Phương pháp và thiết bị chế tạo lá nano graphen đa lớp từ hợp chất graphit

Ngày: 30/01/2024 | 1383

Bằng độc quyền sáng chế số 34682 “Phương pháp và thiết bị chế tạo lá nano graphen đa lớp từ hợp chất graphit” đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp cho PGS.TS. Nguyễn Thanh Bình và các đồng nghiệp thuộc Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KHCNVN ngày 25/01/2023. Sáng chế thuộc lĩnh vực công nghệ vật liệu nano cacbon, cụ thể đề cập đến phương pháp và thiết bị chế tạo vật liệu nano cacbon có cấu trúc 2D loại graphen đa lớp sử dụng phương pháp nung nhiệt để bóc tách các lớp graphen từ hợp chất than chì graphit.

Graphen là một vật liệu có cấu trúc nano 2 chiều (2D) với lớp đơn nguyên tử cacbon liên kết SP2 với nhau và sắp xếp trong một mạng lưới hình tổ ong 6 cạnh. Đây là một vật liệu hoàn toàn mới - không chỉ mỏng nhất từ trước đến nay mà còn là vật liệu có độ bền cơ học cao nhất. Ngoài ra graphen còn thể hiện nhiều đặc tính kỳ diệu khác: nó có khả năng dẫn điện tốt như đồng kim loại; khả năng dẫn nhiệt của nó vượt trội hơn so với các kim loại dẫn điện tốt như bạc và đồng. Graphen đơn lớp gần như hoàn toàn trong suốt về mặt quang học, nhưng có độ đặc khít, ngay cả những nguyên tử khí nhỏ nhất cũng không thể thấm qua nó.

Sáng chế đề cập đến phương pháp và thiết bị chế tạo lá nano graphen đa lớp từ hợp chất graphit bằng cách gia nhiệt nhanh gây sốc nhiệt để tách các lớp graphen. Cụ thể, sáng chế đề xuất phương pháp và thiết bị nung sử dụng dòng điện trung-cao tần bao gồm: phần lò có dạng hình ống với vỏ ngoài là ống gốm chịu nhiệt, lồng bên trong là ống kim loại làm buồng phản ứng, cuộn dây cảm ứng được làm mát bằng nước tuần hoàn nhờ có dạng hình ống rỗng và được quấn bên ngoài ống gốm; hệ tải rung dùng để đẩy, đưa nguyên liệu qua phễu hứng và rơi xuống buồng phản ứng; luồng khí thổi được đưa vào một đầu lò ống, để thổi sản phẩm sang phía buồng chứa ở phía đầu bên kia lò ống, buồng chứa đồng thời là nơi phân loại sản phẩm, việc phân loại dựa trên sự khác nhau về tỷ trọng của sản phẩm; phần cuối cùng là bộ xử lý khí thải phản ứng, có nhiệm vụ làm sạch khí và lọc tách khí khỏi sản phẩm.

Sáng chế đề cập đến hệ thiết bị nung có cơ cấu và phương pháp nạp nguyên liệu sử dụng bộ rung để đẩy nguyên liệu dịch chuyển, tiếp theo nguyên liệu được rơi trực tiếp vào buồng nung qua phễu hứng nhờ lực trọng trường.

Sáng chế cũng đề cập đến hệ thiết bị có phương pháp vận chuyển và tháo sản phẩm sau phản ứng bằng luồng khí thổi (dùng quạt hoặc khí nén) dựa trên sự khác biệt rõ rệt giữa tỉ trọng của nguyên liệu graphit và lá nano graphen vào khoảng 100 đến 500 lần. Việc sử dụng luồng khí thổi đồng thời cho phép lọc lựa các sản phẩm đã phản ứng hoàn toàn với các nguyên liệu chưa nung xong bằng cách đẩy các sản phẩm có tỉ trọng nhẹ ra khỏi buồng nung trong khi nguyên liệu chưa phản ứng được giữ lại cho quá trình nung tiếp tục. Bằng cách chỉ sử dụng luồng khí mà không sử dụng các chi tiết cơ khí nào trong cơ cấu tháo sản phẩm cho phép tránh tổn hao nhiệt, tránh phá hủy nhiệt các chi tiết này, tránh làm bẩn sản phẩm và đồng thời quá trình chế tạo có thể được hoạt động một cách liên tục.

Sáng chế cũng đề cập đến hệ thiết bị có cấu tạo buồng nung bằng ống gốm chịu nhiệt, vừa đóng vai trò làm buồng phản ứng, tạo vỏ cách nhiệt và làm ống tháo nguyên liệu ở một đầu ống dưới tác dụng của luồng khí thổi đưa vào ở đầu bên kia của ống, nguyên liệu được đưa vào trong ống tại vị trí buồng phản ứng nhờ trọng lực rơi của vật liệu từ trên xuống qua một ống phễu nạp liệu gắn tại vị trí buồng nung.

Theo một phương án thực hiện, sáng chế sử dụng nhiệt năng của lò trung tần-cao tần với tần số dòng điện trong khoảng 500 Hz đến 300 kHz để bóc các lá nano graphen. Cụ thể, sáng chế đề xuất sử dụng ống gốm chịu nhiệt được lồng một đoạn ống kim loại vào bên trong phần giữa ống gốm, phần ống kim loại được sử dụng làm buồng nung cảm ứng điện từ dạng lò trung tần-cao tần, một phía đầu ống gốm là nơi tháo sản phẩm và phía đầu ống còn lại để đưa khí thổi vào, nguyên liệu được đưa vào trong ống tại vị trí buồng phản ứng nhờ trọng lực rơi của vật liệu từ trên xuống qua một ống phễu nạp liệu gắn tại vị trí buồng nung. Ống gốm cũng được sử dụng làm vỏ cách nhiệt, nó sẽ giúp ngăn nhiệt lượng thất thoát ra môi trường bên ngoài do đó sẽ giúp cân bằng nhiệt và dễ dàng đạt nhiệt độ phù hợp cho vùng lò nung trong ống kim loại. Hệ ống gốm có lồng ống kim loại được đặt nghiêng sao cho tạo với phương nằm ngang một góc trong khoảng từ 0 đến 30 độ với phía đầu ống tháo sản phẩm cao hơn phía đầu ống thổi nguyên liệu. Cuộn dây của lò cảm ứng điện từ có cấu tạo dạng ống rỗng dùng cho mục đích làm mát bằng cách bơm tuần hoàn dung dịch chất lỏng tản nhiệt như nước hoặc dầu.

Sáng chế cũng đề cập đến cơ cấu và phương pháp phân loại sản phẩm ở đầu ra của hệ thiết bị nung dựa trên sự khác nhau của kích thước các lá nano graphen được chế tạo và dưới tác dụng của luồng khí thổi. Cụ thể là các lá nano graphen có kích thước nhỏ hơn, nhẹ hơn sẽ bị luồng khí thổi đẩy đi xa hơn và ngược lại các lá nano graphen có kích thước lớn hơn, nặng hơn sẽ bị luồng khí thổi đẩy đi ít hơn, do đó các sản phẩm phân loại sẽ thu được ở các ngăn chứa xắp xếp dọc theo chiều dài theo hướng của luồng khí thổi ra.

Tư vấn, hỗ trợ đăng ký bảo hộ độc quyền các loại hình quyền Sở hữu trí tuệ tại Viện Hàn lâm KHCNVN: Phòng Thông tin, Truyền thông Khoa học và Sở hữu công nghiệp, phòng I 3.1, nhà A11, số 18 Hoàng Quốc Việt. TEL: 024.37562551 - 0904.252.152. Email: pqduong@isi.vast.vn.

Tin: Trần Thị Kim Ngân