CN210457505U - 一种制备高纯纳米材料的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种制备高纯纳米材料的装置，其特征在于：a.溶盐原料储罐（1）通过第一管道（3）与水热反应釜（7）相连；b.添加剂储罐（10）通过第二管道（14）与水热反应釜（7）相连；c.金属盐原料储罐（15）通过第三管道（17）与水热反应釜（7）相连；d.水热反应釜（7）底部通过第四管道（23）连至水热反应釜（7）顶部；e.在第四管道（23）上连接第五管道（26），第五管道（26）依次与陶瓷膜清洗机、冷风干燥机相连。本实用新型优点：结构简单、成本低、易于操作，效率高、应用范围广、缩短原料均化、乳化时间、防止二次污染，保证了纯度。

Description

一种制备高纯纳米材料的装置

技术领域

本实用新型属纳米粉体材料制造领域，涉及一种制备高纯纳米材料的装置。

背景技术

近年来，超声化学由于声能具有独特的优点，且无二次污染，设备简单，操作方便，在纳米材料、催化反应、物质合成、污水处理等领域具有十分重要的应用。同时水热反应因具有的特殊反应功能和效果，目前在超细及纳米级材料的开发和应用中也日益发展起来，其原理是采用水热反应设备在大于80℃以上的封闭***中压力大于0.1MPa的水介质条件下发生反应物料之间的非均相化学反应的合成方法。

目前，世界各国（中国、日本、美国、英国、德国等）虽然对水热合成技术的研究已经取得了主要进展，但是将超声化学与水热合成反应法相结合并在工业生产中大规模应用的研究还不多。如在专利公开号CN 102350288 A中采用的一种超声-水热耦合制备纳米材料的装置，其装置是由电热恒温控制箱、水热反应釜、超声波变幅杆和超声波换能器等固定组成，仅仅是一种实验室用可用于制备TiO₂纳米粉、TiO₂纳米管、PbO纳米粉、PbO纳米管或GdS纳米管等纳米材料，无法应用于生产和完全解决诸多水热合成***物料中的问题；又如在专利公开号CN207769762U中公开的一种超声/微波水热/亚超临界反应釜，亦是实验设备，难以生产中使用；再如专利公开号CN206103910U中的一种可加超声场的水热反应釜，是用于研究超声场对运用水热法进行溶液结晶影响的一种微型实验用组装装置；水热反应承压装置是由不锈钢封闭盖、不锈钢外筒和垫片组成，超声发生装置和水热反应容器均位于不锈钢外筒中，在水热反应容器上放置垫片，不锈钢封闭盖与不锈钢外筒配合拧紧，超声发生装置位于水热反应容器底部，并通过圆台片隔开，超声发生装置产生的超声场通过圆台片传递到水热反应容器中。然而，该装置仅以实验用于直接混合的反应物料，采用外部不锈钢外筒受热后传导进入由聚四氟乙烯反应罐盖中再与底部超声结合，无搅拌、循环乳化和均化前驱体装置***，水热反应用时长，耗能大，亦难以在后续洗涤与干燥的生产中进行持续量产等缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种制备高纯纳米材料的装置，本装置是将超声设备和水热合成设备结合来制备高纯电子陶瓷纳米材料，尤其是以水热法基本原理合成的纳米陶瓷原材料。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种制备高纯纳米材料的装置，其特征在于包括以下设备：溶盐原料储罐、添加剂储罐、金属盐原料储罐、水热反应釜、超声设备、陶瓷膜清洗机、冷风干燥机；

具体连接关系如下：

a.溶盐原料储罐通过第一管道与水热反应釜内部相连通；第一管道上安装有溶盐计量泵，溶盐计量泵两侧的管道上各安装有一个阀门，在水热反应釜内的第一管道出口连有第一雾化喷头，第一雾化喷头通过第一封口装上或卸下；

b.添加剂储罐通过第二管道与水热反应釜内部相连通；第二管道上安装有添加剂计量泵，添加剂计量泵两侧的管道上各安装有一个阀门；

c.金属盐原料储罐通过第三管道与水热反应釜内部相连通；第三管道上安装有金属盐计量泵，金属盐计量泵两侧的管道上各安装有一个阀门；

d.水热反应釜底部出口通过第四管道连至水热反应釜顶部入口；第四管道上安装有容积泵，容积泵靠近水热反应釜底部出口的一侧安装有一个阀门，积式泵靠近水热反应釜顶部入口的一侧安装有两个阀门、在水热反应釜内的第四管道出口连有第二雾化喷头，第二雾化喷头通过第二封口装上或卸下；

e.在容积泵和其出口相邻的阀门之间连接第五管道，第五管道通过阀门依次与陶瓷膜清洗机、冷风干燥机相连，水热反应釜上安装有超声设备。

进一步，所述溶盐原料储罐和金属盐原料储罐内衬为聚氨酯、聚四氟材质，添加剂储罐为塑料材质或玻璃材质；第一管道、第三管道为聚四氟乙烯、聚丙烯、316不锈钢材质中的任一种，第二管道为聚四氟乙烯（PTFE）或聚丙烯（PP）材质，第四管道为内衬聚四氟乙烯（PTFE）外塑碳钢材质， 第五管道为聚丙烯（PP）或聚乙烯（PE）材质；第一雾化喷头、第二雾化喷头为螺旋喷嘴，材质为氧化铝陶瓷或聚丙烯（PP）材质。

进一步，所述超声设备包括隔音防护罩、超声振动器及其PLC控制器，其中隔音防护罩为泡沫铝或离心玻璃棉材质。

一种制备高纯纳米材料的方法，其特征在于包括以下步骤：

1). 溶盐原料储罐装有可溶性锆盐或钡盐或钛盐溶液、金属盐原料储罐装有稀土金属可溶性盐类或过渡金属可溶性盐类溶液、添加剂储罐装有聚乙二醇类、酮类、酯类、丙烯酸类、酰胺类、烷基类、醇类任一种或两种组成的水溶性分散剂，按生产纳米粉体材料所需的原料及其相应摩尔比（反应的相应摩尔比为本领域公知常识）分别通过溶盐计量泵、添加剂计量泵、金属盐计量泵向水热反应釜中进行加料制成混合反应浆料，调节反应釜搅拌线速度5-10m/s，搅拌10-30分钟，使混合反应浆料充分混合；

2).随后混合反应浆料在容积泵作用下经过第二喷头在水热反应釜内形成混合均匀的溶液；

3).打开超声设备，控制超声频率在10-60KHZ，超声10-60分钟后取出第一雾化喷头、第二雾化喷头，关闭第一封口、第二封口，保持水热反应釜内密闭；

4).对水热反应釜进行加热升温，控制温度在130-150℃，提高搅拌桨线速度至10-20m/S，保温反应0.5-8h，随后冷却至40-60℃；

5).将反应后得到的纳米浆料溶液进行陶瓷膜清洗机（孔径5-10nm）洗涤和冷风干燥机（真空度-0.09-0.096MPa、温度20-30℃）干燥，即制得高纯纳米粉体材料。

超声波是一种频率高于20000HZ的声波，波长短，近似于直线传播，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，当超声波声能作用于液体时，会将液体环境中的液体分子形成空化效应，进而起到对液体物料的乳化、分散的作用，是一种强度很高的分散手段，采用超声波空化作用用于超细粉体悬浮液分散可以达到降低团聚和分散超细颗粒稳定化的效果。

在水热反应前，将各原料经过超声声能的方式将其进行乳化和分散，利用超声声波流体的作用将机械搅拌中死角堆积的液体冲击、分散和乳化，使液体物料在密闭的水热反应釜中形成均匀的分布分散状态，水热反应结束后采用陶瓷膜洗涤过滤和冷风干燥即可制备出高纯、超细、粒径分布均匀的纳米粉体材料。

本实用新型的优点：1.将超声设备和水热合成设备相结合，结构简单，实现了两者功能的有效协同；2.本装置成本低、易于操作，效率高、应用范围广；3.缩短原料均化、乳化时间，避免水热反应釜苛刻的制备条件（高温高压）；4.成品率大幅提高，防止二次污染，保证了纯度；5.为工业化制备出高纯、超细、粒径分布均匀的纳米材料提供了借鉴。

附图说明

图1 本装置的基本结构示意图；

图2 采用本实用新型装置和方法生产的高纯纳米立方相钛酸钡电镜图；

图3采用本实用新型装置和方法生产的高纯纳米立方相钛酸钡XRD图；

图4 采用本实用新型装置和方法生产的高纯纳米锐钛型二氧化钛电镜图；

图5 采用本实用新型装置和方法生产的高纯纳米锐钛型二氧化钛XRD图。

具体实施方式

为了使本实用新型更加清楚明白，以下结合图1对本实用新型作进一步说明：

一种制备高纯纳米材料的装置，包括以下设备：

a.溶盐原料储罐1（聚氨酯材质）通过第一管道3（聚四氟乙烯材质）与水热反应釜7顶部的第一封口7a入口相连通，第一管道3上依次串联调节闸阀2、溶盐计量泵4，单向截止阀5，在水热反应釜7内的第一管道3出口连有带螺旋喷嘴的第一雾化喷头6（氧化铝陶瓷材质）；

b.添加剂储罐10（塑料材质）通过第二管道14（聚四氟乙烯材质）与水热反应釜7顶部相连通，第二管道14上依次串联调节闸阀11、添加剂计量泵12，单向截止阀13；

c.金属盐原料储罐15（聚四氟材质）通过第三管道17（聚丙烯材质）与水热反应釜7顶部相连通，第三管道17上依次串联调节闸阀16、金属盐计量泵18，单向截止阀19；

d.水热反应釜7底部出口通过第四管道23（内衬聚四氟乙烯外塑碳钢材质）与水热反应釜7顶部的第二封口7b入口相连通，第四管道23上依次串联调节闸阀20、容积泵21、单向截止阀22、单向截止阀24，在水热反应釜7内的第四管道23出口连有带螺旋喷嘴的第二雾化喷头25（聚丙烯材质）；

e.在容积泵21与容积泵21出口邻近的单向截止阀22之间连接第五管道26（聚丙烯材质），第五管道26上依次串联单向截止阀27、陶瓷膜清洗机、冷风干燥机；水热反应釜7上安装有超声设备9，超声设备9包括隔音防护罩8（离心玻璃棉材质）、超声振动器28及其PLC控制器。

实施例1

一种制备高纯钛酸钡纳米粉体材料的方法，具体实施步骤如下：

1、关闭调节闸阀20和单向截止阀24，先依次打开单向截止阀5、13和19，再打开调节闸阀2、11和16，分别依次经过溶盐计量泵4、添加剂计量泵12、金属盐计量泵18向水热反应釜7中添加溶盐原料储罐1内的氢氧化钡溶液、金属盐原料储罐15中的水合二氧化钛溶液和分散剂储罐10中的聚乙二醇与乙酰胺混合分散溶剂（聚乙二醇与乙酰胺的摩尔比5﹕1），溶盐原料储罐1、金属盐原料储罐15与添加剂储罐10中溶液分别经过第一雾化喷头6的螺旋喷嘴、第二管道14管口与第三管道17管口按15:10:2的摩尔比加入水热反应釜7中制成混合反应浆料，调节水热反应釜搅拌线速度8.25m/s，搅拌20分钟使充分混合；

2、先打开调节闸阀20、单向截止阀22、单向截止阀24，关闭单向截止阀27、调节闸阀2、单向截止阀5、调节闸阀11、单向截止阀13、调节闸阀16和单向截止阀19，再开启容积泵21，使混合反应浆料经过第二雾化喷头25的螺旋喷嘴在水热反应釜7内形成混合均匀的溶液；

3、打开超声振动器28，控制超声频率在45KHZ，超声30分钟后关闭调节闸阀20和容积泵21，取出第一雾化喷头6和第二雾化喷头25，关闭第一封口7a、第二封口7b，保持水热反应釜7内密闭；

4、对水热反应釜7进行加热升温，控制最高温度135℃，提高搅拌桨线速度至15m/S，保温反应4h，然后降温至60℃；

5、打开调节闸阀20和单向截止阀24处封口，关闭单向截止阀22，打开单向截止阀27，启动容积泵21，将反应后的纳米浆料溶液通过孔径10nm陶瓷膜清洗机洗涤，随后在真空度-0.09-0.096MPa、30℃条件下进行冷风干燥，即可制得高纯钛酸钡纳米粉体材料。

实施例2

一种制备高纯二氧化钛纳米粉体材料的方法，具体实施步骤如下：

1、关闭调节闸阀20和单向截止阀24，先依次打开单向截止阀5、13和19，再打开调节闸阀2、11和16，分别依次经过溶盐计量泵4、添加剂计量泵12、金属盐计量泵18向水热反应釜7中添加溶盐原料储罐1内的硫酸钛溶液、金属盐原料储罐15中的氨水溶液和添加剂储罐10中的聚乙二醇分散溶剂，溶盐原料储罐1、金属盐原料储罐15与添加剂储罐10中溶液分别经过第一雾化喷头6的螺旋喷嘴、第二管道14管口与第三管道17管口按1:4:0.2的摩尔比加入水热反应釜7中制成混合反应浆料（pH在8-9之间），调节水热反应釜搅拌线速度7.5m/s，搅拌30分钟使充分混合；

2、先打开调节闸阀20、单向截止阀22、单向截止阀24，关闭单向截止阀27、调节闸阀2、单向截止阀5、调节闸阀11、单向截止阀13、调节闸阀16和单向截止阀19，再开启容积泵21，使混合反应浆料经过第二雾化喷头25的螺旋喷嘴在水热反应釜7内形成混合均匀的溶液；

3、打开超声振动器28，控制超声频率在50KHZ，超声20分钟后关闭调节闸阀20和容积泵21，取出第一雾化喷头6和第二雾化喷头25，关闭第一封口7a、第二封口7b，保持水热反应釜7内密闭；

4、对水热反应釜7进行加热升温，控制最高温度150℃，提高搅拌桨线速度至10m/S，保温反应3h，然后降温至50℃；

5、打开调节闸阀20和单向截止阀24处封口，关闭单向截止阀22，打开单向截止阀27，启动容积泵21，将反应后的纳米浆料溶液通过孔径5nm陶瓷膜清洗机洗涤，随后在真空度-0.09-0.096MPa、20℃条件下进行冷风干燥，即可制得高纯二氧化钛纳米粉体材料。

实施例3

一种制备高纯钇稳定氧化锆纳米粉体材料的方法，具体实施步骤如下：

1、关闭调节闸阀20和单向截止阀24，先依次打开单向截止阀5、13和19，再打开调节闸阀2、11和16，分别依次经过溶盐计量泵4、添加剂计量泵12、金属盐计量泵18向水热反应釜7中添加溶盐原料储罐1内的硝酸锆溶液、金属盐原料储罐15中的水合硝酸钇溶液和分散剂储罐10中的聚乙二醇和氢氧化钠水溶液混合分散溶剂（聚乙二醇和氢氧化钠水溶液的摩尔比1﹕15），溶盐原料储罐1、金属盐原料储罐15与添加剂储罐10中溶液分别经过第一雾化喷头6的螺旋喷嘴（PP材质）、第二管道14管口与第三管道17管口按15:1:2的摩尔比加入水热反应釜7中制成混合反应浆料，调节水热反应釜搅拌线速度4.5m/s，搅拌15分钟使充分混合；

2、先打开调节闸阀20、单向截止阀22、单向截止阀24，关闭单向截止阀27、调节闸阀2、单向截止阀5、调节闸阀11、单向截止阀13、调节闸阀16和单向截止阀19，再开启容积泵21，使混合反应浆料经过第二雾化喷头25的螺旋喷嘴在水热反应釜7内形成混合均匀的溶液；

3、打开超声振动器28，控制超声频率在40KHZ，超声30分钟后关闭调节闸阀20和容积泵21，取出第一雾化喷头6和第二雾化喷头25，关闭第一封口7a、第二封口7b，保持水热反应釜7内密闭；

4、对水热反应釜7进行加热升温，控制最高温度150℃，提高搅拌桨线速度至8m/S，保温反应8h，然后降温至40℃；

5、打开调节闸阀20和单向截止阀24处封口，关闭单向截止阀22，打开单向截止阀27，启动容积泵21，将反应后的纳米浆料溶液通过孔径5nm陶瓷膜清洗机洗涤，随后在真空度-0.09-0.096MPa、20℃条件下进行冷风干燥，即可制得高纯钇稳定氧化锆纳米粉体材料。

通过运用场发射扫描电子显微镜（SEM）对实施例1、实施例2中制得的钛酸钡纳米粉体和二氧化钛纳米粉体进行表面形貌、颗粒大小及其晶体结构测试分析。每批样品重复测试不低于3个，每张电镜图中颗粒不少于100个，颗粒形貌大小统计结果取其平均值。制得的钛酸钡纳米粉体材料为立方相高纯晶体结构，平均电镜尺寸粒径在62.49nm；二氧化钛纳米粉体材料为锐钛型高纯晶体结构，无其他杂峰，平均电镜尺寸粒径在28.42nm；钇稳定氧化锆纳米粉体为半稳定结构，平均电镜尺寸粒径在20.15nm。

在本实用新型中，“安装”、“相连”等应做广义理解。例如，例如可以说固定连接，也可以说拆卸连接或一体连接，可以说直接连接也可以是通过中间媒介连接，可以是外部连接也可以说内部连接。

以上实施例仅仅是对本实用新型的具体实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，本领域技术人员在现有技术基础上还可以做多种修改和变化，在不脱离本实用新型精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变型和改进均落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种制备高纯纳米材料的装置，其特征在于包括以下设备：溶盐原料储罐（1）、添加剂储罐（10）、金属盐原料储罐（15）、水热反应釜（7）、超声设备（9）、陶瓷膜清洗机、冷风干燥机；

具体连接关系如下：

a.溶盐原料储罐（1）通过第一管道（3）与水热反应釜（7）内部相连；第一管道（3）上安装有溶盐计量泵（4），溶盐计量泵（4）两侧的管道上各安装有一个阀门，在水热反应釜（7）内的第一管道（3）出口连有第一雾化喷头（6），第一雾化喷头（6）通过第一封口（7a）装上或卸下；

b.添加剂储罐（10）通过第二管道（14）与水热反应釜（7）内部相连；第二管道（14）上安装有添加剂计量泵（12），添加剂计量泵（12）两侧的管道上各安装有一个阀门；

c.金属盐原料储罐（15）通过第三管道（17）与水热反应釜（7）内部相连；第三管道（17）上安装有金属盐计量泵（18），金属盐计量泵（18）两侧的管道上各安装有一个阀门；

d.水热反应釜（7）底部出口通过第四管道（23）连至水热反应釜（7）顶部入口；第四管道（23）上安装有容积泵（21），容积泵（21）靠近水热反应釜（7）底部出口的一侧安装有一个阀门，容积泵（21）靠近水热反应釜（7）顶部入口的一侧安装有两个阀门、在水热反应釜（7）内的第四管道（23）出口连有第二雾化喷头（25），第二雾化喷头（25）通过第二封口（7b）装上或卸下；

e.在容积泵（21）和其出口相邻的阀门之间连接第五管道（26），第五管道（26）通过阀门依次与陶瓷膜清洗机、冷风干燥机相连，水热反应釜（7）上安装有超声设备（9）。

2.根据权利要求1所述一种制备高纯纳米材料的装置，其特征在于：所述溶盐原料储罐（1）和金属盐原料储罐（15）内衬为聚氨酯、聚四氟材质，添加剂储罐（10）为塑料材质或玻璃材质；第一管道（3）、第三管道（17）为聚四氟乙烯、聚丙烯、316不锈钢材质中的任一种，第二管道（14）为聚四氟乙烯或聚丙烯材质，第四管道（23）为内衬聚四氟乙烯外塑碳钢材质；第五管道（26）为聚丙烯或聚乙烯材质；第一雾化喷头（6）、第二雾化喷头（25）为螺旋喷嘴，材质为氧化铝陶瓷或聚丙烯材质。

3.根据权利要求1所述一种制备高纯纳米材料的装置，其特征在于：所述超声设备（9）包括隔音防护罩（8）、超声振动器（28）及其PLC控制器，其中隔音防护罩为泡沫铝或离心玻璃棉材质。

Images