CN102985186A - 将纳米颗粒充电的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及将纳米颗粒（30）充电的设备和方法。本发明包括将一种或多种液体原料雾化成微滴（3），在雾化期间或之后将微滴（3）充电，以及将微滴（3）中的一种或多种液体材料气化以便从液体微滴（3）产生纳米颗粒（30），使得微滴（3）的电荷转移到纳米颗粒（30）中，从而产生带电的纳米颗粒（30）。

Description

将纳米颗粒充电的设备和方法

发明领域

本发明涉及将纳米颗粒充电的设备，且特别涉及根据权利要求1前序部分所述的设备。本发明还涉及将纳米颗粒充电的方法，且特别涉及根据权利要求12前序部分所述的方法。

发明背景

纳米颗粒（nanoparticles），即具有1至1000纳米尺寸的颗粒，已被发现在工业中具有许多重要的应用，例如在玻璃工业中用以产生催化表面、自清洁及抗菌的产品、玻璃染色、以及光学元件如光纤的制造，等等。能够产生纳米颗粒对于这些应用的可行使用是重要因素。纳米颗粒需要具有相对狭窄的尺寸分布（单分散性）、抗聚集（ant i-agglomerat ion）、以及均质性（homogeneity）。纳米颗粒的生产应易于从实验室规模生产转变到工业规模生产。在工业规模中，常常通过气相工艺（vapour phase processes）来产生纳米颗粒。气相工艺，也称为气溶胶反应器工艺（aerosol reactorprocesses），包括火焰反应器、热壁反应器、等离子体反应器、气体冷凝方法、激光烧蚀、以及喷雾热解（spray pyrolysis）等。

当纳米颗粒用于工业应用时，现有技术的问题在于难以控制工业中所使用的纳米颗粒。例如，将纳米颗粒沉积在基底上，用以在基底上提供涂层或者调整基底的表面特性。由于纳米颗粒的尺寸小，因此难以将它们均匀地沉积。因此产生纳米颗粒的非均匀通量（flux）。非均匀通量是由于难以控制和引导所产生的纳米颗粒。此外，现有技术的缺点是材料效率（material efficiency）相当低、并且难以在必要时控制和调节沉积。所述问题的一种解决方案是使纳米颗粒充电并且利用电力来控制及沉积带电的纳米颗粒。

然而，对纳米颗粒充电非常困难，并且其不能以工业规模使用任何已知的现有技术来实现。纳米颗粒的小尺寸使得纳米颗粒的充电无效。

发明概述

本发明的目的是提供将纳米颗粒充电的设备以及将纳米颗粒充电的方法，以便克服上述的问题。通过根据权利要求1的特征部分的用于将纳米颗粒充电的设备实现了本发明的目的。通过根据权利要求12的特征部分的用于将纳米颗粒充电的方法进一步实现了本发明的目的。从属权利要求中公开了本发明的优选实施方案。

本发明是基于以间接方式将纳米颗粒充电的思想。根据本发明，首先，利用一个或多个雾化器将一种或多种液体原料气化成微滴。在雾化期间或之后，将所产生的微滴进一步充电，并将带电的微滴引导至蒸发腔室，在该蒸发腔室中通过从微滴气化液体材料来从液体微滴产生纳米颗粒。所述纳米颗粒可被进一步沉积于基底上。根据本发明，在将液体微滴引导至蒸发腔室之前并且在将微滴的液体材料气化之前，于雾化期间或之后将液体微滴充电。当微滴的液体材料气化时，微滴的电荷转移到微滴中存在的纳米颗粒，或者在微滴的液体材料气化期间形成微滴的电荷。因此，当微滴的电荷转移到纳米颗粒中时，便产生带电的纳米颗粒。可利用一个或多个电场将带电的纳米颗粒引导或沉积在基底上。

本发明的优点在于，当纳米颗粒的液体材料气化时，随著液体微滴的电荷转移到纳米颗粒，将微滴充电还使得所产生的纳米颗粒也被充电。根据本发明使用间接方式将纳米颗粒充电，这提供了一种用以将纳米颗粒充电的有效且工业上适用的方案。此外，由于带电的纳米颗粒的互斥电力，纳米颗粒的电荷使得纳米颗粒的通量更加均匀。换而言之，带电的纳米颗粒因为电荷而彼此互斥，使得纳米颗粒的通量或分布变得更加均匀。纳米颗粒的电荷还使得能够利用一个或多个电场有效地控制或引导纳米颗粒。因此，可利用电场来控制和引导带电纳米颗粒，使得可将带电纳米颗粒有效地沉积在基底上。

附图简述

接下来将通过优选实施方案参照附图更详细地描述本发明，其中

图1A示意显示了用以产生纳米颗粒的器件；

图1B示意显示了用以产生带电的纳米颗粒并将带电的纳米颗粒沉积于基底上的本发明一个实施方案；和

图1C及图1D显示了用于产生带电的纳米颗粒的替代性方法。

发明详述

图1A示出用以产生纳米颗粒30的器件10。器件10包括用于在腔室5中将一种或多种液体原料雾化成微滴31的雾化器（atomizer）11。优选利用双流体（two-fluid）雾化器11来将液体原料雾化，其中，将一种或多种雾化气体提供至双流体雾化器11，用以将液体原料雾化成微滴31。将所形成的微滴31进一步引导至借助燃料气体及氧化性气体所产生的火焰12。优选利用双流体雾化器11提供火焰12，通过由雾化器11提供燃料气体及氧化性气体，由此使微滴31与火焰12在同一器件之中形成。燃料气体和/或氧化性气体还可作为雾化气体用以形成微滴31，或者它们可独立于雾化气体而被提供。微滴31以液体形式进入火焰12，并且在火焰12中液体原料被转变成纳米颗粒30，所述纳米颗粒的组成可不同于液体原料的组成。通过以已知方式成核来形成纳米颗粒30。产生纳米颗粒30的上述方式是现有技术。因此，应当注意的是，也可以用一些其他已知方式来产生纳米颗粒30。

用来产生纳米颗粒30的器件10优选产生纳米颗粒30及水蒸汽。将纳米颗粒30和水蒸汽进一步凝结成为包含纳米颗粒30的液体原料。也可以用一些其他方式将所形成的纳米颗粒30混入液体材料中，用以提供具有纳米颗粒30的液体原料。然而，应注意的是，可以用任何其他已知方法来提供包含纳米颗粒30的液体原料。包含纳米颗粒30的这种液体原料可为包含一种或多种液体材料和固体纳米颗粒30的任何胶体溶液（colloidal solution）或分散体（dispersion）。

图1B示出了用于将纳米颗粒30充电、或者产生带电的纳米颗粒30并将带电的纳米颗粒30沉积于基底15上的设备。首先，在双流体雾化器2中将包含纳米颗粒30的一种或多种液体原料雾化成微滴3。也可使用其他类型的雾化器。所述液体原料优选被雾化成直径为10μm或更小、更优选为3μm或更小的微滴3。在雾化期间或之后，将形成的微滴3充电。图1B示出了在雾化腔室4中将形成的微滴3充电的方案，通过利用喷吹充电器（blow charger）60将带电气体供应至雾化腔室中。带电的气体将微滴3充电。也可以用任何其他已知方式将微滴3充电。例如，雾化器2可为双流体雾化器，并且其可包含充电装置（未示出），诸如电晕电极（corona electrode），其被配置成将双流体雾化器2中所使用的至少一部分气体充电，用以将微滴3充电。作为替代，充电装置包括一个或多个电晕电极，用以在雾化之后将微滴3充电。电晕电极可被提供至雾化腔室4。

将带电微滴3进一步引导至蒸发腔室6，用以产生带电的纳米颗粒30。配置蒸发腔室6以便使一种或多种液体材料从带电微滴3气化，用以从微滴3中的固体纳米颗粒30产生带电的纳米颗粒30。在带电微滴3的液体材料气化期间，微滴3的电荷转移到微滴3中存在的纳米颗粒30中，从而形成带电的纳米颗粒30。纳米颗粒30不包含任何液体材料，或者，与纳米颗粒30中的固体材料的质量相比，纳米颗粒30中的液体材料的量或质量较小。

蒸发腔室6可包括一个或多个热区，用以使微滴3中一种或多种液体材料的气化增强。可通过气体或者利用加热装置来提供热区，例如热辐射器（heat radiator）、电阻器（electric resistor），或用以提供热区的一些其他方式。热区的高温会增强并加速液体材料从微滴3的蒸发。

如图1C及1D所示，液体微滴3能够至少以两种可选方式来形成纳米颗粒30。图1C示出了用于从包含固体纳米颗粒65的液体原料64来产生带电纳米颗粒30上述方法的原理。固体纳米颗粒65的平均直径优选为约100nm或更小。此类具有固体纳米颗粒65的原料64可为胶体溶液或分散体。首先，通过雾化器2将具有固体颗粒65的液体原料64雾化成微滴3。此时，固体颗粒65处于微滴3中。将微滴3进一步充电并引导至蒸发腔室6，在该蒸发腔室中使微滴3的液体材料气化，从而微滴3的电荷被转移到形成的纳米颗粒30。液体原料可包含一种或多种胶态纳米颗粒，从而产生一种或多种带电的纳米颗粒30。

图1D中示出了产生带电纳米颗粒30的一种替代方式。液体原料64可包含一种或多种溶剂以及溶解在所述溶剂中的一种或多种固体物质。所述固体物质可包括一种或多种盐等等。将包含溶剂和溶解固体物质的液体原料64以上述相同方式雾化成微滴，并且进一步如上所述将微滴3充电。将带电微滴3进一步引导至蒸发腔室6，在所述蒸发腔室中当微滴3干燥或者当液体原料64的溶剂气化时，溶剂气化并且溶解的固体材料形成纳米颗粒30。如图1D中所形成的纳米颗粒30通常是中空（hollow）纳米颗粒30。

根据上述，通过如下方式产生带电的纳米颗粒30：将一种或多种液体原料64雾化成微滴3，在雾化期间或之后将微滴3充电，以及使微滴3的一种或多种液体材料气化从而由液体微滴3产生纳米颗粒30，使得微滴3的电荷转移到纳米颗粒30中从而产生带电的纳米颗粒30。图1B示出了将纳米颗粒30沉积在基底15上的一个实施方案。图1B的机器包括雾化器2，用以从一种或多种液体原料产生微滴3。利用一个或多个喷吹充电器60将所产生的微滴3充电，所述喷吹充电器60提供带电气体，该带电气体进而将微滴3充电。也可以用上述的任何其他方式将微滴3充电。例如，雾化器2可为双流体雾化器，并且配置充电装置以便将双流体雾化器2中所用气体的至少一部分充电，从而将微滴3充电。作为替代，充电装置包含一个或多个电晕电极，用以在雾化之后将微滴3充电。可将喷吹充电器60或电晕电极提供至雾化腔室4或蒸发腔室6，或者提供至蒸发腔室6上游的独立充电腔室，或者提供在蒸发腔室6上游的其他位置。

将带电微滴3进一步引导至蒸发腔室6，在该实施方案中所述蒸发腔室也充当沉积腔室，用以产生带电的纳米颗粒30。如上文结合图1C和1D所述，液体微滴3能够至少以两种可选方式形成纳米颗粒30。

将带电微滴3从雾化腔室4引导至沉积腔室6。如图1B所示，沉积腔室6提供有电场61用以将带电微滴3导向玻璃基底15，和/或将带电纳米颗粒30沉积在基底15上。在纳米颗粒30的移动方向上，蒸发腔室6可包括两个或多个邻近和/或连续配置的电场61。这些邻近和/或连续电场61中的至少一些可具有相同或不同的电场强度，用以调节带电的纳米颗粒30或微滴的分布。如前所述，蒸发腔室可提供有一个或多个热区（未显示），用以增强和加速微滴3的液体材料的蒸发和干燥。基底15还可处于高温下，使得通过提供热能，基底本身在接近基底15的表面处形成热区，用以增强微滴3的气化或干燥。

具有纳米颗粒30沉积于其上的玻璃基底15然后被引导至热处理62，可利用鼓风机（gas blower）、燃烧器（burner）、热辐射器、烘箱、激光等来进行所述热处理。

本领域的技术人员清楚，随着技术发展，能够以不同方式来实施本发明的概念。本发明及其实施方案不限于上述实施例，而是可在权利要求书的范围内变化。

Claims (21)

1.一种用于将纳米颗粒（30）充电的设备，其特征在于，该设备包括：

-至少一个雾化器（2），用以将一种或多种液体原料雾化成微滴（3）；

-充电器件（60），用以在雾化期间或之后将所述微滴（3）充电；以及

-蒸发腔室（6），其被配置用以使微滴（3）的一种或多种液体原料气化，以便由所述液体微滴（3）产生纳米颗粒（30），使得所述微滴（3）的电荷转移到所述纳米颗粒（30）中，以产生带电的纳米颗粒（30）。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该雾化器（2）是双流体雾化器，并且该充电器件被配置为将该双流体雾化器（2）中所使用气体的至少一部分充电，用以将所述微滴（3）充电。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，该充电器件包括一个或多个电晕电极，用以将该双流体雾化器（2）中所用气体的至少一部分充电，用以将所述微滴（3）充电。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该充电器件包括一个或多个电晕电极，用以将所述微滴（3）充电，或者所述充电装置包含一个或多个喷吹充电器，所述一个或多个喷吹充电器供应带电气体用以将所述微滴（3）充电。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，该一种或多种液体原料包括胶体溶液或分散体，所述胶体溶液或分散体包含一种或多种液体材料和固体纳米颗粒（30）。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，该一种或多种液体原料包含一种或多种溶剂以及溶解在所述溶剂中的一种或多种固体物质。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述固体物质是一种或多种盐。

8.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，该蒸发腔室（6）被配置为将所述一种或多种液体材料从所述带电微滴（3）气化，用以形成带电的纳米颗粒（30）。

9.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，该蒸发腔室（6）被配置为将所述一种或多种溶剂从所述带电微滴（3）气化，用以从溶解在所述一种或多种溶剂中的所述固体物质或盐产生带电的纳米颗粒（30）。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的设备，其特征在于，该蒸发腔室（6）包括一个或多个热区，用以增强所述微滴（3）的所述一种或多种液体材料的气化。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备用在具有一个或多个电场的沉积机器中，用以将所述带电的纳米颗粒（30）沉积在基底（15）上。

12.一种将纳米颗粒（30）充电的方法，其特征在于，该方法包括：

-将一种或多种液体原料雾化成微滴（3）；

-在雾化期间或之后，将所述微滴（3）充电；以及

-气化所述微滴（3）的所述一种或多种液体材料，用以从所述液体微滴（3）产生纳米颗粒（30），使得所述微滴（3）的电荷转移到所述纳米颗粒（30）中，以产生带电的纳米颗粒（30）。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，通过双流体雾化器（2）来将所述一种或多种液体原料雾化，并且将该双流体雾化器（2）中所用气体的至少一部分充电，用以将所述微滴（3）充电。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在雾化之后，通过一个或多个电晕电极或者通过一个或多个喷吹充电器将所述微滴（3）充电，所述一个或多个喷吹充电器供应带电气体用以将所述微滴（3）充电。

15.根据权利要求12-14中任一项所述的方法，其特征在于，所述一种或多种液体原料包括胶体溶液或分散体，所述胶体溶液或分散体包含一种或多种液体材料以及固体纳米颗粒（30）。

16.根据权利要求12-14中任一项所述的方法，其特征在于，所述一种或多种液体原料包含一种或多种溶剂以及溶解在所述溶剂中的一种或多种固体物质。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述固体物质是一种或多种盐。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，从所述带电微滴（3）气化所述一种或多种液体材料，用以形成带电的纳米颗粒（30）。

19.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，从所述带电微滴（3）气化所述一种或多种溶剂，用以从溶解在所述一种或多种溶剂中的所述固体物质或盐来产生带电的纳米颗粒（30）。

20.根据权利要求12至19中任一项所述的方法，其特征在于，加热微滴（3），用以增强所述微滴（3）的所述一种或多种液体材料的气化。

21.根据权利要求12至20中任一项所述的方法，其特征在于，利用所述方法，以一个或多个电场将纳米颗粒（30）沉积在基底（15）上。

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