专利名称：一种控制微细粒子聚集形态的方法
技术领域：
本发明涉及材料科学领域，尤其涉及一种控制微细粒子聚集形态的方法。
技术背景一般情况下，微细粉体粒子的聚集形态是不确定的， 一些呈现团簇形状， 一些呈现链的 形状。在电流变液体(由不导电的母液和电介质微粒组成)中，介电粒子热运动形成的均匀 悬浮液在外电场的作用下，介电粒子表面出现极化电荷形成电偶极子。电偶极子之间的相互 作用促使粒子沿电场方向排列，形成链状聚集结构，如文献"朱克勤，陶容甲，电流变液和 电流变效应，力学进展，第24巻，第2期，1994"。这种现象能够使电流变液迅速固化，并 具有可逆性，目前电流变液体已经商品化。在气、固两相分散体系中，微细介电粒子在电场 作用下同样能够形成粒子链聚集体。最早进行系统研究的是G Zebel等学者，他们是在利用 静电除尘器收集铁的氧化物粒子过程中对粒子链的形成进行了描述，指出气、固两相体系中 粒子链的形成同样源于电偶极子的相互作用，并提出了静电形成力的概念，如文献"G. Zebel, 'iiber die aggregatbildung zwischen kugelformigen aerosolteilchen mit parallel ausgerichteten dipolmotnenten， ， Staub， vol.23, 263-268， 1963，，禾口 "R. Flossmann and A. Schiitz， 'Untersuchungen zur Entstaubung von braunetn konverterrauch nach einem neuartigen elektrostatischen verfahren， ， Staub， vol. 23， 443-451,1963"。从静电粉尘 收集的角度，主要关注的是微细粒子能否在静电场作用下聚集成粗大粒子，便于收集，并不 关注粒子聚集体的具体形状。但是从材料科学角度，如果粒子的聚集形态可以人为控制，.使 粒子链为主要聚集形态，那么对于制备功能微细纤维以及纤维结构陶瓷材料有很重要的意义。G. Kasper等学者利用火焰产生的Fe203气溶胶粒子进行了实验研究，粒子的粒径范围在 几十纳米，实验结果表明通过控制燃烧气体成分和气溶胶粒子浓度，粒子链聚集体是可以控 制形成的，如文献"G. Kasper, S-N Shon and D.T.Shaw, 'controlled formation of chain aggregates from very small metal oxide particles', Am. Ind. Hyg. Assoc. J(41),288-296， 1980"。在文献"H. Yamamoto and S. Masuda, 'Fabrication of ultrafine ceramic filter, ， IEEE Trans. Ind, Appl. ， vol. 27, pp. 307—310, 1991"禾卩"H. Yam柳oto and S. Masuda, 'Electrostatic formation of ceramic membrane, ， Cerara. Trans. ， vol. 31， pp.305-314， 1993"中，H. Yamamoto和S. Masuda首先进行了利用静电力控制微细粒子的聚 集形态制作陶瓷多孔膜的实验研究，微细粒子来源于化学气相沉积法(CVD， chemical vapor deposition method)生成的SbN4粒子，平均粒径为70纳米。Si;jN4粒子在静电场作用下形成了粒子链沉积在基材表面，在1200'C温度烧结后，得到了三维网络结构的多孔陶瓷膜，有效 孔径在0.2 l,0um范围。在上述两位学者之后，文献"B. SuandK. L. Choy, 'Electrostatic assisted aerosol-gel deposition of porous silica films, ， _J. Mater. Sci. Lett., vol.18, pp. 1705-1707， 1999"中，B. Su和K. L. Choy将硅溶胶水溶液雾化，雾化过程中硅溶胶颗粒 被荷上电荷，在静电力的作用下沉积在玻璃基材表面，再经500'C温度加热，最后得到了网 状结构的Si02膜。但是近年来，上述学者对静电形成多孔陶瓷膜的研究归于沉寂。 发明内容本发明的目的是提供一种控制微细粒子聚集形态的方法，该方法可以控制粒子的排列方 式，使粒子以珍珠链形式聚集，在制备微细纤维方面有重要应用。微细粒子，特别是微米级或亚微米级颗粒，在空气中极易粘结成团，其根本原因是粒子 间三种主要的作用力范德华力(分子间作用力)、静电力和液体架桥力。粒子间范德华力是 由多个分子综合相互作用产生的，其有效作用距离达到50nm;静电力是由粒子的自然荷电电 荷的库仑相互作用产生，自然荷电主要包括摩擦带电、接触荷电和宇宙线照射；当空气的相 对湿度超过65%时，水蒸气开始在粒子表面及粒子间凝集，粒子间形成液桥而大大增强了粘 结力。本发明的方法首先将微细粉体充分分散，形成气、固两相分散系，之后利用静电力和 气体流动控制微细粒子以粒子链为主要聚集形态。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一种控制微细粒子聚集形态的方法，其使用的裟置包括供粉筒，由多孔筛板l、粉体2、排气孔3、压縮空气4、气室5、和粉体输出 管6构成；供粉枪，由来自粉体输出管6的粉体、氮气7、压力调整阀门8和喷嘴9构成；粉体除电装置，由交流高压电源10和双层不锈钢筛网电极11构成；沉积室，由进粉口12、高压电极13、基材14、接地电极15和残余粉体收集口 16构成。来自空气压缩机的压縮空气 4通过多孔筛板1使粉体2在气室5内流动起来，呈沸腾状态；粉体2预先放置在气室5内 的多孔筛板1之上，干燥的压缩空气4通过多孔筛板1使粉体2成流动状态，悬浮于气相中 的粉体粒子将充满气室的剩余空间，气室5的顶盖设置有排气孔3，以减小气室内的压力； 悬浮于气相中的微细粉体粒子通过一根粉体输出管6输送到供粉枪；输送到供粉枪的粉体与 氮气7混合，氮气的压力可以通过压力调整阀门8调节；与氮气混合后的粉体，经过喷嘴9 喷出，进入到粉体除电装置；粉体除电装置是通过在两片不锈钢筛网电极ll施加交流高电压 10产生正负离子，高速流动的粉体粒子表面如果带有多余电荷，在通过除电装置时将会被中 和掉，消除粉体粒子之间的静电作用力；经过以上装置充分分散后的粉体最终进入到沉积室， 高速流动的粉体首先经过喇叭形的进粉口 12降低速度，降低至0.2~0.8m/s，然后在高压电极 13和接地电极15之间施加高压静电场，当流动的粉体粒子经过该电场时，在静电力的作用下沉积到基材i4表面,形成珍珠链状聚集体r没有沉积的粉体粒子由粉体收集口 16收集起来， 再次利用。本发明中粉体的充分分散，即消除粒子间三种主要的作用力范德华力(分子间作用力)、 静电力和液体架桥力，是通过以下方式解决的对粉体充分干燥消除液体架桥力；利用高速 气流使粉体与气室壁和供粉枪的内壁撞击，消除粒子间的分子作用力；高速流动的粉体粒子 经过除电装置，由除电装置产生的正负离子消除粒子表面多余电荷。所谓的粉体的充分分散， 是指消除微细粉体的团聚颗粒，仅能观察到单颗粒。本发明中所使用的微细粉体，是指介电性的或者是导电性的微细粉体材料，其平均粒径 小于5um;微细粉体粒子跟随载气(氮气)进入沉积室的流动速度在0.2~0.8111/3范围，微细 粒子在载气中的浓度范围是50 100mg/cm3。本发明中用于控制粒子聚集形态的电场必须是静电场，即没有自由电荷存在的电场，静 电场的场强范围l~4kV/cm。在静电场(场强范围1 4kV/cm)和气体流动场(流动速度0.2^0.8m/s)的共同作用下， 在沉积室内放置的基材表面所观察到的粒子聚集形貌是由粒子珍珠链构成的絮状结构或者是 由粒子珍珠链构成的集束状结构。本发明的有益效果是粒子珍珠链构成的絮状结构或者是由粒子珍珠链构成的集束状结 构通过其他方法增强其机械强度，例如烧结的方法，可以使粒子珍珠链转变为陶瓷纤维，进 而可以得到三维网状结构的功能性陶瓷材料，在制备纤维型陶瓷材料方面有重要应用。'
图1是本发明所使用的供粉筒结构示意图。图2是本发明所使用的供粉枪结构示意图。图3是本发明所使用的粉体除电装置结构示意图。图4是本发明所使用的沉积室结构示意图。图5是本发明一实施例微细氧化镁粉体分散后的效果图。图6是本发明一实施例在基材表面得到的氧化镁粒子珍珠链聚集体的微观形貌图。 图中1、多孔筛板，2、粉体，3、排气孔，4、压縮空气，5、气室，6、粉体输出管， 7、氮气，8、压力调整阀门，9、喷嘴，10、交流高压电源，11、双层不锈钢筛网电极，12、 进粉口， 13、高压电极，14、基材，15、接地电极，16、残余粉体收集口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细地描述如图1至图4所示，以氧化镁(分子式MgO)为具体实施材料，氧化镁微细粉体材料的平均粒径为5um。来自空气压縮机的压縮空气4 (压力为0.5Mpa)通过多孔筛板1使粉体2在气室内 流动起来，呈沸腾状态；100g氧化镁粉体2预先放置在气室5内的多孔筛板l(孔径400 目)之上，干燥的压缩空气4通过多孔筛板1使粉体2成流动状态，悬浮于气相中的粉 体粒子将充满气室的剩余空间，气室5的顶盖设置有排气孔3，以减小气室内的压力； 悬浮于气相中的微细粉体粒子通过一根粉体输出管6输送到供粉枪，输送到供粉枪的粉 体与氮气7 (压力0.5Mpa)混合，氮气的压力可以通过压力调整阀门8调节；与氮气混 合后的粉体，经过喷嘴9喷出，进入到粉体除电装置；粉体除电装置是通过在两片不锈 钢筛网电极11施加交流高电压IO产生正负离子，高速流动的粉体粒子表面如果带有多 余电荷，在通过除电装置时将会被中和掉，消除粉体粒子之间的静电作用力，两片不锈 钢筛网电极之间的距离为5mm，施加的交流高电压峰值为10kV，分散后的氧化镁粉体 效果图如图5所示。经过上述装置充分分散后的粉体最终进入到沉积室，高速流动的粉体首先经过喇叭 形的进粉口 12降低流动速度，降低至0.2~0.8m/s，然后在高压电极13和接地电极15之 间施加高压静电场，高压电极上施加的直流高电压为3kV,场强为4kV/cm。当流动的粉 体粒子经过该电场时，在静电力的作用下沉积到基材14表面，形成珍珠链状聚集体；没 有沉积的粉体粒子由粉体收集口 16收集起来，再次利用。在基材(10X10X5mm三氧化二铝陶瓷块)表面得到的氧化镁粒子珍珠链聚集体的 微观形貌如图6所示。
权利要求
1、一种控制微细粒子聚集形态的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤粉体(2)预先放置在气室(5)内的多孔筛板(1)之上，来自空气压缩机的干燥压缩空气(4)通过多孔筛板(1)使粉体(2)在气室(5)内流动起来，呈沸腾状态；悬浮于气相中的微细粉体粒子通过一根粉体输出管(6)输送到供粉枪，输送到供粉枪的粉体与氮气(7)混合，氮气的压力通过压力调整阀门(8)调节，与氮气混合后的粉体，经过喷嘴(9)喷出，进入到粉体除电装置；粉体除电装置是通过在两片不锈钢筛网电极(11)施加交流高电压(10)产生正负离子，高速流动的粉体粒子表面如果带有多余电荷，在通过除电装置时将会被中和掉，消除粉体粒子之间的静电作用力；经过上述装置充分分散后的粉体最终进入到沉积室，高速流动的粉体(2)首先经过喇叭形的进粉口(12)降低速度，降低至0.2～0.8m/s，然后在高压电极(13)和接地电极(15)之间施加高压静电场，当流动的粉体粒子经过该电场时，在静电力的作用下沉积到基材(14)表面，形成珍珠链状聚集体；没有沉积的粉体粒子由粉体收集口(16)收集，再次利用。
2、 如权利要求1所述的一种控制微细粒子聚集形态的方法，其特征在于，所述微细粉体 (2)是介电性或导电性的微细粉体材料，其平均粒径小于5um。
3、 如权利要求1所述的一种控制微细粒子聚集形态的方法，其特征在于，所述沉积室内 静电场的场强为1 4kV/cm。
4、 如权利要求1或3所述的一种控制微细粒子聚集形态的方法，其特征在于，所述沉积 室的入口为喇叭形状，入口和出口的直径比为5: 1。
5、 如权利要求1所述的一种控制微细粒子聚集形态的方法，其特征在于，所述微细粒子 聚集形态为粒子珍珠链构成的絮状结构或由粒子珍珠链构成的集束状结构。
全文摘要
一种控制微细粒子聚集形态的方法涉及材料科学领域，该方法利用气相分散后的微细粉体粒子，在静电场和气体流动场的共同作用下，控制粒子在基材表面的聚集形态，使粒子的聚集形态主要为珍珠链的形式。经过高温烧结，粒子的珍珠链结构形成了陶瓷纤维或者陶瓷纤维束，从而可以得到三维网状结构多孔陶瓷。本发明的有益效果是该方法控制粒子的排列方式，使粒子以珍珠链形式聚集，在制备微细纤维方面有重要应用。
文档编号C04B35/626GK101244938SQ200810010668
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月13日 优先权日2008年3月13日
发明者李国锋, 李思国, 王宁会, 王志强, 王翠华, 王进君 申请人:大连理工大学