CN103263963B - 不用分散剂、湿转干法生产超细纳米干粉的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不用分散剂、湿转干法生产超细纳米干粉的方法及装置，采用多级湿法研磨技术对物料进行研磨，然后进行加热浓缩，最后通过超低温、真空升华干燥得到松散、不结团纳米级超细干粉。通过本发明得到的粉体能够达到国内甚至世界先进水平，而且设备常规，工艺先进，采用湿法研磨而无需加入分散剂，能够更好的保证产品质量，适合推广。<b/>

Description

不用分散剂、湿转干法生产超细纳米干粉的方法及装置

技术领域

本发明涉及纳米材料生产领域；具体为一种不用分散剂、湿转干法生产超细纳米干粉的方法及装置。

背景技术

我国在粉体材料的加工上还落后于国际水平，虽然我国的863计划在粉体设备的研究上已突破5000-8000目的生产设备，但与发达国家相比还有较大差距。特别是纳米材料的生产方面，我国一些企业采用中外设备结合的方法。到目前为止，在所公开的资料分析，我国生产纳米材料的企业，以湿式纳米产品出现的粒度在D90-500nm以下的有几家，而干式纳米出现D97-900nm干粉仅佛山安亿纳米材料有限公司有公开报道。

现有技术中，采用湿法生产纳米材料时，须加入分散剂防止物料的结团，但加入分散剂的产品会限制其在高科技行业的应用。

采用干法生产纳米材料时，由于在生产设备中增设分级部件会提高投资成本，增加维修成本；而且干法生产中设备研磨产生高温，设备能耗和零部件损耗都较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种不用分散剂、湿转干法生产超细纳米干粉的方法及装置，采用超低温、高真空升华干燥技术，使湿法研磨时产品中不需加分散剂也不会结团，生产的纳米材料能够达到世界先进水平。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种不用分散剂、湿转干法生产超细纳米干粉的方法，包括以下步骤，其中所述的百分数均为重量百分数：

1、一种不用分散剂、湿转干法生产超细纳米干粉的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）配料：将矿砂与水混合均匀，其中固体含量为30wt%-40wt%；

2）研磨：将步骤1）所得的物料通过研磨系统研磨至D90在10～900nm，然后进行加热浓缩至物料的固体含量≥60%；

3）将步骤2）所得物料通过超低温真空干燥，控制含水率＜0.2wt%，得超细纳米干粉。

所述矿砂为不溶于水的无机材料或矿物材料。

所述矿石为重晶石或石英石；

采用重晶石矿石时，BaSO₄≥98%，粒度80-100目；

采用石英石矿石时，SiO₂≥99.99%，粒度80-100目。

步骤2）所述的研磨过程研磨至D97 为900nm、D95为500nm或D90 为100nm；所述研磨过程中采用的研磨介质为钇稳定氧化锆珠。

以上所述的D90在10～900 nm表示粒度分别为10～900nm之间的任意单个粒度之下的颗粒占到总颗粒的90%；D97为900nm表示粒度为900nm及以下的颗粒占总颗粒的97%，D95为500nm表示粒度为500nm及以下的颗粒占总颗粒的95%，其余类似。

所述的加热浓缩步骤先通过预热物料，然后经蒸发器除去物料中的部分水分。

步骤3）所述超低温真空升华干燥是先将物料冷冻至-68℃以下，然后抽真空至真空度为0.096MPa-0.098MPa，保持该真空度，再对物料进行加热到干燥完毕。

一种不用分散剂、湿转干法生产超细纳米干粉的装置，包括依次连接的搅拌配料桶、研磨系统、半成品浆料预热搅拌储槽、蒸发系统及真空冷冻干燥机。

所述的研磨系统由多级循环研磨系统串联而成，每级循环研磨系统设有研磨机和缓冲储料桶，研磨机的缸体采用陶瓷缸体制成。

所述蒸发系统由多台蒸发器串联而成。

所述蒸发器设有余热管，余热管与半成品浆料预热搅拌储槽和/或真空冷冻干燥机连接。

所述真空冷冻干燥机设有真空升华腔室，该腔室连接真空泵，干燥器的外壳由冷冻管、保温层、加热管壳体组成，冷冻管连接制冷机。

现有的单台湿法循环纳米粉体材料研磨机将精矿砂从粒度几毫米研磨至几十至几百纳米，粉碎比高达几千乃至几万倍，研磨介质粒径由25mm-0.02mm相差几千倍，中间分几个级别更换研磨介质（一般高纯度物质的研磨选用高强度耐磨钇稳定氧化锆珠），按粒度尺寸分为若干级别，如本发明申请专利前所做实验，研磨高纯度精矿砂（硬度4.1，进料粒径2-6mm，分为四级分段研磨，如2.0mm,0.8 mm,0.4 mm,0.2 mm,0.05 mm），从大到小，每级研磨35-50分钟左右后，需更换研磨介质，每次更换下一级磨介时费时达一个小时，从开始到最后一级，每批产品需时间长达9个多小时。为克服单台设备更换研磨介质时间长的缺陷，本发明设计并提供了一个按研磨介质粒径大小分装的多级循环研磨系统，组成一种可连续研磨的流态化床湿法研磨系统。当第一批料研磨完成达到设定粒度后，将浆料输出送到第二级，再加工下一批料，一级一级下去，依次类推批量生产时，每批产品仅需80-100分钟左右，比原来单循环磨效率提高了3至4倍。

由于本工艺每一级研磨介质粒子半径大致相等，而级与级之间从大到小呈梯度线性分布，在高速搅拌下破碎矿砂所传递的能量大致相等，可达到破碎均匀且粒径分布窄的效果，本发明为实现纳米粉体材料连续研磨的在线监测，用软件程序控制生产，自动化连续作业提供了方便，劳动力因而减少了30-40%，研磨在线监测过程中使用的是激光粒度测试仪。

本发明所得的产品采用超低温、高真空升华干燥系统进行干燥，由于采用的原料均为不溶于水的物质，通过将水结冰后，从固体在真空（即负压）状态下，直接变成气态分子，通过真空机不断在冰的表面形成负压的能量，将冰升华除掉。使用这种干燥方法，蒸发的水分子做布朗运动，这对除去非金属矿粉固体表面的水分子非常彻底；而且这种升华干燥对纳米粉料没有挤压作用，且水分去除的比较完全，物料粉体相当的蓬松，因而它无需使用分散剂，产品质量可以大大提高；一般湿粉干燥用其它方法、产品要增加4%左右的分散剂杂质，对产品在高科技行业应用受到限制。如本方法生产的产品，在计算机蕊片涂层材料的应用上，将提高计算机电子元器件的品质，提升计算机运行速度，对计算机元器件的科技创新有着重大意义，可见本发明提供的方法及装置能够给纳米粉体材料领域带来跨越式的进步及快速的发展。

本发明有效地利用了湿法纳米生产中容易磨细的优点，解决了干燥后，不加分散剂不结团的技术问题；降低了在干法生产中需设备中增设分级部件而提高投资成本，增加维修成本等缺点；克服了干法生产中设备研磨产生高温，设备能耗和零部件损耗都较大的固有缺点。

采用本发明生产的纳米干粉产品质量可以达到世界顶尖的级别，特别是采用本发明提供的方法及装置生产得到的高纯重晶石超细纳米干粉，BaSO₄≥98%，粒度D90 30-100nm。

本发明所选用的设备及工艺方法，本领域技术人员都可操作，简单实用；且由于本发明流态化的生产线，各段工序明确清晰，可实现数字化和程序化设计，为生产工艺的全程自动控制提供了优良平台，生产过程完全可以实现数字化、程序化和自动化。

本发明提供的方法及装置在生产过程无废水、废气排放，可做到环境零污染，噪声可控制在55db以下，有效地保护了环境。

本发明主要用于生产高纯度超细纳米产品，也可根据不同原料来源，生产从微米级到纳米级的D97 为900nm、D95为500nm或D90 为100nm的多种产品。因为在原料基础上经手选或重力等物理选矿，不影响其它一般性产品的生产，有利于资源的合理利用，生产效率的大幅提高，实现可持续发展。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

    图1为本发明所述装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例来进一步说明本发明，但实施例仅在于说明本发明，而不是对其进行限制。

如图1所示，一种不用分散剂、湿转干法生产超细纳米干粉的装置，包括依次连接的搅拌配料桶1、研磨系统2、半成品浆料预热搅拌储槽3、蒸发系统4及真空冷冻干燥机5；另外，在搅拌配料桶1与研磨系统2之间及研磨系统2内部的管道中安装有高压脉冲发生器，用于管路中发生堵塞时能够及时疏通。

所述的研磨系统2由多级循环研磨系统串联而成，每级循环研磨系统设有研磨机21和缓冲储料桶22，研磨机21的缸体采用陶瓷缸体制成，这种设备和部件在研磨中不会将一些金属或非金属杂质带到产品中。

所得的干粉的粒度参数通过多级循环研磨系统进行控制：单级循环研磨粒度可达D97在900nm，两级循环研磨粒度可达D95在500nm ，三级循环研磨粒度可达D95在100nm或300nm，四级循环研磨粒度可达D90在10-100nm。如一般生产D97 900nm-1200nm，而进料在200-400目的情况下，采用一级循环研磨系统，研磨介质直径梯度为1.0mm；如果产品粒度和分布D97 100-500nm则要三级循环研磨系统，研磨介质直径梯度为0.8mm，0.4mm，0.1 mm即可；如果产品料度在D97 30nm -100nm及以下则需4级循环研磨系统组成，所用的研磨介质粒径分布为0.8mm，0.4mm，0.2mm，0.05mm四级。

研磨时，每一级循环研磨系统均可设置目标粒度，只有当研磨浆料中物质的粒度达到所设粒度之后，浆料进入后一级循环研磨系统中继续研磨。

所述蒸发系统4由多台蒸发器41串联而成。如图1中共设有3台蒸发器，即最多可进行3效蒸发，生产中根据物料的实际浓度和所需达到的浓度来确定蒸发次数。

所述蒸发器41设有余热管，余热管与半成品浆料预热搅拌储槽3和/或真空冷冻干燥机5连接。

所述真空冷冻干燥机5设有真空升华腔室，该腔室连接真空泵，干燥器的外壳由冷冻管、保温层、加热管壳体组成，外接制冷机。

一种不用分散剂、湿转干法生产超细纳米干粉的方法

实施例1：

包括以下步骤：

1）配料：将重晶石矿砂与水混合均匀，其中固体重量占总重的30%-40%；所用重晶石矿石的BaSO₄≥98%，粒度80-100目；

2）研磨：将步骤1）所得的物料通过四级循环研磨系统研磨至D90在100nm，研磨过程中采用的研磨介质为钇稳定氧化锆珠，然后进行加热浓缩至物料的固体含量≥60%；

3）将步骤2）所得物料通过超低温真空升华干燥得粒度D90-100nm的超细纳米干粉，最后进行包装。

实施例2：

一种不用分散剂、湿转干法生产超细纳米干粉的方法, 包括以下步骤：

1）配料：将石英石矿砂与水混合均匀，其中固体重量占总重的30%-40%；所用石英石矿SiO₂≥99.99%，粒度80-100目。

2）研磨：将步骤1）所得的物料通过三级循环研磨系统研磨至D90 在100-300nm，研磨过程中采用的研磨介质为钇稳定氧化锆珠，然后进行加热浓缩至物料的固体含量≥60%；

3）将步骤2）所得物料通过超低温真空干燥得粒度D90 100-300nm的超细纳米干粉，最后进行包装。

实施例3：

一种不用分散剂、湿转干法生产超细纳米干粉的方法, 包括以下步骤：

1）配料：将石英石矿砂与水混合均匀，其中固体重量占总重的35%；所用石英石矿SiO₂≥99.99%，粒度80-100目。

2）研磨：将步骤1）所得的物料通过四级循环研磨系统研磨至D90 在100nm，研磨过程中采用的研磨介质为钇稳定氧化锆珠，然后进行加热浓缩至物料的固体含量≥60%；

3）将步骤2）所得物料通过超低温真空干燥得粒度D90 30-100nm的超细纳米干粉，最后进行包装。

另外，本发明提供的方法及装置不仅仅适合于重晶石或者石英石，其他不溶于水的无机材料或矿物材料均可采用发明制备成纳米材料，并且根据需要通过多级研磨制成不同粒度的干粉，可制备D90 900-10nm的材料。

Claims (7)

1.一种不用分散剂、湿转干法生产超细纳米干粉的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）配料：将矿砂与水混合均匀，其中固体含量为30wt%-40wt%，所述矿砂为重晶石或石英石；

2）研磨：将步骤1）所得的物料通过研磨系统研磨至D90在10～900nm，然后进行加热浓缩至物料的固体含量≥60%，所述的D90在10～900 nm表示粒度分别为10～900nm之间的任意单个粒度之下的颗粒占到总颗粒的90%，所述的研磨系统由多级循环研磨系统串联而成，每级循环研磨系统设有研磨机和缓冲储料桶；

3）将步骤2）所得物料通过超低温真空干燥，控制含水率＜0.2wt%，得超细纳米干粉。

2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于：采用重晶石矿石时，BaSO₄≥98%，粒度80-100目；采用石英石矿石时，SiO₂≥99.99%，粒度80-100目。

3.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于：步骤2）研磨过程研磨至D97 为900nm、D95为500nm或D90 为100nm；研磨过程中采用的研磨介质为钇稳定氧化锆珠。

4.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于：所述的加热浓缩步骤先通过预热物料，然后经蒸发器除去物料中的部分水分。

5.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于：步骤3）所述超低温真空干燥是先将物料冷冻至-68℃以下，然后抽真空至真空度为0.096MPa-0.098MPa，保持该真空度，再对物料进行加热到干燥完毕。

6.采用权利要求1-5任意一项所述的方法生产超细纳米干粉的装置，其特征在于：包括依次连接的搅拌配料桶（1）、研磨系统（2）、半成品浆料预热搅拌储槽（3）、蒸发系统（4）及真空冷冻干燥机（5）；所述的研磨系统（2）由多级循环研磨系统串联而成，每级循环研磨系统设有研磨机（21）和缓冲储料桶（22），研磨机（21）的缸体采用陶瓷缸体制成；所述蒸发系统（4）由多台蒸发器（41）串联而成。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述蒸发器（41）设有余热管，余热管与半成品浆料预热搅拌储槽（3）和/或真空冷冻干燥机（5）连接。