专利名称：采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的工艺和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种颗粒的粉碎制备工艺和装置，更特别地说，是指一种采用气流循环连续粉碎方式制备高纯纳米颗粒的工艺和装置。
背景技术：
纳米颗粒材料由于其自身的许多特殊性质，在很多领域有着十分广泛的应用。目前，有关纳米颗粒的制备方法总体来说主要分为合成方法和粉碎方法两类。合成方法制备纳米颗粒主要包括气体蒸发法、液相沉淀法、溶胶-凝胶法等。而粉碎方法制备纳米颗粒目前主要是采用机械力化学方法制备纳米颗粒。采用合成方法制备纳米颗粒的时候，制备的材料是很受限制的，而采用机械力化学方法如介质磨制备纳米颗粒，由于在制备过程中有介质球的磨损，所制得的纳米颗粒纯度不是很高，存在有一定的污染，所制备的材料也有很大的局限性。
气流粉碎方法是目前一种常用的颗粒制备方法，在其制备颗粒的过程中，由于没有其它介质的存在，只是利用物料之间的相互碰撞而使物料破碎，因而，这种方法也是一种无污染的高纯颗粒制备方法。但由于目前一般的气流粉碎设备多是采用分级轮对粉碎后的颗粒进行分级处理，将粒度合格的细粉从粗粉中分离，而不合格的粗粉则继续在气流粉碎机中进行粉碎而获得粒度合格的细粉颗粒。受分级轮分级原理及分级精度的限制，想通过分级轮的方法将纳米颗粒和空气分离，目前在工业上还是很难实现的。
发明内容
本发明的目的之一是提出一种采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的工艺，该工艺利用二股超音速射流携带物料，通过带料射流的对撞、粉碎，并使物料在粉碎腔中进行循环连续粉碎，制备得到高纯度纳米颗粒。
本发明的另一目的是提供一种采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的装置，该装置可以由气源系统、粉碎系统和气固分离系统组成，或者由气源系统、粉碎系统、改性剂喷入系统和气固分离系统组成，气源系统与粉碎系统通过管道连接、粉碎系统与改性剂喷入系统通过管道连接。
所述气源系统包括有空压机、干燥器、加热器、温度传感器和温度控制器；温度传感器与温度控制器相连，温度传感器的敏感端安装在加热器内；由空压机产生的高压气体进入干燥器中进行干燥处理、然后经加热器加热获得20～200℃温度的干燥高压气体；所述气固分离系统包括有过滤器、气体反吹器、引风机，所述引风机与引风机接口连接，气体反吹器分别与气体反吹器A接口、气体反吹器B接口连接，过滤器安装在气固分离腔上部，该气固分离系统可以使粉碎腔中物料与空气实现分离；所述粉碎系统包括有圆柱壳体、左锥部、右锥部、右回流管、上升管、左回流管、左喷嘴、右喷嘴、粉碎腔，圆柱壳体的上部设有引风机接口、气体反吹器A接口、气体反吹器B接口；圆柱壳体的下部连接有左锥部、上升管、右锥部，左锥部与右锥部之间有一A形槽，上升管放置在A形槽内，左锥部另一端连接有左回流管，左回流管另一端连接在粉碎腔上，右锥部另一端连接有右回流管，右回流管另一端连接在粉碎腔上，左喷嘴、右喷嘴分别连接在粉碎腔的左进气端、右进气端；圆柱壳体内设有气固分离腔。
本发明采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒装置的优点在于(1)粉碎系统下部采用对称的两个锥部设计，方便了物料通过左右回流管进入粉碎腔，并使分别通过左回流管和右回流管进入粉碎腔的物料质量相当，有利于物料在粉碎腔中的碰撞粉碎；(2)左回流管、右回流管和上升管构成气流粉碎过程的物料循环回路，被粉碎颗粒通过上升管从粉碎腔出去，然后又通过左右回流管，使已经被粉碎过的颗粒分别进入射流内，同时被加速并对撞，实现再一次的粉碎；这样的过程往复连续进行，一定时间后，就可以获得纳米级颗粒；(3)左右喷嘴采用拉瓦尔喷嘴，能够产生超音速射流，加速粉碎腔中的物料进行相互碰撞；(4)粉碎腔的两端连接拉瓦尔喷嘴，粉碎腔中的物料是在喷嘴出口的外面，通过高速射流的引射作用进入射流，并被携带加速的，被粉碎物料不通过喷嘴，对喷嘴不会造成磨损；(5)过滤器采用陶瓷或高分子材料加工制作成毛细管状，可以实现纳米级颗粒与空气的分离；
(6)由气源系统提供的高压干燥空气具有一定温度，对改性剂在物料表面的吸附具有促进作用，可以在颗粒表面包覆一层致密的改性剂膜，改善了颗粒的流动性，降低了粉碎后纳米颗粒的表面自由能，防止了粉碎后纳米颗粒的团聚。同时也可以提高粉碎效率；(7)在粉碎过程中，可以在粉碎腔中物料粉碎的同时添加改性剂，也可以在粉碎前将改性剂与物料进行事先预混合；(8)本发明装置中，物料是循环连续的粉碎，因此，粉碎时间可以在较大范围内进行调节，以控制粉碎后物料颗粒的粒度。
图1是本发明采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的结构框图。
图2是本发明粉碎系统的外部结构图。
图3是本发明粉碎腔中物料与气体流动示意图。
图4是氧化铝造粒球粉碎前的扫描电镜照片。
图5是氧化铝造粒球粉碎后的透射电镜照片。
图6是氧化铝造粒球在粉碎同时经钛酸酯偶联剂改性、粉碎后的透射电镜照片。
图中 1.粉碎系统 101.右回流管 102.上升管 103.左回流管104.左喷嘴 105.右喷嘴 106.粉碎腔107.左进气端 108.右进气端109.气固分离腔 111.圆柱壳体 112.右锥部113.左锥部 114.A形槽115.引风机接口 116.气体反吹器B接口 117.气体反吹器A接口2.气源系统 201.空压机 202.干燥器203.加热器 204.温度传感器205.温度控制器 3.气固分离系统 301.过滤器具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的工艺，包括下列步骤第一步将物料放置于粉碎腔106内，所放物料用量为粉碎腔106容积的1/5～3/5；第二步对空压机201产生的高压气体(压力0.1～1MPa)在干燥器202中进行干燥处理后，输出至加热器203中进行加热处理获得干燥高压气体；所述干燥高压气体温度为20～200℃，对加热器203中的干燥气体的温度测量和温度控制采用温度传感器204和温度控制器205实现，所述温度传感器204是热电偶；
第三步循环连续粉碎物料(A)粉碎系统1的左喷嘴104、右喷嘴105接收由第二步骤制得的干燥高压气体，所述干燥高压气体经左喷嘴104、右喷嘴105后形成二股超音速射流进入粉碎腔106中，所述二股超音速射流携带粉碎腔106内的物料，通过带料射流的对撞，实现物料的高纯粉碎；(B)粉碎后的物料通过上升管102进入气固分离腔109中，在引风机产生的引风作用下，通过过滤器301实现物料与空气的分离；分离后的物料顺次通过左锥部113、左回流管103利用气体射流的引射作用进入粉碎腔106中再次粉碎，或者分离后的物料顺次通过右锥部112、右回流管101利用气体射流的引射作用进入粉碎腔106中再次粉碎；(C)周而复始(B)步骤，实现物料的循环连续粉碎；所述循环连续粉碎物料时间为0.5～8h。
本发明采用气流粉碎制备纳米颗粒的工艺，利用超音速射流左右喷嘴产生的二股超音速射流携带物料，通过带料射流的对撞，实现高纯的粉碎，由于物料粉的循环连续粉碎，由此获得纳米级颗粒。在对颗粒进行纳米级射流粉碎时，采用左回流管、上升管、右回流管构成的特殊循环回路，利用气体射流的引射作用实现对颗粒进行连续粉碎的目的，这样可以通过控制颗粒的气流粉碎时间，对颗粒进行连续粉碎而获得纳米级颗粒。粉碎过程中，纳米颗粒与空气的分离是通过陶瓷或高分子材料过滤器来实现的。
为了更好的获得提高物料在粉碎腔106中的分散性，本发明的制备工艺还可以在粉碎的同时或者粉碎过程中添加一定剂量的改性剂对物料表面进行改性处理。对颗粒进行分散和表面改性处理，增加颗粒的流动性，防止粉碎后纳米颗粒的团聚，最终获得分散性良好的纳米颗粒。
在第三步骤时，在粉碎腔106中添加有改性剂，所述改性剂的添加用以改善物料的流动性，降低粉碎后纳米颗粒的表面自由能，防止粉碎后纳米颗粒的团聚，提高粉碎效率。所述改性剂是硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂、硬脂酸、铝酸酯类偶联剂或表面活性剂，其添加量是物料重量份的1.5％左右。
经本发明制备工艺粉碎后的物料颗粒40～80％的粒度在20～1000nm。
本发明是一种采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的装置，该装置由气源系统2、粉碎系统1和气固分离系统3组成(参见图1所示)，或者由气源系统2、粉碎系统1、改性剂喷入系统4和气固分离系统3组成(参见图1A所示)，气源系统2与粉碎系统1通过管道连接，粉碎系统1与改性剂喷入系统4通过管道连接。本发明提供的一个是可以添加改性剂对物料表面进行改性，目的是提供在粉碎腔106中获得一个更佳好的物料流动性，提高粉碎效果；另一个是不对物料表面进行改性。本发明的这两个装置能够实现相同的粉碎功能。
所述气源系统1包括有空压机201、干燥器202、加热器203、温度传感器204和温度控制器205；温度传感器204与温度控制器205相连，温度传感器204的敏感端安装在加热器203内；由空压机201产生的高压气体进入干燥器202中进行干燥处理、然后经加热器203加热获得一定温度(20～200℃范围之间连续可调)的干燥高压气体。
所述气固分离系统3包括有过滤器301、气体反吹器、引风机，所述引风机与引风机接口115连接，气体反吹器分别与气体反吹器A接口117、气体反吹器B接口116连接，过滤器301安装在气固分离腔109上部，所述过滤器301为陶瓷或高分子材料制成的毛细管状结构。该气固分离系统3可以使粉碎腔中物料与空气实现分离。在本发明中，气源系统1输出的干燥高压气体，与气体反吹器产生的空气，以及引风机吸走的空气之间的相互作用，能够使物料在粉碎腔106、上升管102、左回流管103、右回流管101中形成循环流动。
参见图2所示，所述粉碎系统1包括有圆柱壳体111、左锥部113、右锥部112、右回流管101、上升管102、左回流管103、左喷嘴104、右喷嘴105、粉碎腔106，圆柱壳体111的上部设有引风机接口115、气体反吹器A接口117、气体反吹器B接口116；圆柱壳体111的下部连接有左锥部113、上升管102、右锥部112，左锥部113与右锥部112之间有一A形槽114，上升管102放置在A形槽114内，左锥部113另一端连接有左回流管103，左回流管103另一端连接在粉碎腔106上，右锥部112另一端连接有右回流管101，右回流管101另一端连接在粉碎腔106上，左喷嘴104、右喷嘴105分别连接在粉碎腔106的左进气端107、右进气端108；圆柱壳体111内设有气固分离腔109、过滤器301。所述左回流管103、右回流管101和上升管102构成气流粉碎过程的物料循环回路(参见图3所示)。
实施例1对氧化铝造粒球采用气流粉碎方法制备纳米级氧化铝颗粒粉碎前氧化铝造粒球的扫描电镜照片如图4所示，图中，粉碎前的氧化铝造粒球呈现为几十微米的球形颗粒，粒度小于1微米的氧化铝颗粒几乎没有。采用马尔文2000型粒度仪测得粉碎前氧化铝造粒球的粒度为1～50μm。
采用本发明的制备工艺和制备装置对氧化铝造粒球(物料)进行粉碎步骤有第一步将氧化铝造粒球(物料)放置于粉碎腔106内，所放氧化铝造粒球的用量为500g；第二步对空压机201产生的高压气体(压力0.6MPa)在干燥器202中进行干燥处理后，输出至加热器203中进行加温处理获得干燥高压气体；所述干燥高压气体温度为25℃，对加热器203中的干燥气体的温度测量和温度控制采用温度传感器204和温度控制器205实现，所述温度传感器204采用XMT-101T型热电偶，所述温度控制器205采用KTF1-30型可控硅调压器。
第三步循环连续粉碎氧化铝造粒球粉碎系统1的左喷嘴104、右喷嘴105接收由第二步骤制得的所述干燥高压气体，所述干燥高压气体经左喷嘴104、右喷嘴105后形成二股超音速射流进入粉碎腔106中，所述二股超音速射流携带物料，通过带料射流的对撞，实现物料的高纯粉碎；粉碎后的物料通过上升管102进入气固分离腔109中，在引风机产生的引风作用下，通过过滤器301实现物料与空气的分离；分离后的物料通过左回流管103、右回流管101利用气体射流的引射作用进入粉碎腔106中实现物料的循环连续粉碎。粉碎后的氧化铝造粒球透射电镜照片如图5所示，图中，含有大量的纳米级氧化铝颗粒。采用马尔文2000型粒度仪测得粉碎后的氧化铝造粒球中41％的颗粒粒度在20～1000nm。在此步骤中，循环连续粉碎氧化铝造粒球时间为1h。
本发明工艺的原理是采用超音速射流喷嘴(左喷嘴104、右喷嘴105)，利用二股超音速射流携带物料粉，通过带料射流的对撞，实现高纯的粉碎，由于物料粉的循环连续粉碎，由此获得纳米级颗粒。在对颗粒进行纳米级射流粉碎时，采用可循环、连续的粉碎方式进行连续射流粉碎，这样可以通过控制颗粒的粉碎时间，对颗粒进行连续粉碎而获得纳米级颗粒。粉碎过程中，纳米颗粒与空气的分离是通过陶瓷或高分子材料过滤器来实现的。
由于采用该工艺对颗粒进行粉碎，是利用物料之间的碰撞进行粉碎，不存在其它介质的磨损，因而可以获得高纯度的纳米颗粒。该工艺可以实现工业化的高纯纳米颗粒粉碎制备，尤其适用于对高纯度、高硬度的脆性材料进行粉碎，批量获得纳米级颗粒。
实施例2对氧化铝造粒球采用气流粉碎方法制备改性纳米级氧化铝颗粒第一步与实施例1相同；第二步与实施例1相似，不同之处在于所述干燥高压气体温度为60℃；第三步与实施例1相似，不同之处在于粉碎系统1连接有改性剂喷入系统4(参见图1A所示)，在粉碎同时，喷入钛酸酯偶联剂NDZ-401对氧化铝材料进行表面改性处理，以增加颗粒的流动性，防止粉碎后颗粒的团聚。所述钛酸酯偶联剂NDZ-401的重量份用量为物料的1.5％。
对上述制备得到的改性纳米级氧化铝颗粒采用马尔文2000型粒度仪测得粉碎后的氧化铝造粒球中45％的颗粒粒度在20～1000nm。粉碎后的改性氧化铝造粒球透射电镜照片如图6所示，与图5所示的粉碎后氧化铝造粒球相比，含有改性剂的纳米级氧化铝颗粒其分散性要好于不含有改性剂的纳米级氧化铝颗粒。
在相同的工艺条件下，通过采用不同改性剂(硅烷类偶联剂、硬脂酸、铝酸酯类偶联剂或表面活性剂)进行实验，在添加量为1.5％左右(100重量份的物料添加改性剂1.5份)时，其颗粒粉碎效果相差不大。
改性剂的添加使氧化铝表面形成改性膜，在进行粉碎时，对氧化铝进行分散和表面改性处理，增加氧化铝颗粒的流动性，防止粉碎后氧化铝纳米颗粒的团聚，最终获得分散性良好的氧化铝纳米颗粒。
实施例3对二氧化硅采用气流粉碎方法制备纳米级二氧化硅颗粒第一步、第二步与实施例1相同；第三步与实施例1相似，不同之处在于粉碎时间为2h。
对上述制备得到的纳米级二氧化硅(SiO2)颗粒采用马尔文2000型粒度仪测得粉碎后的二氧化硅(SiO2)中54％的颗粒粒度在20～1000nm。
本发明的制备工艺中，当粉碎的时间越长，其物料的颗粒粒度就更小。
权利要求
1.一种采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的工艺，其特征在于包括下列步骤第一步将物料放置于粉碎腔(106)内，所放物料用量为粉碎腔(106)容积的1/5～3/5；第二步对空压机(201)产生的高压气体在干燥器(202)中进行干燥处理后，输出至加热器(203)中进行加热处理获得干燥高压气体；所述干燥高压气体温度为20～200℃，对加热器(203)中气体的温度测量和温度控制采用温度传感器(204)和温度控制器(205)实现，所述温度传感器(204)是热电偶；所述空压机(201)产生的高压气体的压力为0.1～1MPa；第三步循环连续粉碎物料(A)粉碎系统(1)的左喷嘴(104)、右喷嘴(105)接收由第二步骤制得的干燥高压气体，所述干燥高压气体经左喷嘴(104)、右喷嘴(105)后形成二股超音速射流进入粉碎腔(106)中；所述二股超音速射流携带粉碎腔(106)内的物料，通过带料射流的对撞，实现物料的高纯粉碎；(B)粉碎后的物料通过上升管(102)进入气固分离腔(109)中，在引风机产生的引风作用下，通过过滤器(301)实现物料与空气的分离；分离后的物料顺次通过左锥部(113)、左回流管(103)利用气体射流的引射作用进入粉碎腔(106)中再次粉碎，或者分离后的物料顺次通过右锥部(112)、右回流管(101)利用气体射流的引射作用进入粉碎腔(106)中再次粉碎；(C)周而复始(B)步骤，实现物料的循环连续粉碎；所述循环连续粉碎物料时间为0.5～8h。
2.根据权利要求1所述的采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的工艺，其特征在于在第三步骤时，在粉碎腔(106)中添加有改性剂，所述改性剂的添加用以改善物料的流动性，降低粉碎后纳米颗粒的表面自由能，防止粉碎后纳米颗粒的团聚，提高粉碎效率。
3.根据权利要求2所述的采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的工艺，其特征在于所述改性剂添加时间是在粉碎前与物料预混合或者是在物料粉碎的过程中同时添加。
4.根据权利要求2所述的采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的工艺，其特征在于所述改性剂是硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂、硬脂酸、铝酸酯类偶联剂或表面活性剂。
5.根据权利要求1或2所述的采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的工艺，其特征在于所述粉碎后的物料中，40～80％的颗粒粒度在20～1000nm。
6.根据权利要求1或2所述的采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的工艺，其特征在于所述物料是氧化铝造粒球、二氧化硅颗粒或者硅藻土。
7.一种应用于如权利要求1所述的采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒工艺的装置，其特征在于由气源系统(2)、粉碎系统(1)和气固分离系统(3)组成，气源系统(2)与粉碎系统(1)通过管道连接；所述气源系统(1)包括有空压机(201)、干燥器(202)、加热器(203)、温度传感器(204)和温度控制器(205)；温度传感器(204)与温度控制器(205)相连，温度传感器(204)的敏感端安装在加热器(203)内；空压机(201)通过管道与干燥器(202)连接，干燥器(202)通过管道与加热器(203)连接；所述气固分离系统(3)包括有过滤器(301)、气体反吹器、引风机，所述引风机与引风机接口(115)连接，气体反吹器分别与气体反吹器A接口(117)、气体反吹器B接口(116)连接，过滤器(301)安装在气固分离腔(109)上部，该气固分离系统(3)实现物料与空气分离；所述粉碎系统(1)包括有圆柱壳体(111)、左锥部(113)、右锥部(112)、右回流管(101)、上升管(102)、左回流管(103)、左喷嘴(104)、右喷嘴(105)、粉碎腔(106)，圆柱壳体(111)的上部设有引风机接口(115)、气体反吹器A接口(117)、气体反吹器B接口(116)；圆柱壳体(111)的下部连接有左锥部(113)、上升管(102)、右锥部(112)，左锥部(113)与右锥部(112)之间有一A形槽(114)，上升管(102)放置在A形槽(114)内，左锥部(113)另一端连接有左回流管(103)，左回流管(103)另一端连接在粉碎腔(106)上，右锥部(112)另一端连接有右回流管(101)，右回流管(101)另一端连接在粉碎腔(106)上，左喷嘴(104)、右喷嘴(105)分别连接在粉碎腔(106)的左进气端(107)、右进气端(108)上；圆柱壳体(111)内设有气固分离腔(109)。
8.根据权利要求7所述的采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的装置，其特征在于所述粉碎系统(1)通过管道连接有改性剂喷入系统(4)。
9.根据权利要求7或8所述的采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的装置，其特征在于所述左回流管(103)、右回流管(101)和上升管(102)构成气流粉碎过程的物料循环回路。
10.根据权利要求7或8所述的采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的装置，其特征在于所述过滤器(301)采用陶瓷或高分子材料加工制成管状结构。
全文摘要
本发明公开了一种采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的工艺和装置，该装置包括气源系统、粉碎系统和气固分离系统，在粉碎系统中的左回流管、右回流管和上升管构成了气流粉碎过程的物料循环回路，采用两个超音速射流喷嘴，形成二股超音速射流携带物料，通过带料射流的对撞，实现物料的高纯粉碎，由于物料的循环连续粉碎，由此获得纳米级颗粒。由于采用该工艺对颗粒进行粉碎，是利用物料之间的相互碰撞进行粉碎，不存在其它介质的磨损，因而可以获得高纯度的纳米颗粒。该工艺简单可行，具有通用性，可以实现工业化的纳米颗粒粉碎制备，尤其适用于对高纯度、高硬度的脆性材料进行粉碎，批量获得纳米级颗粒。
文档编号B02C23/08GK101049580SQ20071009896
公开日2007年10月10日 申请日期2007年4月30日 优先权日2007年4月30日
发明者沈志刚, 蔡楚江, 麻树林, 邢玉山 申请人:北京航空航天大学