (single) nanoparticles are retained in the upward flow. Next, the mixture of gas and individual particles through the pipe (14) of the cyclone separator (13) enters the reaction zone of the block (16), which can be organized in several ways: a) A spray nozzle is located in the channel of the reaction zone of the block (16)
(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; б) Под каналом реакционной зоны в блоке (16) смонтирована открытая ванна(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 a spray nozzle, comes out in the form of an aerosol of polymer microdroplets, onto the surface of which individual particles of nanomaterials settle; b) An open bath is mounted under the reaction zone channel in block (16)
(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; 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. (18) (see Fig. 4), or a closed bath (35) with a pipe (36) leading into the channel of the reaction zone (see Fig. 5), with an ultrasonic probe (19) placed inside the bath. When a flow of nanoparticles passes through the channel of the reaction zone of the block (16), they fly over the bath (18) with the polymer heated to a temperature close to boiling, while an ultrasonic probe placed in the bath creates an aerosol cloud of polymer microdroplets above the bath, on the surface of which individual particles settle nanomaterial; c) Through a special spinneret (20) (see Fig. 6), inserted into the channel of the reaction zone in the block (16), adhesive material (for example, monofilament, multifilament thread, tape, fiber, strip, fabric) is supplied. The surface of these materials must have appropriate adhesive properties to retain individual particles of nanomaterials deposited on it. In addition to the die, the device has a receiving port (21) and a drawing mechanism with unwinders (22) and winders (23), which ensures constant movement of the adhesive material and adjustable exposure time in 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 more than individual nanoparticles, mass, through the lower pipe (25) enters the storage tank (26) and is extracted in the form of the target product, and nanoparticles that do not have time to attach to the surface of the microdrops are extracted from the cyclone separator by an ascending gas flow through the pipe (28) and through the bypass (29) again enter the reaction zone of the block (16).
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), nanoparticles that have not had time to attach to the surface of the adhesive material are, by analogy with options a) and b), removed from the cyclone separator by a gas flow and returned through the bypass (29) to the deposition 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. It should be noted that these examples of designs for the sedimentation unit of individual nanomaterial particles (16), the dispersion unit (4) and the cyclone separators (13), (24) are given solely to illustrate the present invention and do not have a nature limiting the scope of the patent claims of the present inventions.

Claims

Формула изобретения Claim
1. Способ получения на поверхности связующей основы одиночных наночастиц, диспергированных из жгутов и спутанных агломератов наночастиц, включающий подачу сыпучего наноматериала в блок диспергации 4 наночастиц в потоке сжатого газа, обеспечивающего первичное движение наноматериала через байпас 5, прохождение полученной дисперсии в первый циклонный сепаратор 13 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 4 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 13 в образующий реакционную зону центральный канал 31 блока осаждения 16 отдельных частиц наноматериала на поверхности связующей основы, подачу сформированного композитного материала во второй циклонный сепаратор 24, 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 16 для повторения цикла осаждения отдельных частиц наноматериала на поверхности связующей основы, извлечение целевого продукта через нижний патрубок 25 и накопительную емкость 26 второго циклонного сепаратора 24. 1. A method for producing single nanoparticles dispersed from bundles and entangled agglomerates of nanoparticles on the surface of a binder base, including supplying bulk nanomaterial to a nanoparticle dispersion unit 4 in a compressed gas flow, ensuring the primary movement of the nanomaterial through bypass 5, passing the resulting dispersion into the first cyclone separator 13 for separation of dispersed single particles from the remaining aggregated and agglomerated ones due to the effect of gravity and centrifugal forces on the nanomaterial particles, sedimentation of aggregated and agglomerated particles with their subsequent transfer back to the mentioned dispersion unit 4 to repeat the dispersion cycle and subsequent separation of single nanoparticles from the remaining aggregated and agglomerated ones , selection of dispersed single nanoparticles separated by an ascending gas flow from the first cyclone separator 13 into the central channel 31 of the deposition unit forming the reaction zone of 16 individual particles of nanomaterial on the surface of the binder base, supply of the formed composite material to the second cyclone separator 24, separation of the formed composite material from those selected by the ascending gas a flow of individual particles that did not have time to attach to the surface of the binder base, with their further transfer back to the reaction zone of the deposition unit 16 to repeat the cycle of deposition of individual particles of nanomaterial on the surface of the binder base, extraction of the target product through the lower pipe 25 and the storage tank 26 of the second cyclone separator 24 .
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на входе блока диспергации 4 на сыпучий наноматериал предусматривают, по крайней мере, последовательное воздействие повторно введенным каскадом плоскощелевых форсунок 6 потоком сжатого газа в сторону, сонаправленную первичному движению потока, дальнейшее прохождение полученной дисперсии через сопло Лаваля 8 с последующим воздействием на нее ультразвуковыми колебаниями 9, и на выходе из блока диспергации 4 - повторно введенным каскадом плоскощелевых форсунок 11 потоком сжатого газа в сторону, сонаправленную первичному движению потока. 2. The method according to claim 1, characterized in that at the inlet of the dispersion unit 4 the bulk nanomaterial is subject to at least sequential exposure to a re-introduced cascade of flat-slit nozzles 6 by the flow compressed gas in the direction co-directed with the primary movement of the flow, further passage of the resulting dispersion through the Laval nozzle 8 with subsequent exposure to ultrasonic vibrations 9, and at the exit from the dispersion unit 4 - a re-introduced cascade of flat-slit nozzles 11 with a flow of compressed gas in the direction co-directed with the primary movement flow.
3. Способ по и. 1 или 2, отличающийся тем, что отделение сформированного композитного материала от отбираемых восходящим газовым потоком отдельных частиц, не успевших закрепиться на поверхности связующей основы, осуществляют за счет воздействия на отдельные частицы и композитный материал сил гравитации и центробежных сил. 3. Method according to and. 1 or 2, characterized in that the separation of the formed composite material from individual particles selected by an ascending gas flow that have not had time to attach to the surface of the binder base is carried out due to the effect of gravitational and centrifugal forces on the individual particles and the composite material.
4. Установка, реализующая способ по и. 1, состоящая из связанных между собой рециркуляционных контуров, первый из которых включает: патрубок 2 подачи сыпучего наноматериала в потоке сжатого газа через байпас 5 в блок диспергации 4 наночастиц, выходной патрубок 10 которого соединен с вводным патрубком 12 первого циклонного сепаратора 13, 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 13 соединен с патрубком 2 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 16 отдельных частиц наноматериала на связующую основу, соединенный входной частью с вертикальным выходным патрубком 14 первого циклонного сепаратора 13, для подачи отделенных в нем диспергированных отдельных частиц в реакционную зону, образованную центральным каналом 31, для формирования композитного материала, и второй циклонный сепаратор 24, соединенный в области цилиндрической части вводным патрубком 32 с выходной частью блока осаждения 16, для отделения путем гравитации и центробежных сил сформированного в блоке 16 композитного материала от отбираемых восходящим газовым потоком отдельных частиц, не успевших закрепиться на поверхности связующей основы, при этом второй циклонный сепаратор снабжен байпасом 29, соединенным с одной стороны с входной частью блока осаждения 16 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 28 для воздействия гравитации и центробежных сил на сформированный в блоке осаждения композитный материал, а также нижним патрубком и накопительной емкостью для извлечения целевого продукта. 4. Installation that implements the method by and. 1, consisting of interconnected recirculation circuits, the first of which includes: pipe 2 for supplying bulk nanomaterial in a compressed gas flow through bypass 5 into a nanoparticle dispersion unit 4, the outlet pipe 10 of which is connected to the inlet pipe 12 of the first cyclone separator 13, located in its the upper cylindrical part, for the passage of the resulting dispersion of single aggregated and agglomerated particles of nanomaterial, while at the base of the lower conical part, the first cyclone separator 13 is connected to the pipe 2 for supplying bulk nanomaterial for the passage of aggregated and agglomerated particles deposited in the cyclone separator due to the impact on the nanomaterial particles forces of gravity and centrifugal forces, the second recirculation circuit includes: a unit for deposition of 16 individual particles of nanomaterial onto a binder base, connected by the inlet part to the vertical outlet pipe 14 of the first cyclone separator 13, for supplying individual particles dispersed therein separated into the reaction zone formed by the central channel 31 , for forming the composite material, and a second cyclone separator 24 connected in the area the cylindrical part by the inlet pipe 32 with the outlet part of the sedimentation unit 16, for separating, by gravity and centrifugal forces, the composite material formed in the block 16 from individual particles taken by the ascending gas flow that did not have time to attach to the surface of the binder base, while the second cyclone separator is equipped with a bypass 29, connected on one side to the inlet part of the deposition unit 16 for feeding into the reaction zone of the latter individual particles taken by the ascending gas flow and not having time to attach to the surface of the binder base, and on the other - to the vertical outlet pipe 28 for the influence of gravity and centrifugal forces on the formed in a composite deposition block, as well as a lower pipe and a storage tank for extracting the target product.
5. Установка по п. 4, отличающаяся тем, что блок диспергации 4 включает последовательно установленные, по меньшей мере, входной патрубок 7 с каскадом плоскощелевых форсунок 6 для сжатого газа, сопло Лаваля 8, ультразвуковой излучатель 9, выходной патрубок 10 с каскадом плоскощелевых форсунок 11 для сжатого газа. 5. Installation according to claim 4, characterized in that the dispersion unit 4 includes sequentially installed at least an inlet pipe 7 with a cascade of flat-slot nozzles 6 for compressed gas, a Laval nozzle 8, an ultrasonic emitter 9, an outlet pipe 10 with a cascade of flat-slot nozzles 11 for compressed gas.
6. Установка по п. 4, отличающаяся тем, что в центральном канале 31 реакционной зоны блока 16 осаждения отдельных частиц наноматериала размещена форсунка-распылитель 17 расплава полимера основы, направленная вдоль потока наночастиц. 6. The installation according to claim 4, characterized in that in the central channel 31 of the reaction zone of the unit 16 for deposition of individual nanomaterial particles there is a spray nozzle 17 of the base polymer melt directed along the flow of nanoparticles.
7. Установка по п. 4, отличающаяся тем, что под центральным каналом 31 реакционной зоны блока осаждения 16 отдельных частиц наноматериала установлена открытая ванна 18 или закрытая ванна 35 с патрубком 36, выходящим в центральный канал 31 реакционной зоны, с нагретым до температуры, близкой к кипению, полимером, с размещением внутри каждой из ванн ультразвукового зонда 19. 7. Installation according to claim 4, characterized in that under the central channel 31 of the reaction zone of the deposition unit of 16 individual particles of nanomaterial there is an open bath 18 or a closed bath 35 with a pipe 36 opening into the central channel 31 of the reaction zone, heated to a temperature close to to boiling, polymer, with an ultrasonic probe 19 placed inside each of the baths.
14 14
8. Установка по п. 4, отличающаяся тем, что в центральный канал 31 реакционной зоны блока 16 осаждения отдельных частиц наноматериала заведена фильера 20 для подачи материала, представляющего собой мононить, мультифиламентную нить, ленту, волокно, полосу, ткань, а также приемный порт 21 и протяжный механизм с размотчиками 22 и намотчиками 23 для перемещения указанного материала. 8. The installation according to claim 4, characterized in that a spinneret 20 is inserted into the central channel 31 of the reaction zone of the unit 16 for deposition of individual particles of nanomaterial for supplying material, which is a monofilament thread, a multifilament thread, a tape, a fiber, a strip, a fabric, as well as a receiving port 21 and a drawing mechanism with unwinders 22 and winders 23 for moving the specified material.
15 15
PCT/RU2023/050164 2022-07-09 2023-07-04 Method for obtaining individual nanoparticles on the surface of a bonding substrate WO2024014991A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2022118774A RU2788886C1 (en) 2022-07-09 Method for producing dispersed single nanoparticles from nanoparticle hailes and entangled agglomerates on the binding base surface and installation for its implementation
RU2022118774 2022-07-09

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024014991A1 true WO2024014991A1 (en) 2024-01-18

Family

ID=89537177

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2023/050164 WO2024014991A1 (en) 2022-07-09 2023-07-04 Method for obtaining individual nanoparticles on the surface of a bonding substrate

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2024014991A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004043855A2 (en) * 2002-11-12 2004-05-27 Microcoating Technologies, Inc. Process for producing carbonaceous materials
US20050123467A1 (en) * 2003-12-03 2005-06-09 Avetik Harutyunyan Systems and 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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004043855A2 (en) * 2002-11-12 2004-05-27 Microcoating Technologies, Inc. Process for producing carbonaceous materials
US20050123467A1 (en) * 2003-12-03 2005-06-09 Avetik Harutyunyan Systems and 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
CN103201050B (en) Powder classification device
JP2002508259A (en) Method and device for manufacturing components for microfabrication
JP6193356B2 (en) Spiral jet mill equipment for atomizing powder materials or materials containing general particles, including a new system for feeding and supplying powder materials to be atomized, and corresponding processes for atomizing powder products
RU2322270C2 (en) Device composing powder air cutter
US20220410115A1 (en) Systems and methods for dispersion of dry powders
RU2788886C1 (en) Method for producing dispersed single nanoparticles from nanoparticle hailes and entangled agglomerates on the binding base surface and installation for its implementation
WO2024014991A1 (en) Method for obtaining individual nanoparticles on the surface of a bonding substrate
CN107012516B (en) One kind can more materials automatically in real time mix electrospinning direct-writing device
CN101422778A (en) Ultrafine dust accurate sizing method and device using ultrasonic radiation force
US20160151806A1 (en) Powder classifying apparatus
US9266078B2 (en) Cloud mixer of minimizing agglomeration of particulates
US20050139523A1 (en) Apparatus and method for air classification and drying of particulate matter
JP6533522B2 (en) Cyclone-type powder classifier
JP2018134570A (en) Pulverizer
JP6283021B2 (en) Powder classification device and powder classification system
RU181994U1 (en) Pipe hub
CN107557884B (en) Air-flow bubble jet prepares the device of nano particle
TW473402B (en) Cone separator and method for separating bulk material which is pourable to a limited extent or which is non-pourable
JP2003190838A (en) Cyclone type fine powder catcher
KR100586302B1 (en) Nano unit powder dry classifying apparatus and method
US11179870B1 (en) Apparatus, methods, and systems for mixing and dispersing a dispersed phase in a medium
KR102129056B1 (en) Powder Aerosol Generator
CN208055512U (en) Film spinning equipment
TWI805400B (en) Novel inertia impactor for nanoparticle classification

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23840054

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1