Разработка технологии и оборудования для промышленного производства наноструктурных углеродных материалов

• Автор: Ткачев, Алексей Григорьевич
• Шифр специальности: 05.17.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Тамбов
• Количество страниц: 374 с. : ил. + Прил. (159 с.: ил.)

ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ ПАНОМАТЕРИАЛОВ УНМ

1.1 Строение фуллереноподобных наноструктур

1.2 Способы получения УНМ

1.3 Механизм синтеза углеродных наноструктур

1.4 Аппаратура для синтеза углеродных наноструктур ГФХО.

1.5 Потенциальные и реальные области применения углеродных наиотру

1.6 Постановка задач исследований

Глава 2. КОМПЛЕКСНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА УНМ И ИХ СВОЙСТВА

2.1 Определение состава и методов получения катализаторов.

2.1.1 Термический метод
2.1.2 Синтез катализатора в аппарате пульсирующего горения .
2.1.3 Зольгель метод.
2.2 Методы повышения эффективности катализаторов
2.3 Исследование кинетических особенностей синтеза УНМ
2.3.1 Термический метод
2.3.2 Синтез катализатора в аппарате пульсирующего горения .
2.4 Исследование процессов и аппаратов синтеза УНМ
2.4.1 Реакторы с неподвижным слоем катализатора
2.4.2 Реакторы с виброожиженным слоем катализатора .
2.5 Исследование методов и режимов очистки УНМ от примесей .
2.6 Исследование свойств и диагностика УНМ Таунит.
2.6.1 Морфологический и структурный анализ
2.6.2 Эмиссионные свойства
2.6.3 Свойства фрактальных образований.
2.6.4 Определение характеристик пористой структуры, дисперсности и
сорбционной емкости УНМ
Выводы по главе 2 .
Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СИНТЕЗА У ИМ
3.1 Современные представления о механизмах образования и роста углеродных нанотрубок
3.2 Модель роста УНТ при газофазном химическом осаждении на катализаторе .
3.3 Особенности механизмов процессов, протекающих в опытнопромышленном реакторе при синтезе УНТ
3.4 Тепловые модели основных зон опытнопромышленного реактора синтеза углеродных нанотрубок.
3.4.1 Задача нестационарной теплопроводности для конечного цилиндра .
3.4.2 Задача нестационарной теплопроводности для 3слойного полого неограниченного цилиндра
3.4.3 Задача нестационарной теплопроводности для 3слойной неограниченной пластины.
3.4.4 Дифференциальное уравнение переноса тепла потоком, движущимся в режиме идеального вытеснения по каналу постоянного сечения.
3.4.5 Задача нестационарной теплопроводности для полого неограниченного цилиндра.
3.4.6 Задача нестационарной теплопроводности для плоской неограниченной пластины .
3.5 Методика и алгоритм теплового расчета реактора синтеза УНТ
Выводы по главе 3 .
Глава 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА УНТ
4.1 Исходные данные и методология проектирования реакторов синтеза УНТ
4.2 Принцип действия и конструкции реакторов синтеза УНТ
4.2.1 Реактор полунепрерывного принципа действия с неподвижным слоем катализатора
4.2.2 Реактор периодического действия с виброожиженным слоем катализатора .
4.2.3 Реактор синтеза углеродного наноматериала на базе аппарата пульсирующего горения.
4.3 Установка для гранулирования катализатора и УНТ
4.4 Модернизация аппарата вихревого слоя для механоактивации сыпучих ингредиентов.
Глава 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И ОБОРУДОВАНИЯ ОПЫТНОПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА УНМ .
5.1 Технологическая схема производства УНМ Таунит .
5.2 Опытнопромышленный реактор полунепрерывного действия .
5.3 Аппаратурное оформление технологической схемы синтеза УНТ
5.4 Материальный баланс процесса синтеза УНМ Таунит в опытнопромышленном реакторе
Глава 6. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ПРИМЕНЕНИЯ
УНМ ТАУНИТ.
6.1 1 Голимерные композиционные материалы ПКМ, модифицированные УНМ Таунит
6.1.1 ПКМ с применением методов твердофазной экструзии ТФЭ
6.1.2 ПКМ на основе ароматического полиамида фенилон С
6.1.3 Конструкционные композиты на основе эпоксиднодиановых смол
6.1.4 Наномодифицированные композиты на основе каучука
6.2 Радиопоглощающие покрытия.
6.3 Наномодифицированные материалы строительного назначения
6.4 Адсорбенты водорода
6.5 Наномодифицированные мембраны
6.6 Интеркалированные УНТ.
6.7 Другие применения УНМ Таунит .
6.8 Рекомендации по выбору оборудования для подготовки УНМ Таунит к применениям
ВЫВОДЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность


Аргон 0 см3мин подавался через трубу, помещенную в полость, и затем включалось микроволновое устройство для нагрева подложки. После реакции, длившейся мин, углеродный продукт отделялся от подложки. Изучение с помощью СЭМ показало, продукт представляет собой МУНТ до слоев толщиной . Выход газа
Рис. Этот метод не требует вакуума и, по мнению авторов, может быть использован для получения УНТ в больших объемах. Цеолит и окись алюминия, которые применялись для подложки кобальтового катализатора, обладают высокой температурной устойчивостью, что позволяет, используя энергию микроволн, осуществлять быстрый нагрев и охлаждение. Наибольший интерес данный реактор представляет с позиции организации подвода тепла в зону реакции через нагрев подложки, на которой находится катализатор. В этом случае отпадает необходимость неэффективного нагрева корпуса реактора и обеспечивается достаточно быстрое охлаждение полученного продукта для предотвращения образования непиролитического углерода. У данной конструкции хорошие перспективы для создания высокопроизводительного варианта. Сложности могут возникнуть лишь с точки зрения высокой энергоемкости производства. Примером создания оборудования для производства УНМ в промышленных объемах является продукция фирмы V i Япония. V одной из первых освоила выпуск различных УНТ на подложках. При этой технологии используется ГФХО в плазме, источником которой служит СВЧгенератор. Оборудование для получения нанотрубок рис. Рис. Установка V0 Рис. В процессе роста УНТ температура подложки составляет 0 С. Максимальный размер подложки в установках составляет 1, 4 и 8 дюймов. V i также выпускает установки для получения нановолокон. Графитовые нановолокна выращиваются на подложке размером 4x0 мм, которая может перемещаться в реакционной камере с помощью робота рис. Рис. Установка V
1. УНТ могут эффективно выращиваться каталитическим осаждением без сажеобразования в камере с избирательным нагревом инфракрасным золотым нагревателем. Эта технология позволяет получать как ОУНТ, так и МУНТ. V i разработала установку рис. УНТ длиной до 0 мкм могут выращиваться с высокой скоростью но всей поверхности подложки. Максимальный размер подложки 2 дюйма. Температура подложки С инфракрасный обогрев. Газы для осаждения , Н2 и опционально другие газы. Оборудование, производимое V, используется не только для получения УНТ, но и производства функциональных материалов на их основе, в частности, тонкопленочных покрытий. По понятным причинам сведениями о конструкции данных промышленных реакторов мы не располагаем. Следует отметить пнрименяемый японцами опыт обогрева реакционной зоны СВЧизлучением, который следует использовать при создании новых образцов реакторов. Далее представлены наиболее интересные материалы зарубежных патентов по обозреваемой тематике. Сведения о реализации данных конструктивных вариантов и схем организации технологии синтеза отсутствуют, но некоторые решения интересны с точки зрения использования в наших разработках. В 8 описан реактор, состоящий из печи 1 рис. Со, i или их сплавов. Печь обогревается электрической спиралью 4. Подложки установлены с зазором и помещены в желоб 5 так, что слой с катализатором расположен на стороне, противоположной направлению потока 6 углеродсодержащего газа. Процесс синтеза ведут в течение . С, а расход углеродсодержащего газа составляет . Рис. С, расход газа для очистки . Между стадиями процесса было предусмотрено вытеснение оставшихся газов инертом. Данное решение интересно, прежде всего, продуманным чередованием состава газовых смесей, подаваемых в реактор в течение пиролизного цикла. Это позволяет совместить синтез со стадией предварительной очистки и обеспечить требуемые параметры синтеза скорость роста УНТ, время процесса. Авторами 9 представлена схема аппарата рис. Аппарат включает обогреваемый реактор , газовый инжектор 2, обеспечивающий подачу и нанесение жидкого углеводорода с диспергированным в нем металлическим катализатором 3 на подложки 4, камеру вытеснения воздуха 5 и ленточный конвейер 6.