一种纳米材料陶瓷球及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及燃料改质技术领域，尤其涉及一种纳米材料陶瓷球及其制备方法和应用。


背景技术：

2.近年来地球暖化、气候恶劣变迁，其主要原因就是石油系产品大量使用，更以工厂及汽柴油车是主要排放源。
3.然而鉴于发动机工艺之有限，目前之技术仍无法使燃油中的碳氢化合物在燃烧室内完全燃烧，进而导致燃油的损耗并产生大量的有毒废气，造成严重的空气污染，且连带造成燃烧装置容易积碳，同时折损机械的使用寿命。
4.目前市面上销售各式各样的省油器运用在油管、油箱或电瓶电线上，多使用橡胶料混合功能性粉料进行热成型，其功效一直无法让消费者真正感到满意且效用寿命不长，其材料组成比例、分散性、接触面积与制程相对存在许多进步的空间。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种纳米材料陶瓷球及其制备方法和应用，以解决现有技术中省油器使用效果不理想的问题。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
7.本发明提供了一种纳米材料陶瓷球，由包含如下质量份数的原料制备得到：
8.纳米二氧化钛1～30份、纳米二氧化锆1～30份、纳米电气石1～30份、高岭土1～30份。
9.优选的，所述纳米二氧化钛、纳米二氧化锆和纳米电气石的粒径独立的为1000～10000目。
10.本发明还提供了所述纳米材料陶瓷球的制备方法，包含如下步骤：
11.(1)将第一部分高岭土和水混合后搓成软球、烘烤，得到球核心；
12.(2)将第二部分高岭土、纳米二氧化钛、纳米二氧化锆和纳米电气石混合后进行预拌，得到预拌料；
13.(3)将球核心、水、粘着剂和预拌料混合后搓圆，得到纳米材料；
14.(4)对所述纳米材料进行烘烤，得到纳米材料陶瓷球；
15.所述步骤(1)和步骤(2)没有先后顺序的要求。
16.优选的，所述步骤(1)中，第一部分高岭土和水的质量比为5～10:1～3。
17.优选的，所述步骤(1)中，软球的粒径为0.8～2.2mm。
18.优选的，所述步骤(1)中，烘烤的温度为1100～1400℃，时间为40～52h。
19.优选的，所述第一部分高岭土和第二部分高岭土的质量比为 (8～10):(6～8)。
20.优选的，所述步骤(3)中，球核心、水和粘着剂的质量比为(6～9):(0.1～2): (0.1～2)，所述纳米材料的粒径为2～30mm。
21.优选的，所述步骤(4)中，烘烤的温度为800～1300℃，时间为40～52h。
22.本发明还进一步提供了所述纳米材料陶瓷球在改质、活化及促进燃油高效率燃烧并降低废气排放中的应用。
23.本发明的技术原理及有益效果：
24.燃油无法在汽缸内完全充分燃烧的主要原因之一就是燃油成分中含有高分子量的碳氢化合物分子，如芳香苯(benzene)等，此等大碳氢分子需要时间才能在高温下充分分解与燃烧。因此，深藏在此分子最内部的碳氢基往往在短短的爆程时段内还没有机会与氧混合燃烧就被迅速排出缸外，成为有害尾气的主要成份。
25.利用量子力学中的电子气体理论模式来运算，估测此等分子之基本分子谐振阶态(fundamental modes)电位约为0.09-0.42电子伏特ev。进一步由蒲朗克公式推导，可以得到下列光子动能的简化公式：
26.λ(μm)＝1.2398(ev-μm)/e(ev)
27.其中，λ是光子的波长，单位为微米μm；e则是光子的动能，单位为电子伏特ev。
28.藉由公式可以算出：波长在3-14微米之间的远红外线光子可以提供足够的能量来克服0.09-0.42电子伏特的电位位能，使得陷于该力场中的电子被共振激发而提高其谐振阶态。其实，在有机化学的研究中早以指出：波长在3-14微米的红外线可以激起分子的伸缩(stretching)与变角(bending)振动。另一方面，根据有机化学的红外线吸收频谱显示，碳氢化合物分子中的碳氢饱和共价键(c-h)，可以共振吸收3.2-3.6微米波长的光子；而非饱和的二价碳键(c＝c)与三价碳键(c≡c)则分别能吸收5.8-6.2与4.4-4.7微米波段的光子。
29.基于上述理由，碳氢分子族具红外线活性(infrared-active)，能吸收3-14 微米区间的远红外线光子产生分子键的伸缩或变角共振运动，降低化学反应位阶屏障(activation barrier)而提高化学反应率(reaction rate)。由此可知，远红外线可以共振激发燃油分子间的键能，只需较小的能量即可打断燃油分子之间的凡得瓦力van der waals force，进而让燃油分子团变小，动能高，较易与氧气充分融合燃烧，令之重组成二氧化碳和水蒸汽，释出能量；简言之，可以提高燃油及燃油气在发动机气缸内的热能转换效率，可以用较少的油耗，达到同样的输出功率。同时，未完全燃烧的碳氢、一氧化碳或在柴油机中微碳粒的排放浓度也都将很明显地降低。此外，由于燃油内含热能被转移成有效作功而相对地降低废气的热耗部分，因而不会提高废气的温度，也势将压抑氮化物no
x
的产生。整体说来，不仅能达到节能，废气排放可普遍降低。
30.本技术发明人运用数种纳米级天然矿石，发明此纳米陶瓷造粒技术，使用高岭土成为数种纳米材料的结合成分，再利用搓圆与沾黏的工艺，产生表面多孔与堆栈的层次，在经过摄氏1300度高温烧结的情况下，进行结晶成球。不仅可提供对于燃油改质之最佳波长放射率，同时更提高接触表面积来最大化纳米材料之特性，并具抗候性、不燃性、耐酸碱性及抗静电等优点。
31.如此制得的远红外线放射陶瓷材料其成分电子可以借吸收外界任何超过绝对零度(或摄氏零下273度)以上的环境热能而被提升至较高的能阶，且其放射的光子波长可落于最适合燃油改质之微米波长远红外线光谱区间，大幅提升燃料之燃烧效率的功能目的，达到节省能源的功能要求。
32.此外，由于此纳米远红外线陶瓷球只是一个能量转换的媒介，并无任何化学反应
参与其中，且因环境热能的永远存在，故此燃料改质陶瓷球之纳米远红外线放射不会衰竭，可以永久有效。
附图说明
33.图1为本技术纳米材料陶瓷球的结构示意图；
34.图2为dynamometer测试报告-1；
35.图3为dynamometer测试报告-2；
36.图4为远红外放射图。
具体实施方式
37.本发明提供了一种纳米材料陶瓷球，由包含如下质量份数的原料制备得到：
38.纳米二氧化钛1～30份、纳米二氧化锆1～30份、纳米电气石1～30份、高岭土1～30份。
39.在本发明中，所述纳米二氧化钛为1～30份，优选为5～25份，进一步优选为10～20份，再进一步优选为14～16份。
40.在本发明中，所述纳米二氧化锆为1～30份，优选为5～25份，进一步优选为10～20份，再进一步优选为14～16份。
41.在本发明中，所述纳米电气石为1～30份，优选为5～25份，进一步优选为10～20份，再进一步优选为14～16份。
42.在本发明中，所述高岭土为1～30份，优选为5～25份，进一步优选为 10～20份，再进一步优选为14～16份。
43.在本发明中，所述纳米二氧化钛、纳米二氧化锆和纳米电气石的粒径独立的为1000～10000目，优选为2000～8000目，进一步优选为4000～6000目。
44.在本发明中，所述纳米二氧化钛、纳米二氧化锆和纳米电气石的纯度》99.5％，优选》99.9％。
45.本发明还提供了所述纳米材料陶瓷球的制备方法，包含如下步骤：
46.(1)将第一部分高岭土和水混合后搓成软球、烘烤，得到球核心；
47.(2)将第二部分高岭土、纳米二氧化钛、纳米二氧化锆和纳米电气石混合后进行预拌，得到预拌料；
48.(3)将球核心、水、粘着剂和预拌料混合后搓圆，得到纳米材料；
49.(4)对所述纳米材料进行烘烤，得到纳米材料陶瓷球；
50.所述步骤(1)和步骤(2)没有先后顺序的要求。
51.在本发明中，所述步骤(1)中，第一部分高岭土和水的质量比为5～10: 1～3，优选为6～8:2。
52.在本发明中，所述步骤(1)中，软球的粒径为0.8～2.2mm，优选为1～2mm，进一步优选为1.5～1.8mm。
53.在本发明中，所述步骤(1)中，烘烤的温度为1100～1400℃，优选为 1150～1350℃，更优选为1200～1300℃；时间为40～52h，优选为42～50h，更优选为45～48h。
54.在本发明中，所述步骤(1)中搓圆在搓圆机中进行，所述步骤(2)中预拌在预拌机
中进行，所述步骤(3)中搓圆在搓圆机上进行，所述步骤(4)中烘烤在循环式隧道烤炉设备中进行。
55.在本发明中，所述第一部分高岭土和第二部分高岭土的质量比为(8～10):(6～8)，优选为9:7。
56.在本发明中，所述步骤(3)中，球核心、水和粘着剂的质量比为(6～9):(0.1～2):(0.1～2)，优选为(7～8):(0.5～1.5):(0.5～1.5)；所述纳米材料的粒径为2～30mm，优选为5～25mm，进一步优选为10～20mm，更进一步优选为12～18mm。
57.在本发明中，所述步骤(4)中，烘烤的温度为800～1300℃，优选为900～1200℃，更优选为1000～1100℃；时间为40～52h，优选为42～50h，更优选为45～48h。
58.本发明还进一步提供了所述纳米材料陶瓷球在改质、活化及促进燃油高效率燃烧并降低废气排放中的应用。
59.下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
60.本发明各实施例中高岭土具体为龙岩高岭土，其化学组成为：al2o330～35wt％，sio248～52wt％，fe2o30.5～1wt％，cao0.1～0.3wt％，mgo0.05～0.15wt％，k2o3～7wt％，na2o0.3～0.6wt％，tio20.03～0.11wt％，烧失量7～13wt％。
61.在本发明各实施例中，所述粘着剂为高分子界面活性剂ra-2，购自凯斯特国际有限公司。
62.实施例1
63.将9份高岭土和1份水混合后用搓圆机搓成直径为2mm的软球，在1100℃下烘烤48h时间，得到球核心。
64.将7份高岭土和1份纳米二氧化钛、1份纳米二氧化锆和1份纳米电气石混合后进行预拌，得到预拌料。
65.将所得球核心、0.9份水、0.1份ra-2粘着剂和所得预拌料混合后在搓圆机中搓圆，得到粒径为3～5mm的纳米材料。
66.将所得纳米材料在1100℃下烘烤48h，得到纳米材料陶瓷球。
67.实施例2
68.将9份高岭土和1份水混合后用搓圆机搓成直径为2mm的软球，在1200℃下烘烤46h时间，得到球核心。
69.将7份高岭土和2份纳米二氧化钛、2份纳米二氧化锆和3份纳米电气石混合后进行预拌，得到预拌料。
70.将所得球核心、0.9份水、0.1份ra-2粘着剂和所得预拌料混合后在搓圆机中搓圆，得到粒径为3～5mm的纳米材料。
71.将所得纳米材料在1000℃下烘烤48h，得到纳米材料陶瓷球。
72.实施例3
73.将9份高岭土和1份水混合后用搓圆机搓成直径为2mm的软球，在1300℃下烘烤48h时间，得到球核心。
74.将7份高岭土和3份纳米二氧化钛、1份纳米二氧化锆和2份纳米电气石混合后进行预拌，得到预拌料。
75.将所得球核心、0.9份水、0.1份ra-2粘着剂和所得预拌料混合后在搓圆机中搓圆，得到粒径为3～5mm的纳米材料。
76.将所得纳米材料在1250℃下烘烤45h，得到纳米材料陶瓷球。
77.将实施例1所得纳米材料陶瓷球组装后进行效果验证，具体内容如下：
78.(1)经rheinlandtaiwan台湾德国莱茵测试，测试车辆为2005fordescape2.3l2wd汽油车，采用美国fpt-75路跑测试步骤，在相同路段与行车条件下，测试该车在中速行驶(60公里/小时)与高速行驶(90公里/小时)，未安装产品(简称对照组)与安装产品(简称实验组)之燃油销后情形，行驶信息以gps纪录，证实于60km/h时速行驶37.5km里程时，省油率达11.71％，而于90km/h时速行驶18.7km里程时，省油率达14.11％。
79.(2)经sgs台湾检验科技股份有限公司测试，测试车辆为benz2400cc德式汽油车，采用美国fpt-75路跑测试步骤，在相同路段与行车条件下，未安装产品时的每公升里程数为12.79km/l，安装产品后的每公升里程数提升为14.32km/l，省油效率为10.68％。具体测试结果见表1：
80.表1sgs测试结果
[0081][0082]
(3)经美国加州epa及carb认可最严格之专业测试场californiaenvironmentalengineering(cee)实测，使用ftp联邦测试步骤，证实:
[0083]
2004chevrolettahoe汽油车，明显提升燃油效率，同时降低尾气排放如thc,co,nox。
[0084]
2003dogeram2500汽油车，明显提升燃油效率，同时降低所有的尾气排放。
[0085]
2005toyotacamrypartialzeroemissionvehicle汽车，测试结果省油率为6％。
[0086]
2005kenworthw9大型卡车，搭载cat472柴油引擎，证实省油率达10％，同时降低所有的尾气排放如hc,co,nox。
[0087]
2000kenworthclass8大型卡车，搭载cat472柴油引擎，证实省油率达10％，同时降低所有的尾气排放如hc,co,nox。
[0088]
(4)经香港理工大学测试，测试车辆为2003lexus/toyota汽油车(印擎号码:mcv30-6-23223)，测试方式为室内dynamometer，在湿度、温度都恒温的状态下于dynamometer上定速模拟行驶106km。未安装产品的状态下106km消耗了4.51l的汽油，安装产品后106km消耗了4.02l的汽油，证实省油率达10.9％。
[0089]
(5)经澳洲实验室dynamometer测试，2000aufalcon6cylinderlpg汽车，安装前co:0％,hc:78ppm,nox:2599ppm，安装后降为co:0％,hc:2ppm,nox:995ppm，一个礼拜后
测试降为co:0.02％,hc:10ppm，证实hc排放降低97％，no
x
降低62％。具体测试结果见图2和图3。
[0090]
(6)经台湾地区台北环境保护事务主管部门之汽车排气仪器检测:
[0091]
1996 toyota at2epn汽油车，安装前co:0.20％,hc:101ppm，安装后降为co:0.07％,hc:30ppm，一个礼拜后测试降为co:0.02％,hc:10ppm，尾气排放降低约89.50％。
[0092]
2004 honda cr-v-gx汽油车，安装前co:0.01％,hc:37ppm，安装后下降为co:0.01％,hc:5ppm，hc降低86.48％。
[0093]
(7)经台北医学院infrared spectrum远红外线研究测试，证实燃料改质之纳米陶瓷球可以吸收环境热能而释放出特定的能量波长(i.e.from fewmicron to 20 microns(from 2900 to 3300cm-1 in wave number)，此波长落于最适合燃油改质之3-14微米波长远红外线光谱区间，藉由燃油分子之间的凡得瓦力van der waals force，进而让燃油分子团变小，动能高，较易与氧气充分融合燃烧，大幅提升燃料之燃烧效率的功能目的，达到节省能源的功能要求。具体测试结果见图4。
[0094]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。