CN102151538A - 用于分散纳米粉末的自吸式反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于分散纳米粉末的自吸式反应器。按照本发明提供的技术方案，所述用于分散纳米粉末的自吸式反应器，包括反应器容器的主体，所述主体的侧上部设有用于提供分散力的高速分散机构，主体的上顶部设有宏观搅拌机构；所述主体内的下底部设有定子及位于所述定子内的动力转子，动力转子能在定子内转动；定子上安装有粉体吸粉管，所述粉体吸粉管对应于与定子相连的另一端穿出主体外，且粉体吸粉管与主体相连通；主体外的底端设有用于驱动动力转子转动的驱动机构。本发明能克服常规处理纳米粉末分散应用的缺点，能够自吸纳米粉末，解决粉末与溶剂的预分散问题，使整体设备结构紧凑，加工工艺简单，性能可靠。
Description
技术领域
本发明涉及国防、电子、化工、轻工、航天航空、生物、医学等领域的纳米材料应用的分散装置，特别涉及具有分散性能好，自吸能力强的一种用于分散纳米粉末的自吸式反应器。
背景技术
纳米材料用途十分广泛，在国防、电子、化工、轻工、航天航空、生物、医学等领域的应用发挥着越来越重要的作用。目前，纳米粉体材料可以容易制备，但是，纳米粉体的团聚问题却严重阻碍了纳米粉体的应用和相应的纳米材料制备，成为纳米技术继续发展的瓶颈。
纳米粉体的团聚是指原生纳米粉体在制备、分离、处理和存放过程中相互连接、由多个颗粒形成较大的颗粒团簇现象。纳米颗粒团聚，目前研究者把其分为软团聚和硬团聚两种。软团聚是静电力和范德华力作用形成的，常用物理法处理；而硬团聚形成的原因除了静电力和范德华力之外，还存在化学键作用，存在不同的团聚机理，常用化学法处理。纳米颗粒团聚后，所形成二次粒子，粒径与一般的微米级颗粒相当，使得纳米材料优异性能因此消失。因此，解决或减轻团聚问题是十分关键的。
常规分散纳米材料的物理法为机械法和超声法。
常规机械分散可分研磨、球磨、胶体磨和机械搅拌等。研磨法、球磨、胶体磨存在粉碎极限问题，因纳米颗粒具有较大界面能，颗粒间范德华力较强，随着粒径的减小，颗粒间自动聚集的趋势变大，分散作用和聚集作用趋于平衡，粒径不再变化；另外磨头或磨球与筒壁摩擦产生杂质，影响产品的纯度和性能。机械搅拌，若采用普通搅拌桨由于剪切力不够，无法打碎团聚的纳米材料；采用高速分散叶轮，能打碎部分团块，不能实现纳米材料性能要求。
常规的超声波分散是利用超声波在纳米颗粒溶液产生空化作用，空化作用形成局部的高温高压，并产生巨大的冲击力和微射流，纳米粉体在其的作用下，表面能被削弱，从而实现对纳米粉体的分散作用。但是，超声波分散存在着功率放大困难，而且噪音大的缺点，规模工业化处理不甚方便。
常规物理法处理纳米材料的分散，存在主要问题是分散后的颗粒一旦离开机械力的作用，颗粒会重新聚并。因为，纳米颗粒在溶剂中的分散是一个分散和聚并的平衡过程。这样，纳米颗粒需要化学分散处理。
常规的化学分散法为表面化学修饰和分散剂分散，使得材料之间或材料与溶剂之间的团聚能力削弱，相对效果好很多。
但是，纳米材料的应用一般与溶剂混合后使用，即使材料经过表面修饰或加入分散剂（化学法），也存在粉末与溶剂润湿不均匀，很快产生结团现象。这时，若不及时利用机械力把它打开，将很难再次分散。因此，纳米粉末与溶剂开始接触时的预分散问题，显得十分重要。
常规的纳米材料应用的反应器为普通的搅拌反应器，分散在其它工序中进行后，物料再导入反应器中处理。这样，存在纳米颗粒的二次聚并现象。即使在分散工序中，由于颗粒加入溶剂时无法及时解决预分散问题，形成团聚。同时，粉末加入溶剂时导致工作环境粉尘飞扬。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于分散纳米粉末的自吸式反应器，其能克服常规处理纳米粉末分散应用的缺点，能够自吸纳米粉末，解决粉末与溶剂的预分散问题，使整体设备结构紧凑，加工工艺简单，性能可靠。
按照本发明提供的技术方案，所述用于分散纳米粉末的自吸式反应器，包括反应器容器的主体，所述主体的侧上部设有用于提供分散力的高速分散机构，主体的上顶部设有宏观搅拌机构；所述主体内的下底部设有定子及位于所述定子内的动力转子，动力转子能在定子内转动；定子上安装有粉体吸粉管，所述粉体吸粉管对应于与定子相连的另一端穿出主体外，且粉体吸粉管与主体相连通；主体外的底端设有用于驱动动力转子转动的驱动机构。
所述定子包括均匀分布的进液口及位于所述定子中心区的吸粉口；粉体吸粉管的一端伸入定子的吸粉口内，并安装在定子上；所述定子的圆环周向侧面设有若干液固两相出口的定子内槽孔及定子外槽孔，所述定子外槽孔位于定子内槽孔的外圈。
所述动力转子包括用于液固两相出口的转子内槽孔及转子外槽孔，所述转子外槽孔及转子内槽孔位于动力转子的圆环周向侧面，转子外槽孔位于转子内槽孔的外圈；动力转子上设有均匀分布的叶片。
所述动力转子与定子间的加工安装间隙为0.5~1mm。
所述驱动机构包括驱动电机，所述驱动电机通过驱动电机安装座安装在主体上；驱动电机的驱动轴通过轴旋转密封与动力转子相连，定子通过密封压盖安装于驱动电机安装座的端部。
所述高速分散机构包括分散电机，所述分散电机通过分散电机安装座安装于主体的侧上部；分散电机安装座中心区的连接管伸入主体内，连接管对应于伸入主体内的端部通过第一密封座及分散轴安装轴承安装有分散轴，所述分散轴的一端穿过第一密封座后伸入连接管内，并通过分散轴连轴器与分散电机的输出轴相连；分散轴对应于位于连接管外的一端固定安装有高速分散盘。
所述宏观搅拌机构包括搅拌电机，所述搅拌电机通过安装机座安装于主体的上顶部；所述安装机座中心区的定位管伸入主体内；定位管对应于伸入主体内的端部设有第二密封座，搅拌电机的输出轴穿出第二密封座后通过搅拌轴连轴器与搅拌轴相连，所述搅拌轴上固定安装有搅拌桨。
所述主体内设有挡板安装轴，所述挡板安装轴沿主体的轴向长度方向分布；挡板安装轴上设有固定桨式挡板，所述固定桨式挡板的数量为两块或两块以上；挡板安装轴对应于伸入主体内的端部设有温度计探头。
所述主体包括内筒体，所述内筒体的外面设有夹套。所述安装机座上设有卧式减速机，所述卧式减速机的输入轴与搅拌电机的输出轴相连，减速机输出轴伸入定位管内，并穿过第二密封座后通过搅拌轴连轴器与搅拌轴相连。
本发明的优点：引入了高速旋转的动力转子和定子的组合，实现自动吸粉与溶剂液体的预分散，高速分散机构产生不间断的分散力，同时宏观搅拌机构使得反应器容器内的物料均匀，使纳米粉末在液体中均匀分散而避免团聚。定子结构上有进液口和吸粉口，动力转子的高速旋转提供强大的动力，动力转子随直径方向的动能增加而位能减少，从而使动力转子外围高动能的流体压力低于转子中心低动能的压力，产生空位状态，流体由动力转子中心向转子外围流动，导致转子中心空位，形成该区域的真空，液体和粉体分别从进料口吸入，形成本机构的自吸能力，自吸式的操作方式使分散过程工作环境的粉尘减少，消除了传统处理工艺中所需的环保辅助设施；液固两相经过动力转子带有槽孔的内外圆环流出，在动力转子和定子小间隙（0.5~1mm）腔体内剪切、碾磨、撞击，纳米粉末被预分散，液固两相经过定、转子共四层流道的作用，获得了极大的机械能，足以使纳米粉末克服团聚的范德华力，形成良好的粉末分散体系，使得纳米粉末在一开始液流均匀湿润，避免传统工艺会在液流的表面、搅拌轴和容器壁上形成的团聚或结皮现象；两相流体从定子的槽孔喷出，具有一定的动能，沿着容器底部向容器周边往上流动，而容器上侧部的高速分散机构的高速分散盘进一步分散液固两相流体，获得容器内的不间断机械能，防止了纳米粉末在液体溶剂的聚并现象；而宏观搅拌机构形成了反应器容器内的宏观全混合，良好提供预分散和高速分散的宏观流场，消除了局部短循环。通过这些机构和作用使得纳米粉末在本发明装置实现自吸、均匀分散的功能，达到提高纳米粉末分散及其应用的效果，整体设备结构紧凑，加工工艺简单，性能可靠。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明驱动机构的结构示意图。
图3为定子的结构示意图。
图4为图3的俯视图。
图5为动力转子的结构示意图。
图6为图5的俯视图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1~图6所示：本发明包括主体1、内筒体1.1、夹套1.2、高速分散机构2、高速分散盘2.1、分散轴2.2、分散轴安装轴承2.3、第一密封座2.4、分散轴连轴器2.5、分散电机安装座2.6、分散电机2.7、连接管2.8、宏观搅拌机构3、卧式减速机3.1、搅拌电机3.2、安装机座3.3、减速机输出轴3.4、第二密封座3.5、搅拌轴连轴器3.6、搅拌轴3.7、搅拌桨3.8、定位管3.9、固定桨式挡板4、温度计探头5、定子6、吸粉口6.1、进液口6.2、端盖6.3、定子外槽孔6.4、定子内槽孔6.5、连接孔6.6、动力转子7、叶片7.1、转子外槽孔7.2、转子内操控7.3、驱动机构8、驱动电机8.1、驱动轴8.2、驱动电机安装座8.3、密封压盖8.4、轴旋转密封8.5、粉体吸粉管9、挡板安装轴10、挡板孔11及吸纳腔12。
如图1所示：本发明包括所述主体1的侧上部设有用于提供分散力的高速分散机构2，主体1的上顶部设有宏观搅拌机构3；所述主体1内的下底部设有定子6及位于所述定子6内的动力转子7，动力转子7能在定子6内转动；定子6上安装有粉体吸粉管9，所述粉体吸粉管9对应于与定子6相连的另一端穿出主体1外，且粉体吸粉管9与主体1相连通；主体1外的底端设有用于驱动动力转子7转动的驱动机构8。
所述反应器容器的主体1包含内筒体1.1，所述内筒体1.1外面的夹套1.2，所述夹套1.2包裹内筒体1.1的下部。反应器容器的主体1内设有固定桨式挡板4，所述固定桨式挡板4通过挡板安装轴10安装在主体1内，挡板安装轴10沿主体1的轴向长度方向分布；固定桨式挡板4的数量为两块或以上，其中一块固定桨式挡板4下部设有温度计探头5，具体实施时，温度计探头5位于挡板安装轴10对应于伸入主体1内的端部，温度计探头5靠近主体1内的底端，以供检测温度，固定桨式挡板4可防止反应器容器的主体1内流体的漩涡形成，空气卷入和容器壁的液面升高，而影响宏观混合的效果；固定桨式挡板4上设置若干均匀分布的挡板孔11，所述固定桨式挡板4与挡板孔11相配合后具有一定的剪切和混合效果。
所述高速分散机构2包括分散电机2.7，所述分散电机2.7通过分散电机安装座2.6安装在主体1的侧上部；分散电机安装座2.6的中心区设有连接管2.8，所述连接管2.8对应于与分散电机安装座2.6相连的另一端伸入主体1内，并沿主体1的轴线长度方向分布；高速分散机构2与固定桨式挡板4位于主体1内相对应的位置；高速分散机构2与固定桨式挡板4位于宏观搅拌机构3的两侧。连接管2.8对应于伸入主体1内的端部固定安装有第一密封座2.4，所述第一密封座2.4内设置分散轴安装轴承2.3。连接管2.8内设有分散轴2.2，所述分散轴2.2的一端通过分散轴安装轴承2.3安装在连接管2.8内，分散轴2.2的一端穿过第一密封座2.4后与位于连接管2.8内的分散电机2.7的输出轴通过分散轴连轴器2.5相连，从而分散电机2.7的输出轴转动时，能够带动分散轴2.2转动。分散轴2.2对应于位于连接管2.8外的一端设有高速分散盘2.1，所述高速分散盘2.1为两只，高速分散盘2.1以高低位安装在分散轴2.2上，从而将高速分散机构2安装在反应器容器主体的侧轴向。高速分散机构2的高速分散盘2.1可使经过预分散的纳米粉末的液固两相流体进一步分散，获得容器内的不间断机械能，有效防止了纳米粉末在液体溶剂的聚并现象。
所述宏观搅拌机构3包括搅拌电机3.2，所述搅拌电机3.2通过安装机座3.3安装在主体1的上顶部。为了降低搅拌电机3.2的安装空间要求，所述安装机座3.3上设有卧式减速机3.1，所述卧式减速机3.1的输入轴与搅拌电机3.2的输出轴相连。安装机座3.3的中心区设有定位管3.9，所述定位管3.9的一端伸入主体1内，且定位管3.9对应于伸入主体1内的端部设置第二密封座3.5。卧式减速机3.1的减速机输出轴3.4位于定位管3.9内并穿出第二密封座3.5，且减速机输出轴3.4对应于穿出第二密封座3.5的端部通过搅拌轴连轴器3.6与搅拌轴3.7相连，所述搅拌轴3.7上固定安装有搅拌桨3.8。宏观搅拌机构3形成了反应器容器的主体1内的宏观全混合，良好提供预分散和高速分散的宏观流场，消除了局部短循环；卧式减速机3.1在厂房高度受限制时使用。
如图2所示：所述驱动机构8包括驱动电机8.1，所述驱动电机8.1位于主体1外的底端；驱动电机8.1通过驱动电机安装座8.3安装于主体1的底端；所述驱动电机8.1的输出轴与驱动轴8.2相连，所述驱动轴8.2上设有轴旋转密封8.5，所述轴旋转密封8.5为机械密封。驱动电机安装座8.3对应于与驱动电机8.1相连的另一端设置固定连接的密封压盖8.4，从而能够将定子6固定安装在密封压盖8.4上。定子6通过螺钉与密封压盖8.4相连，定子6内设置动力转子7，动力转子7能在定子6内转动。动力转子7通过轴旋转密封8.5与驱动轴8.2固定相连，当驱动轴8.2在驱动电机8.1的输出轴作用下转动时，轴旋转密封8.5能够带动动力转子7在定子6转动。定子6上设置粉体吸粉管9，所述粉体吸粉管9对应于与定子6相连的另一端穿出主体1外，并与主体1内相连通。
如图3和图4所示：为定子6的结构示意图。所述定子6包括定子主体及位于所述定子主体端部的端盖6.3，所述端盖6.3上设有均匀分布的进液口6.2，所述进液口6.2为三个。端盖6.3的中心区设有吸粉口6.1，进液口6.2环绕吸粉口6.1分布。定子主体上的内外两排周向侧面开有若干均匀分布的液固两相出口的定子外槽孔6.4及定子内槽孔6.5，所述定子外槽孔6.4位于定子外槽孔6.5的外圈。定子主体的下部设置连接孔6.6，所述连接孔6.6为四个，用于将定子6固定安装于密封压盖8.4上。吸粉口6.1、进液口6.2与定子内槽孔6.5、定子外槽孔6.4及主体1相连通。当纳米粉末通过吸粉口6.1进入定子主体的腔体内且液体溶剂通过进液口6.2进入定子主体的腔体内后，纳米粉末及液体溶剂在腔体内沿径向流动，先从定子内槽孔6.5再经定子外槽孔6.4后射出，达到分散且获得足够动能的目的。
如图5和图6所示：为本发明动力转子7的结构示意图。所述动力转子7包括转子本体，转子本体上的内外两排圆环周向侧面开有若干液固两相出口的转子外槽孔7.2及转子内槽孔7.3，所述转子外槽孔7.2位于转子内槽孔7.3的外圈。转子本体内的上部设置叶片7.1，所述叶片7.1为四片，叶片7.1的一端与转子本体对应于设置转子内槽孔7.3的侧壁相连，且叶片7.1避开转子内槽孔7.3与转子外槽孔7.2略微偏心设置，可以使得动力转子7旋转时流体被作用的面积加大，流体获得的动能加大。所述转子内槽孔7.3、转子外槽孔7.2与定子内槽孔6.5及定子外槽孔6.4相匹配；当动力转子7安装在定子6内时，动力外槽孔7.2位于定子内槽孔6.5及定子外槽孔6.4间，且转子内槽孔7.3、转子外槽孔7.2、定子内槽孔6.5及定子外槽孔6.4相连通，从而保证位于吸纳腔12内的纳米粉末及液体溶剂能够依次通过转子内槽孔7.3、定子内槽孔6.5、转子外槽孔7.2及定子外槽孔6.4后射出。
动力转子7和定子6加工安装间隙在0.5~1mm；间隙腔体内具有剪切、碾磨、撞击，纳米粉末被预分散，液固两相经过定、转子共4层流道的作用，获得了极大的机械能，足以使纳米粉末克服团聚的范德华力，形成良好的粉末分散体系。
如图1~图6所示：工作时，用软管连接粉体吸料管9，液体溶剂首先加入反应器容器的主体1内，开启高速分散机构2的分散电机2.7和宏观搅拌机构3的搅拌电机3.2，然后开启驱动机构8的驱动电机8.1，动力转子7在驱动电机8.1的驱动下高速旋转提供强大的动力，动力转子7随直径方向的动能增加而位能减少，从而使动力转子7外围高动能的流体压力低于转子中心低动能的压力，产生空位状态，流体由动力转子7的中心向转子外围流动，导致动力转子7中心空位，形成该区域的真空。液体通过定子6的进液口6.2进入吸纳腔12内，吸纳腔12内充满液体后，使中心区域的真空度加大，这时开启粉体吸料管9，将其软管插入盛装粉体的容器内，纳米粉体很快被定子6的吸粉口6.1吸入，即纳米粉体通过软管、粉体吸粉管9及吸粉口6.1后进入吸纳腔12内，形成了自吸能力。纳米粉末与液体溶剂在吸纳腔12内混合，液固两相经过动力转子7的转子内槽孔7.3及定子内槽孔6.5内外圆环流出，在动力转子7和定子6的小间隙（0.5mm）腔体内剪切、碾磨、撞击，纳米粉末被预分散，液固两相经过定、转子共4层流道的作用，获得了极大的机械能，足以使纳米粉末克服团聚的范德华力，形成良好的粉末分散体系，使得纳米粉末在一开始液流均匀湿润和分散；两相流体从定子6的定子外槽孔6.4喷出，具有一定的动能。两相流体沿着主体1的底部向容器周边往上流动，而容器上侧部高速分散机构2的高速分散盘2.1高速转动后进一步分散液固两相流体，获得容器内的不间断机械能，防止了纳米粉末在液体溶剂的聚并现象；而宏观搅拌机构3形成了反应器容器主体1内的宏观全混合，良好提供预分散和高速分散的宏观流场，消除了局部短循环。固定桨式挡板4阻止了容器内流体的漩涡形成、空气卷入和容器壁的液面升高，提高了宏观混合的效果。由此实现自吸、均匀分散的功能，达到提高纳米粉末分散及其应用的效果。工艺操作温度由夹套1.2加热、冷却介质控制。
利用本发明装置进行纳米二氧化钛的改性处理，结果表明：相同工艺下，利用羧基功能基铝锆偶联剂对纳米TiO2进行表面改性，其粒径分布进一步变窄，提高了30％，颗粒团聚较为松散，显著改善纳米TiO2在水中的分散性，而且操作环境无粉尘飞扬。
Claims (10)
1.一种用于分散纳米粉末的自吸式反应器，包括反应器容器的主体（1），所述主体（1）的侧上部设有用于提供分散力的高速分散机构（2），主体（1）的上顶部设有宏观搅拌机构（3）；其特征是：所述主体（1）内的下底部设有定子（6）及位于所述定子（6）内的动力转子（7），动力转子（7）能在定子（6）内转动；定子（6）上安装有粉体吸粉管（9），所述粉体吸粉管（9）对应于与定子（6）相连的另一端穿出主体（1）外，且粉体吸粉管（9）与主体（1）相连通；主体（1）外的底端设有用于驱动动力转子（7）转动的驱动机构（8）。
2.根据权利要求1所述的分散纳米粉末的自吸式反应器，其特征是：所述定子（6）包括均匀分布的进液口（6.2）及位于所述定子（6）中心区的吸粉口（6.1）；粉体吸粉管（9）的一端伸入定子（6）的吸粉口（6.1）内，并安装在定子（6）上；所述定子（6）的圆环周向侧面设有若干液固两相出口的定子内槽孔（6.5）及定子外槽孔（6.4），所述定子外槽孔（6.4）位于定子内槽孔（6.5）的外圈。
3.根据权利要求1所述的分散纳米粉末的自吸式反应器，其特征是：所述动力转子（7）包括用于液固两相出口的转子内槽孔（7.3）及转子外槽孔（7.2），所述转子外槽孔（7.2）及转子内槽孔（7.3）位于动力转子（7）的圆环周向侧面，转子外槽孔（7.2）位于转子内槽孔（7.3）的外圈；动力转子（7）上设有均匀分布的叶片（7.1）。
4.根据权利要求1所述的分散纳米粉末的自吸式反应器，其特征是：所述动力转子（7）与定子（6）间的加工安装间隙为0.5~1mm。
5.根据权利要求1所述的分散纳米粉末的自吸式反应器，其特征是：所述驱动机构（8）包括驱动电机（8.1），所述驱动电机（8.1）通过驱动电机安装座（8.3）安装在主体（1）上；驱动电机（8.1）的驱动轴（8.2）通过轴旋转密封（8.5）与动力转子（7）相连，定子（6）通过密封压盖（8.4）安装于驱动电机安装座（8.3）的端部。
6.根据权利要求1所述的分散纳米粉末的自吸式反应器，其特征是：所述高速分散机构（2）包括分散电机（2.7），所述分散电机（2.7）通过分散电机安装座（2.6）安装于主体（1）的侧上部；分散电机安装座（2.6）中心区的连接管（2.8）伸入主体（1）内，连接管（2.8）对应于伸入主体（1）内的端部通过第一密封座（2.4）及分散轴安装轴承（2.3）安装有分散轴（2.2），所述分散轴（2.2）的一端穿过第一密封座（2.4）后伸入连接管（2.8）内，并通过分散轴连轴器（2.5）与分散电机（2.7）的输出轴相连；分散轴（2.2）对应于位于连接管（2.8）外的一端固定安装有高速分散盘（2.1）。
7.根据权利要求1所述的分散纳米粉末的自吸式反应器，其特征是：所述宏观搅拌机构（3）包括搅拌电机（3.2），所述搅拌电机（3.2）通过安装机座（3.3）安装于主体（1）的上顶部；所述安装机座（3.3）中心区的定位管（3.9）伸入主体（1）内；定位管（3.9）对应于伸入主体（1）内的端部设有第二密封座（3.5），搅拌电机（3.2）的输出轴穿出第二密封座（3.5）后通过搅拌轴连轴器（3.6）与搅拌轴（3.7）相连，所述搅拌轴（3.7）上固定安装有搅拌桨（3.8）。
8.根据权利要求1所述的分散纳米粉末的自吸式反应器，其特征是：所述主体（1）内设有挡板安装轴（10），所述挡板安装轴（10）沿主体（1）的轴向长度方向分布；挡板安装轴（10）上设有固定桨式挡板（4），所述固定桨式挡板（4）的数量为两块或两块以上；挡板安装轴（10）对应于伸入主体（1）内的端部设有温度计探头（5）。
9.根据权利要求1所述的分散纳米粉末的自吸式反应器，其特征是：所述主体（1）包括内筒体（1.1），所述内筒体（1.1）的外面设有夹套（1.2）。
10.根据权利要求7所述的分散纳米粉末的自吸式反应器，其特征是：所述安装机座（3.3）上设有卧式减速机（3.1），所述卧式减速机（3.1）的输入轴与搅拌电机（3.2）的输出轴相连，减速机输出轴（3.4）伸入定位管（3.9）内，并穿过第二密封座（3.5）后通过搅拌轴连轴器（3.6）与搅拌轴（3.7）相连。
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