CN112547001A - 一种用于气相合成纳米材料的供料系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米材料生产领域，并具体公开了一种用于气相合成纳米材料的供料系统。该系统包括两组以上的前驱体供料装置，各个前驱体供料装置的结构相同，均包括载气单元、前驱体单元和混合单元，其中：前驱体单元伸入混合单元，用于向混合单元提供液态前驱体；载气单元的末端通过鼓泡喷头伸入混合单元，用于向混合单元提供载气；混合单元通过加热液态前驱体以生成前驱体蒸气，并在载气的携带下送入前驱体反应器。本发明通过控制每组供料装置的载气流量和加热温度调节每种前驱体的浓度和流量，以满足气相合成纳米材料制备的要求，实现前驱体原料供应浓度、流量以及混合比例的精确可调。

Description

一种用于气相合成纳米材料的供料系统

技术领域

本发明属于纳米材料生产领域，更具体地，涉及一种用于气相合成纳米材料的供料系统。

背景技术

气相合成技术是一种大规模商业化应用的纳米颗粒生产技术，包括火焰法制备气相白炭黑(SiO₂)、氯化法制备钛白粉(TiO₂)等，其优点是能够自动化连续生产，而且没有废水、废渣的排放。气相合成的基本过程是可挥发性前驱体原料(如SiCl₄、TiCl₄)经过加热气化，注入到高温反应器内进行快速的氧化、水解等反应形成初始单体，再经历成核、碰撞、凝并、烧结等颗粒动力学过程以及晶相转变生成最终的颗粒产物。

气相合成能够一步合成颗粒尺寸从几纳米到几百纳米范围的均匀超细颗粒，其中很重要的一个工艺参数是前驱体蒸气的浓度和流量，这决定着颗粒产品的粒径和产率；此外对于两种及以上成分的复合纳米材料，还需要控制每种前驱体蒸气的混合比例，因此，如何实现前驱体原料供应浓度、流量以及混合比例的精确可调，是现有技术亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于气相合成纳米材料的供料系统，其中该系统包括两组以上的前驱体供料装置，通过控制每组供料装置的载气流量和加热温度调节每种前驱体的浓度和流量，以满足气相合成纳米材料制备的要求，实现前驱体原料供应浓度、流量以及混合比例的精确可调。

为实现上述目的，本发明提出了一种用于气相合成纳米材料的供料系统，该系统包括两组以上的前驱体供料装置，各个所述前驱体供料装置的结构相同，均包括载气单元、前驱体单元和混合单元，其中：所述前驱体单元伸入所述混合单元，用于向所述混合单元提供液态前驱体；所述载气单元的末端通过鼓泡喷头伸入所述混合单元，用于向所述混合单元提供载气；所述混合单元通过加热所述液态前驱体以生成前驱体蒸气，并在所述载气的携带下送入前驱体反应器；工作时通过控制每组前驱体供料装置的载气流量和加热温度调节每种前驱体的浓度和流量，以满足气相合成纳米材料制备的要求。

作为进一步优选地，所述载气单元包括依次连接的载气源、气阀和气体流量控制器，其中所述载气源用于提供载气，所述气阀用于控制所述载气的通断，所述气体流量控制器用于对所述载气的流量进行计量和控制。

作为进一步优选地，所述载气单元还包括颗粒过滤器，所述颗粒过滤器设置在所述鼓泡喷头的前方，用于对所述载气进行颗粒脱除净化。

作为进一步优选地，所述载气单元还包括干燥器，所述干燥器设置在所述鼓泡喷头的前方，用于对所述载气进行脱水干燥。

作为进一步优选地，所述载气为压缩空气、氮气或氩气。

作为进一步优选地，所述前驱体单元包括前驱体储罐和前驱体配量泵，所述前驱体储罐用于储存和供应所述液态前驱体；所述前驱体配量泵一端与所述前驱体储罐连接，其另一端伸入所述混合单元，用于将所述液态前驱体输送到所述混合单元。

作为进一步优选地，所述混合单元包括前驱体加热器和伴热管道，所述前驱体加热器用于加热所述液态前驱体，以生成所述前驱体蒸气，所述伴热管道用于将载气携带的前驱体蒸气加热到欠饱和状态。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明提供了一种用于气相合成纳米材料的供料系统，该系统包括两组以上的前驱体供料装置，每组供料装置均设置有前驱体单元、载气单元和混合单元，通过控制每组供料装置的载气流量和加热温度调节每种前驱体的浓度和流量，以满足气相合成纳米材料制备的要求，实现前驱体原料供应浓度、流量以及混合比例的精确可调；

2.尤其是，本发明通过对前驱体单元、载气单元和混合单元的具体结构进行优化，能够进一步提高每组前驱体供料装置的工作效率和工作精度。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例构建的前驱体供料装置的结构示意图；

图2是按照本发明优选实施例构建的用于气相合成纳米材料的供料系统的结构示意图；

图3是本发明优选实施例中前驱体四氯化钛的饱和蒸气压与温度的关系；

图4是本发明优选实施例中前驱体四氯化硅的饱和蒸气压与温度的关系；

图5是本发明优选实施例中前驱体二甲基氯化铝的饱和蒸气压与温度的关系。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-载气源，2-气阀，3-气体流量控制器，4-颗粒过滤器，5-干燥器，6-前驱体储罐，7-前驱体配量泵，8-前驱体加热器，9-鼓泡喷头，10-伴热管道，11-前驱体反应器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、2所示，本发明实施例提供了一种用于气相合成纳米材料的供料系统，该系统包括两组以上的前驱体供料装置，各个前驱体供料装置的结构相同，均包括载气单元、前驱体单元和混合单元，其中：

前驱体单元伸入混合单元，用于向混合单元提供液态前驱体，该前驱体单元包括前驱体储罐6和前驱体配量泵7，前驱体储罐6用于储存和供应液态前驱体；前驱体配量泵7一端与前驱体储罐6连接，其另一端伸入混合单元，用于将液态前驱体输送到混合单元；

载气单元的末端通过鼓泡喷头伸入混合单元，用于向混合单元提供载气，该载气单元包括依次连接的载气源1、气阀2和气体流量控制器3，其中载气源1用于提供载气，气阀2用于控制载气的通断，气体流量控制器3用于对载气的流量进行计量和控制；鼓泡喷头保持在液面以下且不触底，将载气通入到液态前驱体内并均匀分散，形成稳定、细密的气泡流，使载气携带的前驱体蒸气达到饱和；

混合单元通过加热液态前驱体以生成前驱体蒸气，并在载气的携带下送入前驱体反应器，该混合单元包括前驱体加热器8和伴热管道10，前驱体加热器8具有温度、压力调控功能，用于加热液态前驱体至固定温度(在前驱体沸点以下)，以生成前驱体蒸气，伴热管道10具有温度调控功能，用于将载气携带的前驱体蒸气加热到欠饱和(过热)状态，放置前驱体蒸气冷凝，并输送到气象纳米材料合成的反应装置(包括火焰反应器、热壁加热器等)；

工作时，各组前驱体供料装置并联，每组前驱体供料装置供应一种前驱体蒸气，通过控制每组前驱体供料装置的载气流量和加热温度调节每种前驱体的浓度和流量，以满足气相合成纳米材料制备的要求，从而有效调节纳米材料的颗粒粒径、颗粒产率或组分比例。

进一步，载气单元还包括颗粒过滤器4和干燥器5，颗粒过滤器4和干燥器设置在鼓泡喷头9和气体流量控制器3之间，并且前后顺序可以互换，颗粒过滤器4用于对载气进行颗粒脱除净化，干燥器5用于对载气进行脱水干燥。并且载气为压缩空气、氮气或氩气等不与前驱体发生反应的气体。

下面对本发明提供的用于气相合成纳米材料的供料系统的使用方式进行具体描述。

首先进行常规的标定和检查程序，包括质量流量控制器的校准标定，钢瓶内气体压力的检查，管路的气密性和通畅性检查，电气控制部件的检查，以及载气干燥器的检查等，在确定所有状态正常的情况下才能够开始操作。

量取80～100ml的四氯化钛液体(熔点249.95K，沸点409.05K)，倒入容量为250ml的原料容器圆底烧瓶中，将带有树脂胶塞的玻璃鼓泡喷头插入烧瓶中，使原料液面没过鼓泡喷头9，且鼓泡喷头9不可触底，另一个出口与伴热管道10连接，封好胶塞，将烧瓶放入恒温加热装置中组成前驱体加热器8，用铁架台固定好。为补充四氯化钛液体，可以设置前驱体储罐6和前驱体配量泵7，用于向前驱体加热器8中输送四氯化钛液体。

类似地依次完成四氯化硅液体(熔点204.85K，沸点330.15K)、二甲基氯化铝液体(熔点252K，沸点399K)的装载。

依次打开钢瓶气阀2、气体流量控制器3，以0.20～0.80NL/min的流量调节气体流量控制器3，使载气氮气吹扫整个装置，此时用碱性/有机溶液吸收载气带出的原料气体。

调节加热设备温度，其控制了液态前驱体的气化加热温度，开始加热。同时设定伴热管道10的温度略高于气化加热温度并开始加热。

如上面所说明的那样，可以控制四氯化钛的气化加热温度为338K，伴热管温度为343K，圆底烧瓶内气压保持在1atm，载气氮气流量设置为0.60NL/min。根据其饱和蒸气压P(Pa)与温度T(K)的关系式为(Antoine方程)：

为直观地展示其变化规律，依据上式绘制图3。根据载气流量，加热气化温度和理想气体状态方程，可计算出当前四氯化钛的蒸气流量为3.0×10^-3mol/min。

相应地，根据其它原料的加热气化温度、载气流量和饱和蒸气压与温度关系即可控制其它前驱体蒸气流量，从而实现精准的复合供料。如图4、5所示，当前实施例中四氯化硅和二甲基氯化铝的饱和蒸气压与温度关系式：

控制四氯化硅的气化加热温度为293K，伴热管温度为298K，载气流量可控制为0.20NL/min，此时根据其饱和蒸气压与温度关系可计算知，当前四氯化硅的蒸气流量为3.0×10^-3mol/min。

控制二甲基氯化铝的气化加热温度为343K，伴热管温度为348K，载气流量可控制为0.50NL/min，此时根据其饱和蒸气压与温度关系可计算知，当前二甲基氯化铝的蒸气流量为4.0×10^-3mol/min。

根据以上条件，该装置可以同时提供3.0×10^-3mol/min、3.0×10^-3mol/min、4.0×10^-3mol/min的四氯化钛、四氯化硅和二甲基氯化铝蒸气，进入火焰合成反应器从而生成特定比例含量的复合纳米颗粒。

本实施方式在所有方面是例示性的，而不是限制性的。上述的实施方式可以在不脱离权利要求书及其主旨的情况下以多种方式进行省略、置换、变更。

需要说明的是，在上述的实施方式中，可挥发的液态前驱体原料，不局限于四氯化钛、四氯化硅、二甲基氯化铝，也可以是其它前驱体，例如三乙基三氯化二铝。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于气相合成纳米材料的供料系统，其特征在于，该系统包括两组以上的前驱体供料装置，各个所述前驱体供料装置的结构相同，均包括载气单元、前驱体单元和混合单元，其中：所述前驱体单元伸入所述混合单元，用于向所述混合单元提供液态前驱体；所述载气单元的末端通过鼓泡喷头(9)伸入所述混合单元，用于向所述混合单元提供载气；所述混合单元通过加热所述液态前驱体以生成前驱体蒸气，并在所述载气的携带下送入前驱体反应器(11)；工作时通过控制每组前驱体供料装置的载气流量和加热温度调节每种前驱体的浓度和流量，以满足气相合成纳米材料制备的要求。

2.如权利要求1所述的用于气相合成纳米材料的供料系统，其特征在于，所述载气单元包括依次连接的载气源(1)、气阀(2)和气体流量控制器(3)，其中所述载气源(1)用于提供载气，所述气阀(2)用于控制所述载气的通断，所述气体流量控制器(3)用于对所述载气的流量进行计量和控制。

3.如权利要求2所述的用于气相合成纳米材料的供料系统，其特征在于，所述载气单元还包括颗粒过滤器(4)，所述颗粒过滤器(4)设置在所述鼓泡喷头(9)的前方，用于对所述载气进行颗粒脱除净化。

4.如权利要求2所述的用于气相合成纳米材料的供料系统，其特征在于，所述载气单元还包括干燥器(5)，所述干燥器(5)设置在所述鼓泡喷头的前方，用于对所述载气进行脱水干燥。

5.如权利要求1所述的用于气相合成纳米材料的供料系统，其特征在于，所述载气为压缩空气、氮气或氩气。

6.如权利要求1所述的用于气相合成纳米材料的供料系统，其特征在于，所述前驱体单元包括前驱体储罐(6)和前驱体配量泵(7)，所述前驱体储罐(6)用于储存和供应所述液态前驱体；所述前驱体配量泵(7)一端与所述前驱体储罐(6)连接，其另一端伸入所述混合单元，用于将所述液态前驱体输送到所述混合单元。

7.如权利要求1～6任一项所述的用于气相合成纳米材料的供料系统，其特征在于，所述混合单元包括前驱体加热器(8)和伴热管道(10)，所述前驱体加热器(8)用于加热所述液态前驱体，以生成所述前驱体蒸气，所述伴热管道(10)用于将载气携带的前驱体蒸气加热到欠饱和状态。

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