Спосіб сумісного виробництва нанопорошків монооксиду кремнію і оксиду цирконію та промисловий комплекс для його реалізації

Реферат: Спосіб сумісного виробництва нанопорошків моноксиду кремнію і оксиду цирконію та промисловий комплекс для його реалізації належить до галузі виробництва наноматеріалів, які використовуються як сировина для виготовлення напівпровідникових елементів, різноманітної кераміки, вогнетривких покриттів, композитних матеріалів, каталізаторів тощо. Циркон і кремній змішують, подають в резонансно-вихровий млин, ультразвуковий коагулятор, циклон і піч синтезу монооксиду кремнію і оксиду цирконію. Сумісний синтез проводять в неокислювальному середовищі при температурі в діапазоні від 1300 °C до 1600 °C. Продукцію охолоджують, в результаті чого газ монооксиду кремнію осідає з утворенням нанопорошку монооксиду кремнію. Нанопорошок оксиду цирконію отримують як твердий продукт цього синтезу. Винахід забезпечує високу економічність, надійність, екологічність та високу якість продукції. UA 114572 C2 (12) UA 114572 C2 UA 114572 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до виробництва наноматеріалів, а саме нанопорошків моноксиду кремнію і оксиду цирконію для виготовлення різноманітної кераміки, вогнетривких покриттів, композитних матеріалів, каталізаторів, сировини для виготовлення напівпровідникових елементів тощо. Відомий спосіб отримання нанопорошку оксиду цирконію високої якості (пат. US № 4755365, C01G 25/02), за яким порошок циркону і вуглецьвмісного матеріалу, який не виділяє газ при температурі, яка нижче 1000 °C, змішують у визначеному процентному співвідношенні, завантажують отриману суміш у піч синтезу оксиду цирконію і моноксиду кремнію. Цю суміш нагрівають у неокислювальному середовищі на першому етапі в діапазоні температур від 1200 до 1550 °C і на другому етапі - від 1550 до 2000 °C. При цьому здійснюють синтез нанопорошку оксиду цирконію, який є твердим продуктом цього синтезу, і синтез газу моноксиду кремнію, який розсіюють. Збігаються з суттєвими ознаками способу, що заявляється, ознаки, за якими циркон і допоміжний матеріал змішують у визначеному процентному співвідношенні, завантажують отриману суміш у піч синтезу оксиду цирконію і моноксиду кремнію, у якій підтримують неокислювальне середовище. Здійснюють синтез нанопорошку оксиду цирконію в діапазоні температур від 1300 до 1600 °C як твердого продукту цього синтезу і синтез газу моноксиду кремнію. Недолік відомого способу полягає у тому, що у піч синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію завантажують суміш циркону і допоміжного матеріалу, яка має недостатню диспергащю і гомогенізацію, що затрудняє реакцію між ними, в результаті чого синтез моноксиду кремнію і оксиду цирконію проводять при підвищених температурах. Відомий спосіб отримання нанопорошків моноксиду кремнію і оксиду цирконію високої якості (пат. US № 5096685, B01J 3/00, С01В 33/113, C01F 11/22, C01F 7/38, C01G 25/02), вибраний як найближчий аналог, за яким циркон і кремній змішують у визначеному процентному співвідношенні, завантажують отриману суміш у піч синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію, у якій підтримують неокислювальне середовище. Здійснюють синтез газу моноксиду кремнію в діапазоні температур від 1300 до 2000 °C, який направляють до камери накопичення моноксиду кремнію, де його охолоджують з отриманням нанопорошку моноксиду кремнію. Нанопорошок оксиду цирконію отримують як твердий продукт цього синтезу. Збігаються з суттєвими ознаками способу, що заявляється, ознаки, за якими циркон і кремній змішують у визначеному процентному співвідношенні, завантажують отриману суміш у піч синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію, у якій підтримують неокислювальне середовище. Здійснюють синтез газу моноксиду кремнію в діапазоні температур від 1300 до 1600 °C, який направляють до камери накопичення моноксиду кремнію, де його охолоджують з отриманням нанопорошку моноксиду кремнію, нанопорошок оксиду цирконію отримують як твердий продукт цього синтезу. Недолік відомого способу полягає у тому, що у піч синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію завантажують суміш циркону і кремнію, яка має недостатню диспергацію і гомогенізацію, що затрудняє реакцію між ними, в результаті чого синтез моноксиду кремнію і оксиду цирконію проводять при підвищених температурах. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення відомого способу, у якому шляхом технологічних змін покращити диспергацію і гомогенізацію суміші циркону і кремнію, яку завантажують у піч синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію, чим полегшити реакцію між ними, в результаті чого синтез моноксиду кремнію і оксиду цирконію проводити при понижених температурах. Відомий промисловий комплекс для виробництва нанопорошку оксиду цирконію високої якості (пат. US № 4755365, C01G 25/02), який містить завантажувачі циркону і вуглецьвмісного матеріалу, змішувач, піч синтезу оксиду цирконію і моноксиду кремнію, яка містить вихід для вивантаження нанопорошку оксиду цирконію, зв'язаний з входом вакуумного насоса, вихід якого є виходом для розсіювання газу моноксиду кремнію. Збігаються з суттєвими ознаками промислового комплексу, що заявляється, завантажувачі циркону і допоміжного матеріалу, змішувач, піч синтезу оксиду цирконію і моноксиду кремнію, вихід якої зв'язаний з входом вакуумного насоса і яка містить вихід для вивантаження нанопорошку оксиду цирконію. Недолік відомого промислового комплексу полягає у недостатньому забезпеченні умов для диспергації і гомогенізації суміші циркону і допоміжного матеріалу, яку завантажують до печі синтезу оксиду цирконію і моноксиду кремнію, що затрудняє реакцію між ними, в результаті чого синтез оксиду цирконію і моноксиду кремнію проводять при підвищених температурах. 1 UA 114572 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Відомий промисловий комплекс для виробництва нанопорошків моноксиду кремнію і оксиду цирконію високої якості (пат. US № 5096685, B01J 3/00, С01В 33/113, C01F 11/22, C01F 7/38, С01G 25/02), вибраний як найближчий аналог, який містить завантажувачі циркону і кремнію, змішувач, піч синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію, яка містить контейнер для циркону і кремнію та зв'язана своїм виходом з входом камери для збирання нанопорошку моноксиду кремнію, вихід якої зв'язаний з входом вакуумного насоса, і яка містить вихід для вивантаження контейнера з нанопорошком оксиду цирконію. Збігаються з суттєвими ознаками промислового комплексу, що заявляється, завантажувачі циркону і кремнію, змішувач, піч синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію, вихід якої зв'язаний з входом камери для збирання нанопорошку моноксиду кремнію, вихід якої зв'язаний з входом вакуумного насоса, і яка містить вихід для вивантаження нанопорошку оксиду цирконію. Недолік відомого промислового комплексу полягає у недостатньому забезпеченні умов для диспергації і гомогенізації суміші циркону і кремнію, яку завантажують до печі синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію, що затрудняє реакцію між ними, в результаті чого синтез моноксиду кремнію і оксиду цирконію проводять при підвищених температурах. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення відомого промислового комплексу, у якому шляхом конструктивних змін покращити умови для диспергації і гомогенізації суміші циркону і кремнію, яку завантажують у піч синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію, чим полегшити реакцію між ними, в результаті чого синтез моноксиду кремнію і оксиду цирконію проводити при понижених температурах. В способі отримання нанопорошків моноксиду кремнію і оксиду цирконію високої якості, за яким циркон і кремній змішують у визначеному процентному співвідношенні, завантажують отриману суміш у піч синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію, у якій підтримують неокислювальне середовище і здійснюють синтез газу моноксиду кремнію в діапазоні температур від 1300 до 1600 °C, який направляють до камери накопичення моноксиду кремнію, де його охолоджують з отриманням нанопорошку моноксиду кремнію, нанопорошок оксиду цирконію отримують як твердий продукт цього синтезу, згідно з винаходом циркон і кремній додатково змішують у резонансно-вихровому млині, отримані частинки суміші піддають коагуляції під дією ультразвукових хвиль і направляють через циклон до печі синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію, частинки оксиду цирконію очищають галогенними сполуками та нагріванням в діапазоні температур від 400 до 700 °C в окислювальній атмосфері, в результаті чого отримують додаткову кількість газу моноксиду кремнію, який охолоджують, синтез моноксиду кремнію і оксиду цирконію проводять з перемішуванням частинок суміші. В промисловому комплексі для виробництва нанопорошків моноксиду кремнію і оксиду цирконію високої якості, який містить завантажувачі циркону і кремнію, змішувач, піч синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію, вихід якої зв'язаний з входом камери для збирання нанопорошку моноксиду кремнію, вихід якої зв'язаний з входом вакуумного насоса, і яка містить вихід для вивантаження нанопорошку оксиду цирконію, згідно з винаходом вихід змішувача зв'язаний з входом резонансно-вихрового млина, вихід якого зв'язаний з входом ультразвукового коагулятора, вихід якого зв'язаний з входом циклона, вихід якого зв'язаний з входом печі синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію, вихід для вивантаження нанопорошку оксиду цирконію якої зв'язаний з входом блока очистки, виконаним з можливістю додавання до оксиду цирконію галогенних сполук і його нагрівання в окислювальній атмосфері, вихід якого є виходом для кінцевого вивантаження нанопорошку оксиду цирконію. Крім того, піч синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію виконана трубчатоподібною з можливістю перемішування частинок реакційної суміші. Сукупність основних ознак пропонованого способу забезпечує вирішення поставленої задачі. Використаний резонансно-вихровий млин перемелює частинки циркону із розмірами близько 50-150 мкм і частинки кремнію із розмірами близько до 1-3 мм до розмірів одиниць мікрометрів, інтенсивно перемішує їх, чим забезпечує високу ступінь диспергації і гомогенізації а отже збільшення поверхні розподілу фаз цих реагентів. Це покращує умови для початку синтезу. Відразу після виходу з млина подрібнені частинки мають підвищену енергетичну активність, що додатково сприяє гомогенізації компонент суміші і агрегатуванню їх у структуровані агломерати в ультразвуковому коагуляторі. Додатковим позитивним ефектом утворення цих агломератів є поява стабільного фізичного контакту між значною частиною компонент суміші циркону і кремнію, який сприяє активному синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію при понижених температурах. Порівняно з обома аналогами максимальна температура синтезу знижена на 400 °C. 2 UA 114572 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Сукупність основних ознак пропонованого промислового комплексу забезпечує вирішення поставленої задачі, що підтверджується тими ж доводами, які наведено вище щодо вирішення поставленої задачі за способом. Суть винаходу пояснюють креслення. На фіг. 1 зображено блок-схему промислового комплексу виробництва порошку моноксиду кремнію і оксиду цирконію високої якості. На фіг. 2 схематично зображено піч синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію. Промисловий комплекс для виробництва нанопорошків моноксиду кремнію і оксиду цирконію високої якості містить завантажувач 1 циркону і завантажувач 2 кремнію, які зв'язані із змішувачем 3, який послідовно зв'язаний з резонансно-вихровим млином 4, ультразвуковим коагулятором 5, циклоном 6 і піччю 7 синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію. Піч 7 зв'язана з камерою 8 для збирання нанопорошку моноксиду кремнію, яка зв'язана з вакуумним насосом 9, а також зв'язана з блоком очистки 10, який зв'язаний з бункером 11 для збирання нанопорошку оксиду цирконію. Піч 7 містить корпус 12 з нагрівальною оболонкою, як варіант, встановлений похило і зв'язаний з пристроєм 13 для вхідних компонент та пристроєм 14 для виходу продуктів реакції рухомими вакуумними з'єднаннями. Корпус 12 виконаний з можливістю його обертання і зв'язаний з приводом, який на рисунку не показаний. За іншим варіантом його порожнина містить елементи для перемішування реакційної суміші. На корпусі пристрою 14 розташовані нагрівальні елементи. Пристрій 13 містить завантажувальний бункер, який зв'язаний з шлюзовою камерою, трубопровід для надходження неокислювального газу, наприклад аргону, які зв'язані з порожниною корпусу 12 і на рисунку не показані. Нижній вихід пристрою 14 призначений для вивантаження нанопорошку оксиду цирконію, верхній його вихід для виходу газу моноксиду кремнію. Геометричні розміри печі 7 розраховують відповідно до технічного завдання щодо її продуктивності. Промисловий комплекс виробництва нанопорошків моноксиду кремнію і оксиду цирконію високої якості, у якому реалізовано спосіб, що заявляється, працює таким чином. Вхідні компоненти із завантажувача 1 циркону і завантажувача 2 кремнію подають до змішувача 3, з якого отримана суміш надходить до резонансно-вихрового млина 4 і інтенсивно подрібнюється під дією сил кавітації. Подрібнені частинки суміші, які ще не встигли значною мірою окислити свою поверхню, надходять до ультразвукового коагулятора 5 і під впливом ультразвукових коливань визначеної частоти утворюють структуровані агломерати. їх збирають за допомогою циклона 6 і подають до завантажувального бункера і шлюзової камери пристрою 13, через яку вони надходять до печі 7 синтезу моноксиду кремнію і оксиду цирконію. При температурі синтезу структуровані агломерати постійно перемішують шляхом обертання корпусу 12 або за іншим варіантом - елементами для перемішування. В порожнині корпусу 12 підтримують неокислювальне середовище, таке як форвакуум і/або проточний аргон за допомогою вакуумного насоса 9. Підтримують задану температуру синтезу в діапазоні від 1300 до 1600 °C в залежності від завдання щодо розмірів наночастинок продукції та інших її параметрів. Вакуумний насос 9 відкачує з порожнини корпусу 12 синтезований газ моноксиду кремнію, який проходить пристрій 14, підігрітий до температури близько 1200 °C, яка перешкоджає налипанню на його стінках твердого моноксиду кремнію, і осідає як нанопорошок в камері 8 завдяки охолодженню. Твердий продукт синтезу у вигляді конгломератів наночастинок оксиду цирконію пересувають з постійним переміщуванням до пристрою 14, з якого вони надходять до блока очистки 10. У цьому блоці їх обробляють з метою очищення галогенними сполуками та нагрівають в діапазоні температур від 400 до 700 °C в окислювальній атмосфері. При цьому отримують додаткову кількість газу моноксиду кремнію, який охолоджують з отриманням додаткової кількості нанопорошку моноксиду кремнію. Чистота отриманого нанопорошку моноксиду кремнію  99,9, розміри його частинок від 15 до 35 нм, чистота отриманого нанопорошку оксиду цирконію  99,9, розміри його частинок від 30 до 200 нм. Структура цих частинок є аморфною у вигляді пухких агломератів. Пропоновані спосіб отримання нанопорошків моноксиду кремнію і оксиду цирконію високої якості та промисловий комплекс для його реалізації успішно пройшли експериментальні випробування на макетах, а основні виробничі елементи - в умовах, близьких до промислового виробництва. Підтверджено їх високу надійність, екологічність, економічність та високу якість продукції. 3 UA 114572 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 1. Спосіб сумісного виробництва нанопорошків монооксиду кремнію і оксиду цирконію, за яким циркон і кремній змішують у визначеному процентному співвідношенні, завантажують отриману суміш у піч синтезу монооксиду кремнію і оксиду цирконію, у якій підтримують неокислювальне середовище, температуру в діапазоні від 1300 до 1600 °C, і одночасно синтезують газ монооксиду кремнію і нанопорошок оксиду цирконію, які направляють до блока приймання продукції, де їх охолоджують, при цьому газ монооксиду кремнію осідає з утворенням нанопорошку монооксиду кремнію, який відрізняється тим, що циркон і кремній додатково змішують у резонансно-вихровому млині, отримані частинки суміші піддають коагуляції під дією ультразвукових хвиль і направляють через циклон до печі синтезу монооксиду кремнію і оксиду цирконію, у якій процес синтезу проводять з перемішуванням частинок реакційної суміші. 2. Промисловий комплекс для сумісного виробництва нанопорошків монооксиду кремнію і оксиду цирконію, який містить завантажувачі циркону і кремнію, змішувач, піч синтезу монооксиду кремнію і оксиду цирконію, яка зв'язана з системою підтримання неокислювального середовища і вихід якої зв'язаний з входом блока приймання продукції з елементами охолодження, який відрізняється тим, що вихід змішувача зв'язаний з входом резонансновихрового млина, вихід якого зв'язаний з входом ультразвукового коагулятора, вихід якого зв'язаний з входом циклона, вихід якого зв'язаний з входом печі синтезу монооксиду кремнію і оксиду цирконію, яка виконана з можливістю перемішування частинок реакційної суміші. 4 UA 114572 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5