TWI233321B - Method for producing nano oxide powder using D.C. plasma thermo-reaction - Google Patents

Description

!233321 狄、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 特別是一種以直流電漿熱反 本發明係有關一種奈米粉體的製造方法， 應製造奈米級之氧化物粉體的方法。 【先前技術】 ^1!! (nanometer)^^^^^ 〇 =百分t可舰轉的兩個部分：—是餘錢麵料個奈 =二f奸絲或粒子_界面。前者具有錄有序的晶聽構，後 2既沒有長程耗沒有短程相無序結構。此觀結構及絲面 材料的力學性能、磁性、介電性、.超導性、光學乃至熱力學性能的改變。 合成奈⑽體的技術已陸續被發展出來，其製備方法粗分為兩大 ^ (l)^.L^T(Top-down) ^ ^^^^m«(HighEnergyMechanical 1 ing，⑵由下而上（B〇ttom-up)，例如氣相凝結㈣此脱 S〇ndensatic)n，GPC)，液相化學析出（Uquid ⑽—

Precipition)，溶膠-凝膠（Sol—gel)等。 十 、 奈米粉體，雜成本較低，但是粉_純度“ σ ^目7式來合成 問題較為嚴重。 又不回且其减聚（Aggl〇meration) 已知用以製造奈米粉體的技術，例如：美國專利第施隨號， 合成之金屬氧化物之金屬棒材作為—消耗式電極置於陽極， 電:咖一端陰極產生電漿電弧，該金屬棒材氣化，再 ===，材快速凝結固化形成金屬氧化物之粉體， 電極耗盡時補充’才能使得金屬氧化物粉體能夠 ΓΓ705994號專利中則是揭露—種先將欲製造之金屬先製成-先 ，物你谷液(Ρ臟窗），再將該先驅物加熱至超臨界（亭rcr_ 心成-反應性在經過反應___。這種方制是必須將 1233321 被處理物製成:溶液狀態才能使用，且必須將先驅物加熱至超臨界溫度。 六另外、，在吳國專利第S876688號，係使用喷霧器將鋅有機鹽類化合物 ’合液噴入/皿度在250至2000C的火培或電漿中，以製造粒徑满nm的氧化 鋅奈米粉體》在美國專利笫测如號所揭露的技術，則是將已溶於揮發 性或可燃性有機溶齡包含—_上glyeQlat。, ϋ ，物溶液㈣u騰SGluti罐化’再以火焰熱解先驅物溶液的液滴，以獲 仔奈米氧化物粉體。而在美國專利第_%96號的技術中，則特別設計了 :種消耗式電極組，並在其間導人氫或其它用以產生電漿的氣體，配合直 流產生所需的電漿，再將碳材、碳氫化合物、或其二者的混合物送入 電漿，以製造奈米碳材。 上述這些方法均須將原料金屬施以前處理，例如將金屬製成一消耗式 電極，並不時於電極耗盡時加以補充；或是將金屬製成一先驅物原料溶液， 再加熱至超臨界溫度等繁雜步驟。 【發明内容】 本發明之主要目的在提供一種可以連續式量產奈米氧化物粉體的方 法。 依據本發日㈣綠，係採邮肖赋雜錢絲(賴_t娜fei^d DC plasme)提供反應生成過程所需的能源，再以連續供給的方式將固態的 先驅物（Precursor)原料送入電聚之中，使之氣化並且產生氧化反應，進 而生成奈米（nanometer)級的氧化物粉體，故能達到連續式量產之目的，而 且沒有如習知技術制絲式電極又财補充電極的問題。 本發明之另-目的在提供—種可錢續式量產具有高純度、高度分散 之奈米氧化物粉體的方法。 本發明所揭露的方法’更透過控制電聚喷出口之大小的方式，形成高 速的電漿射流(Pi麵M)，其速度再依·功率、電漿生成氣體⑽观 ga=)流量及種類調整，最高可達2馬赫(此⑻以上，使得整個反應約在 10 10心内το成’可防止反應生成的奈米氧化物粉體粗化及凝結團聚，並 1233321 、、、 相純度、結構、粉體尺寸及形狀等特性。 料製造高^ Γ ΐ而不使用消耗式電極’故能啸低成本的原 高溫製程中二，氧化物粉體。尤其是超音速的電漿射流在 了不水團族的分散更具有重要的助益。 漿功據ί發明所揭露的方法，其可以控制的製程參數包括電 的速戶箄·妨r的乳體種類及流速、先驅物原料的種類，以及電漿射流 體尺ΐ及形狀等=制該奈求氧化物粉體之化學組成、相純度、結構、粉 【實施方式】 本發明所揭露的方法，基本上包括有： 10(^. DC Plasme),t±|i 入首^考，第圖」）’這個電聚產生器10透過在其非消耗式電極U導 直^4方式產生電弧(are)，並且將用以產生所騎電漿生成氣 導入電弧而在其電浆區20生成電聚，用以提供反應生成 產生電襞射流(plasma jet)22的步驟，係透過控制電漿區20之電漿喷 將4 之大小的方 形成高速的電激射流22，其速度再依電漿功率、電 水生成氣體12的流量及種類調整； 將高純度的_先驅物顧3Q送人賴區2G的轉，狀氣化並產 生虱化反應，然後隨著電漿射流22噴出；以及 冷卻的步驟，係大量冷錢體5G賴著電祕流22如的氣化 原枓粉體快速冷卻’而以均質成财式生絲錄化物· 4G。 一依據本發明的較佳實施例’所選用的固態先驅物原料原料3〇包括有： 兩純度金屬線或微米級金屬、金屬碳酸鹽、金屬石肖酸鹽、金屬草酸鹽、金 屬含氧酸錢鹽、金屬氧化物粉體；其中的各種微米級金屬及其鹽類化合物 1233321 粉體或是微米級的氧化物粉體，係藉由载送氣體(carriergas)31經由導管 32而被送入電漿區20 ’而這裡所選用的載送氣體31視固態先驅物原料加 的原料種類而定’其包含空氣、氬氣、氮氣、氧氣之中的任—種或任二種(含） 、上的此&氣體而這種載送氣體31除了可以與固態先驅物原料加在電 漿區20㈣衆射流22巾先行發生反應（如氧化反應）之外，亦可以透 制載运氣體31之流量财巧涛最後生紅奈米氧化祕體4()的特性。 以下就配合圖式，以-較佳實施例（請參考「第2圖」）說明本發明用以制 造奈米氧化物粉體的過程如下。 衣

對電漿產生器10導入鈍氣如氬、氦氣或其它如氯、氮氣等用以產生< 漿之電漿生成氣體(P1_ gas)12，該電漿生成氣體12包含Η气 ⑹、(Μ_魏⑹、0_25%的氫㈤，換句話說即是該絲生成氣體^ 可以是氬氣或氮氣’亦可叹氬氣、統和氫氣三者中任二種或以上的、、, 5HiTw漿生錢體12的錢係絲分鐘.2弧（L/min)«功Μ 對非消耗式電極U供給衡及17〇侧的直流電，使電極 ^電，）間產生電弧，前述的魏生成氣體12通過祿時 ，置而被離子化而在電装區2G形成w，同時因高 脹’自電《 2〇之賴噴出σ 21噴出而形成_射 體積二，

透過控制電聚區20之電漿噴出口 21之大、' Smajet)22 射流22，其速度再依電漿功率、電 體工即可形成向速的電顯 ^ “生成讀12之流量及種類調整即可： 將固滅«帽，如錄_高純度 ^ 酸鹽、金屬硝酸鹽、金屬草酸鹽、金屬含氧酸銨金屬句 送氣體31流速每分鐘3-25L，_先驅物原料㈣.’其中韋 0. 5-2. 0kg ； 的進枓速率為每小時為 電聚射流22連同氣化的原料粉體進入一反 氣氛含有氧氣，壓力控制在i bar_ ; …33，在反應腔33中的 氣化之原料㈣的金魏體分子在反魅”與魏分子反應而氧 1233321 並以均貝成核方式生成奈米氧化物粉體; 40粗titl氣體5〇使奈米氧化物粉體4〇冷卻，以防止奈米氧化物粉體 之以，Ϊ二可選用的冷卻氣體5°包含:空氣、氮峨是空氣與氮㈤ 之此口々部空氣母分鐘的流量為卜5m3 (mVmin)。 斑由ΐ私 所Γ ’係為採用本發明之方法所製成的氧化辞(zn〇)粉體’ 二二ί顯微鏡所拍攝之微觀相片，該粉體平均粒度分布為25nm、 經由BET氣體吸附測得其比表面積為28m7g。 r ^ 1圖」所不’係為採用本發明之方法所製成的氧化錫(Sn〇2)粉體， 經由測1，其粉體平均粒度分布為15nm。 如「第5圖」所示’為採用本發明之方法所成的氧化紹(祕)粉體，其平 均粒度分布為4Gnm，經由BET氣體吸附測得其比表面積為41mVg。 雖然本發明的技術内容已透過上述的實施例揭露如前，惟以上所述 者，僅^發社雛實施_已，#不如之限定本發明之保護範圍， 即=本發日种請專伽圍所作之解變化與修錦，請仍屬本發明保護 1233321 【圖式簡單說明】 第1圖，係為實現本發明之方法的設備之功能方塊圖。 第2圖，係本發明之較佳實施例的方法步驟流程圖。 第3圖，係為採用本發明之方法製成的氧化鋅(ZnO)奈米粉體之電子顯微鏡 照片。 第4圖，係為採用本發明之方法製成的氧化錫（Sn〇2)奈米粉體之電子顯微鏡 照片。 第5圖，係為採用本發明之方法製成的氧化鋁(Al2〇3)奈米粉體之電子顯微 鏡照片。 【圖式符號說明】 10 ........電漿產生器 11 ........非消耗式電極 12 ........電漿生成氣體 20 ........電漿區 21 ........電漿喷出口 22 ........電漿射流（plasma jet) 30 ........固悲先驅物原料 31 ........載送氣體 32 ........導管 33 ........反應腔 40........奈米氧化物粉體 50........冷卻氣體

Claims (1)

1. l23332l 备、申請專利範圍： •種利用直流電滎熱反應製造奈米氧化物粉體之方法，其包含下 驟： =ί、種非消耗式電極直流電漿（⑽n—transferre(j % piasme)產生器 ^ σ亥電水產生器具有一非消耗式電極，一電漿區及一電漿喷出口； 在该電漿區生成電漿的步驟，係透過在該非消耗式電極導入直流電流 、方f產生電弧(arc)，並且將用以產生電漿所需的電漿生成氣體(piasma gas)运至該電弧而在該電漿區生成該電漿； 產生笔桌射流(Plasma jet)的步驟，透過控制該電漿區之電漿喷出 口之大小的方式，形成該電漿射流； 、 高純度_縣驅物原料連續送人該電漿區之電漿射流的步驟，使 該固態先驅物補統並產生氧化聽，紐隨賴電浆射財出；以及 冷卻的步驟，係顧大量冷卻氣體對隨著該賴射流喷出的氣化原料 粉體快速冷卻，以生成一奈米氧化物粉體。 2.如申請專繼Μ 1項所述姻錢錢減應製造奈錄化物粉體 之方法’其中該電漿生成氣體係選自於由氬、氦、氫和氮氣所組 族之一。 3.如申請專魏圍第1賴述_直流賴熱反織造奈米氧化物粉體 ，方法’其中該賴生成氣體為選自於由魏、植和域所組成鱗 私中任二種或以上的混合氣。 4. 5. 如申請專利範圍1項所述利用直流電漿熱反應製造奈米氧化物粉體之 方法，其中5亥固恶先驅物原料的進料速度係為Q.卜2 〇kg/h〇 / 一 如申請專利範圍1項所述_直流·熱反應製造奈米氧化H紅 方法，其中該固態先驅物原料係為一金屬線。 刀 如申請專利範圍1項所述湘直流賴熱反應製造奈米氧化物粉體之 方法，其中該固態先驅物原料係為選自於由微米級 二 叹的金屬、金屬碳酸 鹽、金屬硝酸鹽、金屬草酸鹽、金屬含氧酸銨鹽和全厲 1孟屬虱化物粉體所組 β 11 6. 1233321 成的群族之一。 7·如申％專利範圍第6項所述细直流電漿熱反應製造奈米氧化物粉體 ，方去其巾棚g先驅物補係由_載送氣體連續送人該電漿區之電 漿射流。 8·如中請專魏圍第7項所述錢魏熱反難造奈魏化物粉體 之方法，其中該載送氣體係選自於包含空氣、氬氣、氮氣和氧氣所組成 之群組之一。 、 9·如申請專利範圍第7項所述利用直流·熱反應製造奈米氧化物粉體 之方法，其中該載送氣體係選自於包含空氣、氬氣、氮氣和氧氣所組成 之群組中任_種或以上的混合氣。 •如申睛專她圍第7項所述彻直流錢熱反應製造奈米氧化物粉體 之方法’其中該載送氣體之流速為3-25 L/min。 •如申請專職圍第1項所述_直流電》反應製造奈米氧化物粉體 之方法，其中該冷卻氣體為空氣。 | 2 r •申清專利範圍第1項所述利用直流電漿熱反應製造奈米氧化物粉體 之方法，其中該冷卻氣體為氮氣。 13 •如申請專概圍第1項所述直《隸反絲造奈米氧化物粉體 之方法’其中該冷卻氣體為空氣與氮氣之混合氣體。 4·如申睛專利範圍第1項所述利用直流電漿熱反應製造奈米氧化物粉體 之方法’其中該冷卻氣體的流速為l-5m3/min。 12