CN111686990B - 一种将纳米材料从液态转换成雾态的工艺及超声波设备 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种将纳米材料从液态转换成雾态的工艺及超声波设备，其中工艺包括以下步骤：制备纳米材料的水悬浮液；使用超声波雾化器将纳米材料的水悬浮液喷入雾化箱，形成纳米材料的雾态悬浮液；向雾化箱中通入气流，将雾态悬浮液从雾化箱中吹出；收集雾态的纳米材料。设备包括包括雾化箱以及设置在所述雾化箱上的雾化器，所述雾化箱上还设有一个进气口和一个出气口。本发明将悬浮液状态的纳米材料进行雾化，获得20微米级以下的小液滴组成的雾态材料，雾态纳米材料进行后处理，以获得更小纳米级的固态纳米材料。
Description
技术领域
本发明涉及到纳米材料制备工艺及设备，特别是涉及到一种将纳米材料从液态转换成雾态的工艺及超声波设备。
背景技术
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10-100个原子紧密排列在一起的尺度。
当前的纳米材料制备有以下三种：
(1)惰性气体下蒸发凝聚法；
(2)化学方法：水热法，包括水热沉淀、合成、分解和结晶法，适宜制备纳米氧化物；水解法，包括溶胶-凝胶法、溶剂挥发分解法、乳胶法和蒸发分离法等；
(3)综合方法：结合物理气相法和化学沉积法所形成的制备方法，其他一般还有球磨粉加工、喷射加工等方法。
因为上述的三种方法所生产的纳米材料颗粒的粒径还是不够小，因此需要提出一种新的工艺及配套的设备，用于生产颗粒更小的纳米材料。
发明内容
本发明的主要目的为提供一种将纳米材料从液态转换成雾态，从而生产颗粒更小的纳米材料的工艺，包括以下步骤：
S10，制备纳米材料的水悬浮液；
S20，使用超声波雾化器将纳米材料的水悬浮液喷入雾化箱，形成纳米材料的雾态悬浮液；
S30，向雾化箱中通入气流，将雾态悬浮液从雾化箱中吹出；
S40，收集雾态的纳米材料。
作为本发明的进一步方案：所述步骤S40之后还包括以下步骤：
S50，静置雾化箱一段时间，让凝结在箱壁上的纳米材料水悬浮液流到雾化箱底部；
S60，打开回流阀，收集凝结的纳米材料水悬浮液。
作为本发明的进一步方案：所述步骤S30中使用的气流为惰性气体。
作为本发明的进一步方案：所述惰性气体采用的是氦气。
作为本发明的进一步方案：所述步骤S30中使用的气流为氢氧混合气。
作为本发明的进一步方案：所述氢氧混合气中，氢气与氧气的物质的量比值为2：1。
本发明还提出一种将纳米材料从液态转换成雾态的超声波设备，包括雾化箱以及设置在所述雾化箱上的雾化器，所述雾化箱上还设有一个进气口和一个出气口。
作为本发明的进一步方案：所述雾化箱的底部还设置有凝液回收装置，所述凝液回收装置与所述雾化箱一体设置，所述凝液回收装置用于回收凝结在所述雾化箱内壁上且变回液态的纳米材料。
作为本发明的进一步方案：所述凝液回收装置呈漏斗状，所述凝液回收装置的收集口处设置有回流阀，用于控制凝液回收装置的开合，当回流阀关闭时，所述雾化箱只有所述进气口和所述出气口与外界连通。
作为本发明的进一步方案：所述雾化器包括超声波换能器以及喷头，所述喷头置于所述雾化箱的内部，所述超声波换能器置于所述雾化箱的外部。
本发明的有益效果：本发明将悬浮液状态的纳米材料进行雾化，获得20微米级以下的小液滴组成的雾态材料，雾态纳米材料进行后处理，以获得更小纳米级的固态纳米材料。
附图说明
图1是本发明提供的超声波设备的结构示意图；
图2是本发明提供的超声波设备的剖视图；
图3是本发明提供的超声波雾化器的结构示意图；
图4本发明提供的一种将纳米材料从液态转换成雾态的工艺的流程图。
附图标记：100-雾化箱；110-进气口；120-出气口；200-雾化器；210-超声波换能器；220-喷头；300-凝液收集装置；310-收集口。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种将纳米材料从液态转换成雾态的工艺，具体方案如下：
实施例一
参照图1，包括以下步骤：
S10，制备纳米材料的水悬浮液；将粉末状的纳米银铜合金材料加入到纯水中，利用超声波进行分散，消除纳米材料的软团聚体；
S20，使用超声波雾化器将纳米材料的水悬浮液喷入雾化箱，形成纳米材料的雾态悬浮液；
S30，向雾化箱中通入气流，将雾态悬浮液从雾化箱中吹出；
S40，收集雾态的纳米材料。
本发明是为了获得更小纳米级的纳米材料提供了上述的雾化方法，具体的，我们以银铜合金纳米材料为例进行解释。
使用该方法制备的纳米银铜合金颗粒的粒径为15nm～50nm。
实施例二
如图1所示，包括以下步骤：
S10，制备纳米材料的水悬浮液；
S20，使用超声波雾化器将纳米材料的水悬浮液喷入雾化箱，形成纳米材料的雾态悬浮液；
S30，向雾化箱中通入气流，将雾态悬浮液从雾化箱中吹出；
S40，收集雾态的纳米材料；
S50，静置雾化箱一段时间，让凝结在箱壁上的纳米材料水悬浮液流到雾化箱底部；
S60，打开回流阀，收集凝结的纳米材料水悬浮液。
与实施例一相比，本实施例与之不同的是，本实施例中增加了回收步骤。需要知道的是，纳米银铜合金材料的原料成本以及生产成本都非常高，同时，采用雾化方法会存在液滴凝结以及大颗粒液滴沉降的现象，每雾化1个单位的纳米材料的水悬浮液，大约有0.05-0.2个单位的雾态悬浮液会凝结或沉降，这个数值还会随工作环境的温度以及材料的不同发生改变，而这些凝结或沉降重新变成水悬浮液的纳米材料本身并没有受到影响，具备再次进行雾化能力，因此，回收这一工序显得尤为必要。
在本实施例中，直接在雾化箱底部设置一个回流阀，可以理解为一个普通的阀门，在进行雾化工作的过程中，回流阀保持关闭状态，防止外界环境的杂质污染纳米材料，待雾化工作结束之后，静置一段时间，打开回流阀，对纳米材料的水悬浮液进行收集。
实施例三
如图1所示，包括以下步骤：
S10，制备纳米材料的水悬浮液；
S20，使用超声波雾化器将纳米材料的水悬浮液喷入雾化箱，形成纳米材料的雾态悬浮液；
S30，向雾化箱中通入惰性气体，将雾态悬浮液从雾化箱中吹出；
S40，收集雾态的纳米材料。
具体的，步骤S30中使用的气流为惰性气体，包括氦气、氖气、氩气、氪气和氙气，因为有些材料存在容易氧化的问题，假设直接通入空气，纳米材料接触氧气后发生氧化，导致材料报废。考虑到使用成本，在本实施例中，前述的惰性气体最好采用的是氦气。
实施例四
如图1所示，包括以下步骤：
S10，制备纳米材料的水悬浮液；
S20，使用超声波雾化器将纳米材料的水悬浮液喷入雾化箱，形成纳米材料的雾态悬浮液；
S30，向雾化箱中通入氢氧混合气，将雾态悬浮液从雾化箱中吹出；
S40，收集雾态的纳米材料。
具体的，所述氢氧混合气中，氢气与氧气的物质的量比值为2：1。
在本实施例中，通入雾化箱的是氢氧混合气，其目的是为了下一步对雾态纳米材料的处理，通过点燃氢氧混合气，能够迅速将雾态的纳米材料中的水分迅速蒸发干净，以获得固态的纳米材料，并且，氢气与氧气燃烧不会产生其余杂质，所以不会对纳米材料产生污染，保证纳米材料的纯净度。
综上所述，本发明将悬浮液状态的纳米材料进行雾化，获得20微米级以下的小液滴组成的雾态材料，雾态纳米材料进行后处理，以获得更小纳米级的固态纳米材料。
本发明还提供了一种将纳米材料从液态转换成雾态的超声波设备，如图2-图4所示，包括雾化箱100以及设置在所述雾化箱100上的雾化器200，所述雾化箱100上还设有一个进气口110和一个出气口120。
更进一步地，所述雾化箱100的底部还设置有凝液回收装置300，所述凝液回收装置300与所述雾化箱100一体设置，所述凝液回收装置300用于回收凝结在所述雾化箱100内壁上且变回液态的纳米材料。
更进一步地，所述凝液回收装置300呈漏斗状，所述凝液回收装置300的收集口310处设置有回流阀，用于控制凝液回收装置300的开合，当回流阀关闭时，所述雾化箱100只有所述进气口110和所述出气口120与外界连通。漏斗状的凝液回收装置300更利于回收，并且设置在其底部的收集口310不会造成材料的浪费。
更进一步地，所述雾化器200包括超声波换能器210以及喷头220，所述喷头220置于所述雾化箱100的内部，所述超声波换能器210置于所述雾化箱100的外部。
在本方案中，通过超声波雾化器200将纳米材料的水悬浮液喷入雾化箱100中，再由惰性气体或者氢氧混合气将雾状的纳米材料吹出，在进行收集或者后处理，以获得更小颗粒的纳米材料，在雾化过程结束之后，通过收集口310还可以回收凝结或者沉降而重新变回液态的纳米材料，减少材料的浪费。
本发明的原理：采用高频率的超声波雾化器，利用超声空化原理，断开分子基团中的弱键，比如水基团、纳米材料团聚体内部的弱键，从而形成更小的颗粒。当超声波能量足够高时，就会产生“超声空化”现象，即指存在于液体中的微小气泡(空化核)在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合的过程。空化气泡的寿命约0.1μs，它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生速度约为110m/s、有强大冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5kg/cm2。空化气泡在急剧崩溃的瞬间产生局部高温高压，冷却速度可达109K/s。超声波这种空化作用大大提高非均相反应速率，实现非均相反应物间的均匀混合，加速反应物和产物的扩散，促进固体新相的形成，控制颗粒的尺寸和分布。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种将纳米材料从液态转换成雾态的工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S10，制备纳米材料的水悬浮液；
S20，使用超声波雾化器将纳米材料的水悬浮液喷入雾化箱，形成纳米材料的雾态悬浮液；
S30，向雾化箱中通入气流，将雾态悬浮液从雾化箱中吹出；
S40，收集雾态的纳米材料；
S50，静置雾化箱一段时间，让凝结在箱壁上的纳米材料水悬浮液流到雾化箱底部；
S60，打开回流阀，收集凝结的纳米材料水悬浮液，将收集的纳米材料水悬浮液再次进行雾化。
2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤S30中使用的气流为惰性气体。
3.如权利要求2所述的工艺，其特征在于：所述惰性气体采用的是氦气。
4.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤S30中使用的气流为氢氧混合气。
5.如权利要求4所述的工艺，其特征在于：所述氢氧混合气中，氢气与氧气的物质的量比值为2：1。
6.一种将纳米材料从液态转换成雾态的超声波设备，其特征在于：包括雾化箱(100)以及设置在所述雾化箱(100)上的雾化器(200)，所述雾化箱(100)上还设有一个进气口(110)和一个出气口(120)，所述雾化箱(100)的底部还设置有凝液回收装置(300)，所述凝液回收装置(300)与所述雾化箱(100)一体设置，所述凝液回收装置(300)用于回收凝结在所述雾化箱(100)内壁上且变回液态的纳米材料。
7.如权利要求6所述的超声波设备，其特征在于：所述凝液回收装置(300)呈漏斗状，所述凝液回收装置(300)的收集口(310)处设置有回流阀，用于控制凝液回收装置(300)的开合，当回流阀关闭时，所述雾化箱(100)只有所述进气口(110)和所述出气口(120)与外界连通。
8.如权利要求7所述的超声波设备，其特征在于：所述雾化器(200)包括超声波换能器(210)以及喷头(220)，所述喷头(220)置于所述雾化箱(100)的内部，所述超声波换能器(210)置于所述雾化箱(100)的外部。
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