CN103949192A

CN103949192A - 一种微波辅助气溶胶制备空心球的方法

Info

Publication number: CN103949192A
Application number: CN201410019292.3A
Authority: CN
Inventors: 黎珊; 闵建中; 姜兴茂
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Linquan Jiahong Decoration Engineering Co ltd
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2034-01-16
Also published as: CN103949192B

Abstract

本发明是涉及空心球制备技术领域，具体为一种微波辅助气溶胶制备空心球的方法，该方法可按以下步骤制得：A.将空心球壳体前驱体分散于极性溶剂中，加入铵盐形成胶体溶液或真溶液，即前驱体溶液；B.将步骤A制得的前驱体溶液经雾化形成气溶胶液滴；C.将步骤B制得的气溶胶液滴导入微波发生器进行微波辐照，即得到空心球粉体粒子。本发明所述的空心球状粉体的制备方法的生产周期短，操作简便，无污染，所得空心球状粉体的微观结构不易破坏，易于实现放大，适宜推广应用。

Description

一种微波辅助气溶胶制备空心球的方法

技术领域

本发明是涉及空心球制备技术领域，具体为一种微波辅助气溶胶制备空心球的方法。

背景技术

具有空心球结构的无机微/纳米材料因其独特的物理化学性质越来越引起人们的关注，其在材料学科及其他学科方面均具有非常广阔的应用前景。无机微/纳米空心球材料具有质轻、高强度及高比表面积的特性，其在许多新兴的领域中具有较为广泛的应用，例如：空心球的空腔可用作化学微反应器，作为生物传媒、生物医药、药物缓释和药物靶向释放的载体；还可作为高效催化剂及其载体、光波微波吸收材料、光电转换材料、电绝缘材料、低介电隔热材料等等。

现有技术中的无机空心球材料的制备方法主要有模板法、超声法、喷雾热解法、激光烧蚀法、层-层组装法和水热法等，其中，最常用的方法是模板法，模板法的主要制备过程是加入模板剂，然后通过煅烧、溶解的方法去除模板得到理想的空心球结构。上述制备过程中加入的模板剂的种类较多，按照类型可分为硬模板和软模板，硬模板有离子交换树脂、高分子乳胶粒、无机离子、金属离子等，软模板有胶团、囊泡、乳化小液滴及在反应过程中生成的气体等。应用模板法可以得到各种类型和尺寸的空心球材料，所得空心球的尺寸由模板的大小决定，但是一般的模板法在去除模板剂的同时会导致杂质的残留（如残留碳或阳离子等杂质）和球体的塌陷或堵塞，这些不利因素势必会影响空心球的性能。

在反应过程中，以生成或产生的气体为模板，如采用气溶胶喷雾干燥、喷雾热解或气溶胶蒸发诱导自组装（EISA）法来制备空心球，则会产生不同的效果。近年来，关于上述方法的研究取得了一些成果，具体如下：

中国专利CN100348499C采用喷雾干燥法制备介孔空心球状二氧化钛粉体，该法将钛的氯化物制成水溶胶经喷雾干燥得纳米二氧化钛颗粒构成的空心球状粉体，再经煅烧得介孔空心球状粉体；此制备方法虽然不需添加其他试剂，产品的杂质含量小，纯度高，产率高，且表面钛原子含量高，光催化性能好，但制备过程中水溶胶需要老化，老化时间较长，也需要高温煅烧。

美国专利US7744673介绍了一种金属氧化物空心球的制备方法，该法将金属醇盐或氯化物溶于易挥发性的惰性憎水溶剂（如己烷、氯仿）中，由无水载气产生气溶胶液滴，气溶胶液滴再进入气溶胶反应器与水进行反应，憎水溶剂受热挥发，金属盐水解、缩聚形成空心球；此方法的优点在于低温、低成本，制备时间较短，无破坏性，但形成空心球需依靠憎水溶剂的蒸发，所用憎水溶剂（如己烷、氯仿）有毒性，挥发过程中会造成污染。

另外，Jiang等人（Chem.Commun.,2010,46（17）,3019-3021）采用气溶胶蒸发诱导自组装（EISA）法制备出二氧化硅介孔空心球；此法采用分解温度不高的铵盐（氯化铵或硫酸铵）作为大孔模板，表面活性剂CTAB为介孔模板，在制备过程中，铵盐受热分解得到大孔空心球，而CTAB经高温煅烧得介孔二氧化硅。虽然此法工艺过程简单，制备时间较短，易于放大，但需经高温煅烧去除CTAB和铵盐得介孔二氧化硅空心球，会造成空心球的塌陷或堵塞，导致空隙率的下降和比表面积的下降。Wu Chunwei等（Langmuir,2010,26(6),4327-4330）采用气溶胶液滴的蒸发诱导自组装的方法，以Fe₃O₄（～2.5nm）溶胶和SiO₂（～15nm）溶胶为原料，利用溶剂在高温下的快速蒸发制备了空心球颗粒，所得空心球颗粒壁较厚，粒径在100nm以上。

综上所述，目前制备无机空心球的方法都或多或少存在一些不足，因此提供一种绿色环保、生产周期短、孔隙率高、无破坏性的制备方法是当前研究的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术中的气溶胶喷雾干燥法制备空心球状粉体存在的问题，提供一种新型的微波辅助气溶胶制备空心球的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微波辅助气溶胶制备空心球的方法，按以下步骤制得：

A.将空心球壳体前驱体分散于极性溶剂中，加入铵盐形成均匀透明的胶体溶液或真溶液，即前驱体溶液；

B.将步骤A制得的前驱体溶液在气溶胶发生器中经雾化形成气溶胶液滴；

C.将步骤B制得的气溶胶液滴导入微波发生器进行微波辐照，即得到含水空心球粉体粒子。

所述步骤A中空心球壳体前驱体为氧化物胶体、金属盐、金属醇氧化物、或水溶性高分子；前驱体、极性溶剂、铵盐的质量配比为0.01-10:90-99.5:0.5-5。

所述步骤C得到的含水空心球粉体粒子可进入管式炉进一步干燥，干燥后的颗粒用过滤器收集，将固体物质与气体分离，所收集到的产物即为干燥的空心球粉体粒子。

所述步骤A中极性溶剂为水、氨水或易挥发性有机溶剂，有机溶剂为：甲酰胺、DMSO、乙腈、DMF、甲醇、乙醇、乙酸、异丙醇、丙酮或四氢呋喃；极性溶剂优选为水；所述步骤A中的铵盐为碳酸氢铵、碳酸铵、硫酸铵、氯化铵、硝酸铵或醋酸铵；所述步骤B中气溶胶液滴的粒径为0.01-100μm；所述步骤C中微波发生器的微波辐照的功率为100W-1000KW，微波作用时间为10-600s。

进一步，所述管式炉温度为100-600℃，停留时间为1s-10min，载气为空气、氮气、二氧化碳、氢气或氩气；所述氧化物胶体为氧化硅胶体、氧化钛胶体、氧化铜胶体、氧化铁胶体、氧化锆胶体或氧化钍胶体；所述金属盐为Fe、Al、Cu、Ti、Zn、Mn、Ce、Sn、Ni、Co、Ru、Sb、Pd或Cr的硝酸盐、醋酸盐或氯化盐；所述金属醇氧化物为Si、Ti、Al、Zr、Ge、Sn、Ti、Cd、Zr、Fe、Al或Cu的醇氧化物；所述水溶性高分子为聚丙烯酰胺、天然淀粉、汉生胶、琼脂、羧甲基纤维素钠（CMC）、羟乙基纤维素（HEC）、羟丙基纤维素（HPC）、阳离子纤维素聚合物、阳离子瓜尔胶、聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）、聚乙烯吡咯烷酮、丙烯酸聚合物或聚乳酸。

进一步，所述步骤A中的氧化物胶体的粒径为3nm-100nm，其中，氧化物在氧化物胶体中的质量百分含量为3-50%。

有益效果：本发明所述的空心球状粉体的制备方法的生产周期短，操作简便，无污染，所得空心球状粉体的微观结构不易破坏，易于实现放大，适宜推广应用，本发明采用的技术方案的技术优势主要体现在：

（1）采用纳米粒径的胶体溶液和其他金属盐、金属醇氧化物或有机高分子的水溶液为前驱体原料，原料易得，绿色环保，成本较低，所得的空心球为高分子空心球、氧化物空心球或还原型金属空心球，空心球壁是由介孔构筑而成，空腔体积较大，适用于用作药物缓释、生物传媒、催化剂等的载体；

（2）以分解温度较低的铵盐为模板，铵盐在较低温度下即可发生热分解，产生的气体在气溶胶粒子内发生膨胀，可扩大空心球的腔体体积，不需高温煅烧，无碳和其他金属离子等杂质的残留，产物纯度高，不存在球体的塌陷和堵塞；

（3）本发明的技术方案中的微波加热处理工艺是一种独特的分子内加热方式，微波加热具有加热快速、均匀的特点，本申请中的气溶胶粒子富含水和铵盐，这些物质都是介电常数较大的物质，能有效的吸收微波能量，快速升高温度。与传统的加热方式相比，微波加热能够使气溶胶的温度迅速均匀的升高，当体系温度达到水的沸点后，气溶胶内部的水分子能快速蒸发，形成气体；另一方面，温度的快速升高又加速了铵盐的受热分解，使气体含量进一步增大，从而得到腔体体积较大的空心球颗粒；并且，微波加热使得气溶胶各部位受热均匀，温度基本一致，有利于形成孔径均匀的外壁。此外，本发明无需表面活性剂，不需高温煅烧，减少了空心结构的坍塌，制备过程中不需有机溶剂，减少环境污染。因此，本发明提出的空心微球制备方法具有操作简单、生产周期短、应用范围广泛、绿色环保等优点，具有巨大的应用潜力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；

图1是本发明的结构示意图；

图2是实施例1制得的SiO₂微米空心球粉体的电子显微镜照片，其中，（a）为SEM图，（b）为TEM图；

图3是实施例一制得的SiO₂微米空心球粉体的电子显微镜照片，其中，(a)为SEM图，(b)为TEM图；

图4是实施例5制得的氧化铁空心球粉体的透射电子显微镜照片。

图中，1.反应装置；2.进料管；3.气溶胶发生器；31.载气装置；4.微波室；5.管式炉；6.过滤室；61.产物收集台；7.尾气收集装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。如图1所示的是一种微波辅助气溶胶制备空心球的装置，根据前述制备方法，首先，在反应装置1中配制步骤A中的前驱体溶液，然后将前驱体溶液经反应装置1上固定连接的进料管2进入气溶胶发生器3，进料管2的出口固定连接有载气装置31，前驱体溶液经过气溶胶发生器3雾化形成气溶胶液滴，即为步骤B，然后，将气溶胶液滴导入微波室4进行微波辐照，得到含水空心球粉体粒子，即为步骤C，步骤C得到的含水空心球粉体粒子也可进入管式炉5进一步干燥，干燥后的颗粒用过滤器6过滤，收集，过滤器6内部设置有产物收集台61，产物收集台61收集到的产物即为干燥的空心球粉体粒子，过滤器6底部设置有尾气收集装置7，尾气通过尾气收集装置7可保持良好的实验环境。

对比例一

A.称取3.0g浓度为40%粒径为50nm的硅溶胶，加纯水40.0g稀释至浓度为2.8%，加入1.0g碳酸氢铵，混合均匀，得前驱体溶液；

B.将上述前驱体溶液放入气溶胶发生器内，打开氮气钢瓶，调节气溶胶发生器的喷雾压力至18psi，经雾化制得气溶胶液滴；

C.将上述产生的气溶胶液滴导入微波发生器（功率为0），再进入管式炉（温度设定为400℃）内干燥5s，干燥后的颗粒在过滤器上收集，过滤器的温度维持在80℃，收集到的产物即为空心球状粉体，其粒径及形貌如附图图2所示。

由图2可知，当气溶胶粒子未经微波辐照时，所得粒子不是空心球结构，粒子内有内含物。

实施例一

C.将上述产生的气溶胶液滴导入微波发生器（微波输出功率700W，作用时间17.5s），再进入管式炉（温度设定为400℃）内干燥5s，干燥后的颗粒在过滤器上收集，过滤器的温度维持在80℃，收集到的产物即为干燥的空心球粉体粒子，其粒径及形貌如附图图3所示。

由图3（a）可知，气溶胶粒子经过微波辐照后，所得粒子为具有中空结构的空心球。将图2（b）和图3（b）比较后发现，经微波辐照后，粒子的粒径明显增大。

实施例二

A.称取5.0g浓度为30%粒径为12nm的硅溶胶，加纯水45.0g稀释至浓度为3.0%，加入1.0g碳酸氢铵，混合均匀，得前驱体溶液；

B.将上述前驱体溶液放入气溶胶发生器内，打开氮气钢瓶，调节气溶胶发生器的喷雾压力至10psi，经雾化制得气溶胶液滴；

C.将上述产生的气溶胶液滴经过微波发生器（微波输出功率350W，作用时间25s），再进入管式炉（温度设定为400℃）内干燥5s，干燥后的颗粒在过滤器上收集，过滤器的温度维持在80℃，收集到的产物即为干燥的空心球粉体粒子。

实施例三

A.称取3.0g浓度为40%粒径为22nm的硅溶胶，加纯水40.0g稀释至浓度为2.8%，加入0.8g碳酸氢铵，混合均匀，得前驱体溶液；

C.将上述产生的气溶胶液滴经过微波发生器（微波输出功率700W，作用时间25s），再进入管式炉（温度设定为400℃）内干燥5s，干燥后的颗粒在过滤器上收集，过滤器的温度维持在80℃，收集到的产物即为干燥的空心球粉体粒子。

实施例四

A.称取0.5g FeCl₃（分析纯）置于烧杯中，加入蒸馏水稀释至浓度为1.0%，加入1.5g硫酸铵，混合均匀，得前驱体溶液。

B.将上述前驱体溶液放入气溶胶发生器内，打开氮气钢瓶，调节气溶胶发生器的喷雾压力至20psi，经雾化制得气溶胶液滴；

C.将上述产生的气溶胶液滴经过微波发生器（微波输出功率700W，作用时间25s），再进入管式炉（温度设定为400℃）内干燥5s，干燥后的颗粒在过滤器上收集，过滤器的温度维持在80℃，收集到的产物即为干燥的空心球粉体粒子，其透射电子显微镜照片如附图4所示，图4为粒径为0.10-5μm的氧化铁透射电镜图。

实施例五

A.称取0.5g聚乙二醇20000（分析纯）置于烧杯中，加入蒸馏水稀释至浓度为0.1%，加入1.0g硫酸铵，混合均匀，得前驱体溶液；

B.将此前驱体溶液放入气溶胶发生器内，打开氮气钢瓶，调节气溶胶发生器的喷雾压力至20psi，制得气溶胶液滴；

C.将上述产生的气溶胶液滴经过微波发生器（微波输出功率1000W，作用时间25s），再进入管式炉（温度设定为400℃）内干燥5s；干燥后的颗粒在过滤器上收集，过滤器的温度维持在80℃，收集到干燥的空心球粉体粒子。

Claims

1.一种微波辅助气溶胶制备空心球的方法，其特征是：按以下步骤制得：

A.将空心球壳体前驱体分散于极性溶剂中，加入铵盐形成胶体溶液或真溶液，即前驱体溶液；

C.将步骤B制得的气溶胶液滴导入微波发生器进行微波辐照，即得到含水空心球粉体粒子；

2.根据权利要求1所述的微波辅助气溶胶制备空心球的方法，其特征是：所述步骤C得到的含水空心球粉体粒子可进入管式炉进一步干燥，干燥后的颗粒用过滤器收集，所收集到的产物即为干燥的空心球粉体粒子。

3.根据权利要求1所述的微波辅助气溶胶制备空心球的方法，其特征是：所述步骤A中的铵盐为碳酸氢铵、碳酸铵、硫酸铵、氯化铵、硝酸铵或醋酸铵；极性溶剂为水、氨水或易挥发性有机溶剂。

4.根据权利要求1所述的微波辅助气溶胶制备空心球的方法，其特征是：所述步骤B中气溶胶液滴的粒径为0.01-100μm。

5.根据权利要求1所述的微波辅助气溶胶制备空心球的方法，其特征是：步骤C中微波发生器的微波辐照的功率为100W-1000KW，微波作用时间为10-600s。

6.根据权利要求2所述的微波辅助气溶胶制备空心球的方法，其特征是：所述管式炉温度为100-600℃，停留时间为1s-10min，载气为空气、氮气、二氧化碳、氢气或氩气。

7.根据权利要求1所述的微波辅助气溶胶制备空心球的方法，其特征是：氧化物胶体为氧化硅胶体、氧化钛胶体、氧化铜胶体、氧化铁胶体、氧化锆胶体或氧化钍胶体；所述金属盐为Fe、Al、Cu、Ti、Zn、Mn、Ce、Sn、Ni、Co、Ru、Sb、Pd或Cr的硝酸盐、醋酸盐或氯化盐；金属醇氧化物为Si、Ti、Al、Zr、Ge、Sn、Ti、Cd、Zr、Fe、Al或Cu的醇氧化物；水溶性高分子为聚丙烯酰胺、天然淀粉、汉生胶、琼脂、CMC、HEC、HPC、阳离子纤维素聚合物、阳离子瓜尔胶、PVA、PEG、聚乙烯吡咯烷酮、丙烯酸聚合物或聚乳酸。

8.根据权利要求7所述的微波辅助气溶胶制备空心球的方法，其特征是：所述氧化物胶体的粒径为3nm-100nm，其中，氧化物在氧化物胶体中的质量百分含量为3-50%。

9.根据权利要求3所述的微波辅助气溶胶制备空心球的方法，其特征是：所述极性溶剂为水。

10.根据权利要求3所述的微波辅助气溶胶制备空心球的方法，其特征是：所述有机溶剂为：甲酰胺、DMSO、乙腈、DMF、甲醇、乙醇、乙酸、异丙醇、丙酮或四氢呋喃。