CN107164801B - 纳米材料制备装置及纳米材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纳米材料制备装置及纳米材料制备方法，该装置包括依次设置的原料配比混合模块、压片模块、激光烧结模块、激光消融模块和纳米材料收集模块，其中，所述原料配比混合模块包括原料输送单元和混合搅拌单元；所述压片模块包括原料称量单元和机械压制单元；所述激光烧结模块包括红外传感定时单元和激光烧结单元。该方法包括：将原料进行研磨和压片后，通过激光烧结模块进行烧结处理，得到烧结晶体；将所述烧结晶体通过激光消融模块进行消融处理，得到纳米颗粒溶胶。本发明基于研究绿色、简单纳米材料的合成工艺的思路，装置简单，容易加工获取，且能够高效率合成和生产纳米材料，整个生产过程原料利用率高，无废料产生，安全无污染。

Description

纳米材料制备装置及纳米材料制备方法

技术领域

本发明涉及上转换荧光纳米材料的制备领域，尤其涉及一种上转换荧光纳米材料的制备装置。

背景技术

近年来，上转换荧光纳米材料以其特殊的性能和广泛的用途成为研究的焦点，在固体激光、太阳能电池、光动力治疗，特别是作为生物标记探针，荧光防伪方面有很大的潜在应用价值。与传统的有机染料和半导体量子点相比，上转换荧光纳米材料作为生物标记的纳米探针有许多优点，如窄带发射，高的信噪比，抗光漂白，低毒性。过去十几年中，科学工作者们对上转换荧光纳米材料的尺寸、相纯、化学成分以及性质的操控进行了大量研究。

目前纳米材料的制备，在没有取得新的技术突破之前，主要采用化学方法生产。化学方法制备纳米材料的规律不可回避的要使用酸、碱、盐等物质，而且反应条件苛刻，会造成一定程度的环境污染，而且产物容易团聚。其过程如共沉淀法，制得的纳米颗粒须通过高温锻烧来提高发光效率，而锻烧步骤容易导致纳米颗粒的团聚，使颗粒的粒径增大；其过程如水/溶剂热法，虽然反应条件温和、反应活性高、合成的颗粒结晶度高，但是，实验过程中需要较高反应温度和较长反应时间，而且化学试剂残渣不能重复使用，污染环境，而在此条件下，很容易导致纳米颗粒的各向异性生长形成纳米棒或者纳米线，使纳米颗粒的粒径增大。

中国发明专利(201510357795.6：一种上转换荧光材料及其制备方法)公开了一种上转换纳米材料的制备方法，其特征在于，将含有稀土元素的化合物与含有碲元素的化合物混合研磨，得到混合物，然后进行煅烧，得到上转换荧光材料。在进行混合物煅烧之前，先将所述混合物进行预烧结。其中所述预烧结的温度为300～850℃，所述预烧结的时间为1～10h，所述预烧结的次数为1～3次；所述煅烧的温度为750～1050℃，所述煅烧的时间为1～20h。

上述发明公开的纳米材料的制备设备加工成本高，反应条件苛刻，生产效率低，制备的纳米材料种类有限。

发明内容

本发明涉及上转换荧光纳米材料的制备领域，尤其涉及一种上转换荧光纳米材料的制备装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种纳米材料制备装置，包括依次设置的原料配比混合模块、压片模块、激光烧结模块、激光消融模块和纳米材料收集模块，其中，所述原料配比混合模块包括原料输送单元和混合搅拌单元；所述压片模块包括原料称量单元和机械压制单元；所述激光烧结模块包括红外传感定时单元和激光烧结单元。

作为优选方案，所述激光消融模块包括脉冲激光器、振镜、透镜、支架、高度调节杆、光纤、电脑和控制线，所述高度调节杆设置于支架的表面，所述激光器和电脑设置于支架内，所述振镜和透镜设置于高度调节杆上，所述透镜设置于振镜的底部，所述光纤连接在脉冲激光器和振镜之间光路连接，所述控制线在电脑和振镜之间电连接。

作为优选方案，所述激光烧结模块包括激光烧结单元、红外传感定时单元和支架，所述激光烧结单元包括连续激光器、高度调节杆、透镜组、耐高温容器，所述高度调节杆设置于支架的表面，所述透镜组设置于高度调节杆端面，所述耐高温容器设置于透镜组底部，所述连续激光器设置于支架内，且连续激光器与透镜组通过光纤相连接，所述红外传感定时单元包括红外测温仪，所述红外测温仪与连续激光器电连接。

作为优选方案，所述原料配比混合模块包括置粉容器、搅拌机、送粉导管、送粉喷嘴，支架，所述置粉容器设置于支架的表面，所述搅拌机设置于置粉容器的内部，所述送粉导管设置于置粉容器的侧边，且靠近置粉容器底部，所述送粉喷嘴设置于送粉导管外端。

作为优选方案，所述压片模块包括分析天平和机械压片机，粉末经过分析天平称量后，通过机械压片机压制成片型。

作为优选方案，所述脉冲激光器选自纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器中的一种或者两种及两种以上的组合。

一种基于前述纳米材料制备装置的纳米材料制备方法，其包括如下步骤：

将原料进行研磨和压片后，通过激光烧结模块进行烧结处理，得到烧结晶体；

将所述烧结晶体通过激光消融模块进行消融处理，得到纳米颗粒溶胶。

作为优选方案，所述烧结处理的步骤具体包括如下操作：

将压片放置于耐高温陶瓷容器中，并将输出激光光斑覆盖整个压片表面；

调整激光器输出功率，压片表面会从中心处出现一个圆形光斑，并以环形从中心向外扩散直至压片边缘；

监测压片表面温度，达到设定温度之后，停止激光照射。

作为优选方案，所述消融处理的步骤具体包括如下操作：

将烧结晶体置于烧杯中，加入液体溶剂和表面活性剂，使所述液体溶剂的液面略盖过烧结晶体表面；

脉冲激光从脉冲激光器中出射后，通过反射镜反射入振镜系统中，再通过聚焦透镜聚焦到放置于烧杯中的压片表面，将烧杯中的烧结晶体消融成纳米颗粒溶胶。

本方法普适性强，不但能合成上转换荧光材料，还能合成实用半导体材料、钙钛矿等材料。将粉末混合激光烧结诱导化学反应，实现将难融，反应条件苛刻的化学合成反应简易化。整个过程，无外加材料污染，是干净的反应和制作方法；整套实验装置，设备简单，加工成本低，操作安全有效。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明基于研究绿色、简单纳米材料的合成工艺的思路，装置简单，容易加工获取，且能够高效率合成和生产纳米材料，整个生产过程原料利用率高，无废料产生，安全无污染。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明制备纳米材料装置激光消融模块简图；

图2为本发明制备纳米材料装置激光烧结模块简图；

图3为本发明制备纳米材料装置原料配比混合模块简图；

图中：1、支架；2、高度调节杆；3、光纤；4、控制线；5、脉冲激光器；6、电脑；7、振镜；8、透镜；9、连续激光器；10、透镜组；11、耐高温容器；12、搅拌机；13、置粉容器；14、送粉导管；15、送粉喷嘴。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的一种纳米材料制备装置，包括依次设置的原料配比混合模块、压片模块、激光烧结模块、激光消融模块和纳米材料收集模块，其中，所述原料配比混合模块包括原料输送单元和混合搅拌单元；所述压片模块包括原料称量单元和机械压制单元；所述激光烧结模块包括红外传感定时单元和激光烧结单元。

如图1所示，激光消融模块包括脉冲激光器5、振镜7、透镜8、支架1、高度调节杆2、光纤3、电脑6和控制线4，高度调节杆2设置于支架1的表面，脉冲激光器5和电脑6设置于支架1内，振镜7和透镜8设置于高度调节杆2上，透镜8设置于振镜7的底部，光纤3连接在脉冲激光器5和振镜7之间光路连接，控制线4在电脑6和振镜7之间电连接。

如图2所示，激光烧结模块包括激光烧结单元、红外传感定时单元和支架1，所述激光烧结单元包括连续激光器9、高度调节杆2、透镜组10、耐高温容器11，高度调节杆2设置于支架1的表面，透镜组10设置于高度调节杆2端面，耐高温容器11设置于透镜组10底部，连续激光器9设置于支架1内，且连续激光器9与透镜组10通过光纤3相连接，红外传感定时单元包括红外测温仪，所述红外测温仪(图中未示)与连续激光器电连接。

作为优选方案，原料配比混合模块包括置粉容器13、搅拌机12、送粉导管14、送粉喷嘴15，支架，置粉容器13设置于支架的表面，搅拌机12设置于置粉容器13的内部，送粉导管14设置于置粉容器13的侧边，且靠近置粉容器13底部，送粉喷嘴15设置于送粉导管14外端。

作为优选方案，所述压片模块包括分析天平和机械压片机，粉末经过分析天平称量后，通过机械压片机压制成片型。

作为优选方案，所述脉冲激光器选自纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器中的一种或者两种及两种以上的组合。

一种基于前述纳米材料制备装置的纳米材料制备方法，其包括如下步骤：

将原料进行研磨和压片后，通过激光烧结模块进行烧结处理，得到烧结晶体；

将所述烧结晶体通过激光消融模块进行消融处理，得到纳米颗粒溶胶。

作为优选方案，所述烧结处理的步骤具体包括如下操作：

将压片放置于耐高温陶瓷容器中，并将输出激光光斑覆盖整个压片表面；

调整激光器输出功率，压片表面会从中心处出现一个圆形光斑，并以环形从中心向外扩散直至压片边缘；

监测压片表面温度，达到设定温度之后，停止激光照射。

作为优选方案，所述消融处理的步骤具体包括如下操作：

将烧结晶体置于烧杯中，加入液体溶剂和表面活性剂，使所述液体溶剂的液面略盖过烧结晶体表面；

脉冲激光从脉冲激光器中出射后，通过反射镜反射入振镜系统中，再通过聚焦透镜聚焦到放置于烧杯中的压片表面，将烧杯中的烧结晶体消融成纳米颗粒溶胶。

实施例1

以四氟化钆钠(化学式为NaGdF₄)为基质的上转换荧光纳米材料的制备。

按照摩尔比氟化钠：氟化钆：氧化铒：氧化镱为1：1：0.01：0.1称取该四种化合物粉末共5克，其中氟化钠为0.7012g，氟化钆为3.5771g，氧化铒为0.0639g，氧化镱为0.6578g。将混合粉末放置于置粉容器中充分搅拌研磨，使得各化合物粉末混合均匀，通过送粉导管及送粉喷嘴输送粉末然后称量出2g混合粉末，用18mm直径的钢制模具压片处理，压力为6MPa，持续时间为6s。结束后即可得到成型的，拥有一定密度的压片，其中直径为18mm，厚度为1mm。

将得到的压片放置在耐高温容器中。激光器为连续光固体激光器，波长为980nm，输出功率调至28W，激光照射在压片表面，其中光斑大小与压片大小一致。烧结持续25s，红外测温仪监测压片表面温度，当温度达到设定值(1200℃)时，关闭激光器，此时压片呈晶体状。

再将压片进行激光消融处理。将压片置于50mL烧杯底部，加入5mL超纯水。皮秒激光器输出激光通过反射镜后，输入振镜系统并聚焦在压片表面上。持续40mins。其中皮秒激光器为光纤激光器，输出波长为1064nm，单脉冲能量为6μJ，重复频率为200KHz，一个周期内单脉冲数量为8。实验结束后，将烧杯内容物通过过滤漏斗，滤除未消融完全的压片和较大颗粒，得到的液体即为上转换荧光纳米颗粒溶胶。

将过滤得到的未消融完全的压片和较大颗粒烘干，再次研磨成粉末。该粉末成分没有发生改变，仍然可以再次利用，重复上述试验。

本发明中，原料可以重复循环利用，不会产生浪费，所以说原料利用率高。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种纳米材料制备装置，包括依次设置的原料配比混合模块、压片模块、激光烧结模块、激光消融模块和纳米材料收集模块，其特征在于，所述原料配比混合模块包括原料输送单元和混合搅拌单元；所述压片模块包括原料称量单元和机械压制单元；所述激光烧结模块包括红外传感定时单元和激光烧结单元；

所述激光消融模块包括脉冲激光器、振镜、透镜、支架、高度调节杆、光纤、电脑和控制线，所述高度调节杆设置于支架的表面，所述激光器和电脑设置于支架内，所述振镜和透镜设置于高度调节杆上，所述透镜设置于振镜的底部，所述光纤连接在脉冲激光器和振镜之间光路连接，所述控制线在电脑和振镜之间电连接；

所述激光烧结模块包括激光烧结单元、红外传感定时单元和支架，所述激光烧结单元包括连续激光器、高度调节杆、透镜组、耐高温容器，所述高度调节杆设置于支架的表面，所述透镜组设置于高度调节杆端面，所述耐高温容器设置于透镜组底部，所述连续激光器设置于支架内，且连续激光器与透镜组通过光纤相连接，所述红外传感定时单元包括红外测温仪，所述红外测温仪与连续激光器电连接；

所述原料配比混合模块包括置粉容器、搅拌机、送粉导管、送粉喷嘴，支架，所述置粉容器设置于支架的表面，所述搅拌机设置于置粉容器的内部，所述送粉导管设置于置粉容器的侧边，且靠近置粉容器底部，所述送粉喷嘴设置于送粉导管外端；

所述压片模块包括分析天平和机械压片机，粉末经过分析天平称量后，通过机械压片机压制成片型；

所述脉冲激光器选自纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器中的一种或者两种及两种以上的组合。

2.一种基于权利要求1所述纳米材料制备装置的纳米材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将原料进行研磨和压片后，通过激光烧结模块进行烧结处理，得到烧结晶体；

将所述烧结晶体通过激光消融模块进行消融处理，得到纳米颗粒溶胶；

所述烧结处理的步骤具体包括如下操作：

将压片放置于耐高温陶瓷容器中，并将输出激光光斑覆盖整个压片表面；

调整激光器输出功率，压片表面会从中心处出现一个圆形光斑，并以环形从中心向外扩散直至压片边缘；

监测压片表面温度，达到设定温度之后，停止激光照射；

所述消融处理的步骤具体包括如下操作：

将烧结晶体置于烧杯中，加入液体溶剂和表面活性剂，使所述液体溶剂的液面略盖过烧结晶体表面；

脉冲激光从脉冲激光器中出射后，通过反射镜反射入振镜系统中，再通过聚焦透镜聚焦到放置于烧杯中的压片表面，将烧杯中的烧结晶体消融成纳米颗粒溶胶。