CN101066873A - 一种等离子喷雾热解制备纳米氧化物空心微球粉末的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是采用等离子喷雾热解制备纳米晶结构氧化物空心微球粉末的方法，即：将制备的前驱体溶液雾化，由等离子焰流喷雾热解形成固态熔滴后，快速射入水中冷却固化形成空心球状纳米晶体结构，然后将水中的颗粒收集烘干并置于高温电炉中热处理，得到所述纳米氧化物空心微球粉末。本发明的主要优点是：前驱体以共沉淀悬浊液，溶胶凝胶，或简单的盐溶液为浆料作为喷涂原料，其来源广泛，制取方便，且在喷雾热解冷却过程中前驱体在极短的时间内蒸发去溶剂形成熔滴，若采用了乙醇替代部分溶剂有助于缩短此过程。熔滴迅速入水冷却固化，可避免晶粒长大，形成组分均匀、易于控制的纳米晶粒结构空心球粉末；本方法工艺简单，流程少，利于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及粉体制备技术范畴，特别是涉及一种用等离子体火焰高温喷雾热解制备纳米氧化物空心微球粉末的方法。
背景技术
空心微球的制备方法很多，主要分为两大类：模板法和非模板法。模板法又分为沉积和表面反应法、逐层组装法，微封装法等；非模板法分为液滴法、喷雾干燥法和乳液/相分离法等。其中模板法很难控制实验条件使壳层前驱物有效、均匀的析出沉积到乳胶粒模板表面，且往往操作过程复杂，生成的空心球粒径较大，通常达上百个微米左右。而等离子火焰高温喷雾热解技术是一种新型的非模板法，等离子火焰高温喷雾热解法制备的空心球粉末粒径主要分布在5～45μm之间，且组成球形粉末的晶粒粒径在纳米尺度范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种新的氧化物复合纳米晶粒空心球粉末的制备方法，以克服目前工艺制备的氧化物空心微球存在晶粒度大且工艺复杂、过程不易控制的缺陷。工艺简单，利于工业化生产。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：利用等离子喷雾热解方法制备纳米氧化物空心微球粉末，即：将制备的前驱体雾化后，由等离子焰流喷雾热解形成固态熔滴后，快速射入水中冷却固化形成空心球状纳米晶体结构，然后将水中的颗粒收集烘干并置于高温电炉中热处理，得到所述纳米氧化物空心微球粉末。
本发明与现有技术相比，具有以下的主要优点：
(1)氧化物前驱体以共沉淀悬浊液，溶胶凝胶，或简单的盐溶液为浆料作为喷涂原料，其来源广泛，制取方便。
(2)前驱体能很好的雾化破碎成微细雾滴，经快速的喷雾热解冷却过程中能形成纳米晶粒结构空心球粉末，且粉末组分均匀无偏析，易于控制。
(3)本方法能形成相容的不同组分组配，可以制备多种纳米晶空心氧化物陶瓷粉末如：TiO2、Cr2O3、Al2O3等，以及复合结构粉末如：铁氧体、稳定型的氧化锆、钛酸铝、钛酸铬等。
(4)在喷雾热解过程中，乙醇的易挥发，避免了溶剂中水分在等离子焰中蒸发造成的过多的热损失；此外乙醇燃烧释放的热量，提高了等离子体焰的热焓值，热量的增加使得液滴充分固化熔融。
(5)操作方法简单，工艺流程少，能够实现工业化生产。
具体实施方式
本发明是一种利用等离子喷雾热解方法制备纳米氧化物空心微球粉末，即：将制备的前驱体溶液雾化后，由高速等离子焰流喷雾热解形成固态熔滴，再被快速射入水中冷却固化形成空心球状纳米晶体结构，然后将其从水中收集用乙醇置换粉体中的水分，便于烘干得到所述纳米氧化物空心微球粉末。若烘干后空心微球含有不定型结构则需置于高温电炉中热处理。
本发明提供的上述方法，具体是采用以下的包括前驱体料浆制备、前驱体料浆雾化、等离子喷涂和热处理步骤的方法：
(1)前驱体料浆制备：以可溶性无机化合物为原料采用共沉淀法或溶胶凝胶法，制备浓度为0.5～1.5mol/l的前驱体料浆。
上述前驱体料浆可以是沉淀悬浊液、溶胶、凝胶，或者简单的和混合型盐溶液；所形成的不同粉末材料的前驱体均采用液相法制备，前驱体溶液中溶质的浓度为5～15vol％，固液质量百分比为5～15∶95～85。
在前驱体料浆的制备过程中，根据需要可以添加乙醇取代部分水作为溶剂，即：加入易挥发、高燃烧值的乙醇取代一部分水溶剂，乙醇含量占总溶剂的体积比为10～60％，乙醇的作用前已述及。
上述原料可以依据实际需要而形成相容的不同组分组配。制备多种纳米晶空心氧化物陶瓷粉末如TiO2、Cr2O3、Al2O3等，以及复合结构粉末如铁氧体、稳定型的氧化锆、钛酸铝、钛酸铬等。
(2)前驱体雾化；将所得的前驱体溶液在一定功率下用直流泵输送到雾化喷嘴中进行雾化，形成粒径尽可能微小的液滴。
(3)等离子喷雾热解：将雾化后所得的液滴送入等离子焰流进行高温喷雾热解，使溶液中的溶剂在超高温高速环境下能迅速挥发，溶剂挥发后获得反应的固相熔融物以极快的速度射入水中(水面到喷嘴的距离在～500mm)冷却固化成型，从而限制固体颗粒的晶粒长大，以获得纳米尺寸晶粒颗粒。
由于在水中迅速固化时的巨大温差而形成空心结构微球。其机理是：由于从等离子焰流中出来的熔融离子和水之间造成的温度差，推动了空心结构微球的形成。熔融粒子在进入水中瞬间，表面和内部温度差可达3000℃。熔融的熔滴表面迅速固化，内部熔融部分在固壳内层表面附着，结晶生长。从而生成空心球状结构。高温差的急冷抑制了熔融离子晶粒的长大，以获得纳米尺寸晶粒。
(4)热处理：若从水中收集的空心微球为定型态，则将其用乙醇洗涤置换粉体中的水分后置于烘箱中≤200℃温度烘干，即得上述纳米氧化物空心微球粉末；若从水中分离出来的空心微球为不定型态，则将其置于高温电炉中热处理到500～1300℃、保温2～5个小时成型，获得所述纳米氧化物空心微球粉末。
本发明提供的方法可以制备多种纳米晶空心氧化物陶瓷粉末如Y2O3/ZrO2、TiO2、Cr2O3、Al2O3等，以及复合结构陶瓷的粉末如铁氧体、稳定型的氧化锆、钛酸铝、钛酸铬等。制备复合结构陶瓷的粉末，可采用几种不同的单质前驱体进行有机复合组成。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
实施例1：氧化钇部分稳定的氧化锆(7％Y2O3/ZrO，PYSZ)粉末的制备。
将锆和钇的硝酸盐混合溶解在乙醇+水溶液中(乙醇与水的体积比为1∶1)，得到0.5mol/l的ZrO2-7wt％Y2O3前驱体溶液。
用恒流泵以120g/min的流速将悬浮液送入等离子火焰中喷雾热解成熔滴，射入距离为500mm的冷却水中获得空心球状结构颗粒。
然后收集水中颗粒滤干，在烘箱内≤200℃温度烘干再在箱式电炉中以1.5/min的升温速率升到750℃，保温焙烧2小时。
对所的固体粉末进行XRD分析表明晶态钇部分稳定的氧化锆结构。用SEM或TEM电镜观擦其结构结果表明，样品为空心球状结构，粒径分布在15-75μm之间，空心球上的晶粒大小为20～60nm且分布均匀。
实施例2：钛酸铝(Alk2TiO5)粉末的制备。
以化学纯Al(NO3)3·9H2O和Ti(OC4H9)4为引入Al2O3和TiO2的原料，根据[Al3+]∶[Ti4+]＝2∶1的配比，按照固液比为10∶90将硝酸铝乙醇溶液与钛酸丁脂混合。在强烈搅拌下，经70℃反应浓缩后得到前驱体溶胶。
用恒流泵以150g/min的流速将悬浮液送入等离子火焰中喷雾成型，将等离子火焰喷射出的颗粒收集在喷距为450mm的冷却水中获得空心球状结构。
然后对水中的颗粒分离于150℃烘干得到固体粉末。
对所的固体粉末进行XRD分析表明固体粉末为晶态钛酸铝微粉。用SEM或TEM电镜观察其结构结果表明，样品为空心球状结构，粒径分布在15-65μm之间，空心球上的晶粒大小为为45～70nm且分布均匀。
实施例3：钛酸铬(Cr2TiO5)粉末的制备。
化学计量的Ti(OC4H9)4和Cr(NO3)3·9H2O分别溶于乙醇和水，在搅拌下将水溶液慢慢加入到醇溶液中，乙醇、Ti(OC4H9)4和水的摩尔比为5∶1∶20。上述混合物于50℃搅拌24h，然后加入计量的浓氨水(n(NH3)/n(Cr3+)＝3)，得到前驱体溶胶。
用恒流泵以150g/mim的流速将上述溶胶送入等离子火焰中喷雾成型，将等离子火焰喷射出的颗粒收集在喷距为500mm的冷却水中获得空心球状结构。
然后对水中的颗粒分离于150℃烘干得到固体粉末。
对所的固体粉末进行XRD分析表明固体粉末为晶态钛酸铬微粉。用TEM或SEM扫描电镜观察其结构结果表明，样品为空心球状结构，粒径分布在15-60μm之间，空心球上的晶粒大小为为40～70nm且分布均匀。
实施例4：M型铁氧体粉末的制备。
按BaFe12O19中铁离子和钡离子的mol比将0.2mol/LFeCl3.6H2O和的BaCl2·2H2O混合配置成0.1mol/l的乙醇水溶液(乙醇与水的体积比为1∶1)，然后将此混合溶液滴加到含有过量的0.5mol/LNaOH和0.02mol/L的NaCO3溶液中，并不停的搅拌，生成氢氧化铁和碳酸钡混合沉淀。将所得沉淀配置成固含量为1.5vol％的前驱体悬浮液。
用恒流泵以120g/min的流速将悬浮液用二流式喷嘴雾化成微滴送入等离子火焰中喷雾热解成熔滴，喷射入喷距为600mm的冷却水中获得空心球状结构。
然后收集水中的颗粒用乙醇洗涤置换粉体中的水分后置于烘箱中≤200℃温度烘干，再在高温电炉中以15℃/min的升温速率升到1300℃保温焙烧2小时。
对所的固体粉末进行XRD分析表明所得粉末为晶态M型BaFe12O19结构。用SEM扫描电镜观擦其结构结果表明，样品为空心球状结构，粒径分布在5-15μm之间，空心球上的晶粒大小为20～45nm且分布均匀。
Claims (5)
1.一种制备纳米氧化物空心微球粉末的方法，其特征是一种利用等离子喷雾热解方法制备纳米氧化物空心微球粉末，即：将制备的前驱体雾化，由等离子焰流喷雾热解形成固态熔滴后，快速射入水中冷却固化形成空心球状纳米晶体结构，然后将水中的颗粒收集烘干或置于高温电炉中热处理，得到所述纳米氧化物空心微球粉末。
2.根据权利要求1所述的制备纳米氧化物空心微球粉末的方法，其特征是采用包括前驱体的制备、前驱体的雾化、等离子喷雾热解和热处理步骤的方法制备纳米氧化物空心微球粉末，具体是：
(1)前驱体的制备：采用共沉淀法或溶胶凝胶法，将能形成氧化物陶瓷或复合结构陶瓷的前驱体制备浓度为0.5～1.5mol/l溶胶或凝胶；
(2)前驱体雾化：将所得的前驱体泵入到雾化喷嘴中进行雾化，形成粒径为微细的液滴；
(3)等离子喷雾热解；将雾化后所得的液滴送入等离子焰流进行高温喷雾热解，生成的熔滴以极快的速度射入水中，通过冷却固化成型得到空心微球；
(4)热处理：若从水中分离出来的空心微球为定型态，则将其烘干，即可获得所述纳米氧化物空心微球粉末；若从水中分离出来的空心微球为不定型态，则将其置于高温电炉中热处理到500～1300℃、保温2～5个小时成型，获得所述纳米氧化物空心微球粉末。
3.根据权利要求2所述的制备纳米氧化物空心微球粉末的方法，其特征在于：前驱体料浆是沉淀悬浊液、溶胶、凝胶，或者简单的和混合型盐溶液；前驱体溶液中溶质的浓度为5～15vol％，固液质量百分比为5～15∶95～85。
4.根据权利要求2所述的制备纳米氧化物空心微球粉末的方法，其特征在于：在前驱体料浆的制备过程中，可加入易挥发、高燃烧值的乙醇取代一部分水溶剂，乙醇含量占总溶剂的10～60vol％。
5.根据权利要求2所述的制备纳米氧化物空心微球粉末的方法，其特征在于：该方法能够制备的空心微球粉末有Y2O3/ZrO2、TiO2、Cr2O3或Al2O3氧化物陶瓷，也能够获得复合结构陶瓷空心微球粉末为铁氧体、稳定型的氧化锆、钛酸铝或钛酸铬。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |