CN114192091A

CN114192091A - 一种用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统及方法

Info

Publication number: CN114192091A
Application number: CN202111503466.XA
Authority: CN
Inventors: 梅丹华; 张鹏; 陈慧敏; 崔行磊; 方志
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2041-12-10
Also published as: CN114192091B

Abstract

本发明提供了一种用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统，粉体材料送料系统包括进料管和气瓶，气瓶的出气口通过管路分别和进料管的第一进气口、鼓泡法装置的进气口连接，粉体材料送料系统出料口和鼓泡法装置的出气口汇成一路进入到等离子反应器组的进口，等离子反应器组的出口和粉体材料收集装置的气料进口连接，等离子反应器组包括至少一个反应器。本发明还提供了一种粉体材料表面改性的方法。本发明利用大气压低温等离子体产生激发态活性粒子与特定改性媒质相结合作用在粉体表面，替代现有在高温条件下使用化学药剂的手段，实现材料表面改性，减少了能源消耗从而提高了材料改性的经济性。

Description

一种用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统及方法

技术领域

本发明属于等离子改性领域，涉及一种粉体材料表面改性的等离子体装置系统及方法。

背景技术

现有粉体改性方法按工艺可分为物理法和化学法两类，但是在保持表面改性的稳定性方面还存在一定的问题，主要是由于以下三个方面原因：1物理方法往往只通过范德华力、静电力等简单地吸附或包覆粉体，有机相与无机相之间的作用力较弱，当体系的环境如温度、pH 值、压力等条件改变时，可能会出现明显的相分离；2采用化学法对粉体材料进行表面改性；3现有改性方法的使用时间较长、装置较为笨重、操作灵活性较差，阻碍了方法自身的推广和使用。因此，人们迫切需要一种能够快速、灵活、高效实现粉体表面改性的手段。

大气压低温等离子体是一种很特殊的气体物质，其中包含大量高能带电粒子及自由基、电磁场、热量、紫外线等。低温等离子体的特殊性能使其可以对金属、半导体、高分子材料等进行表面改性。低温等离子体技术在材料改性方面有很大的优势，它的优点如下：1)属于干式工艺，节能，无公害，满足节能和环保的需要；2)时间短，效率高；3)对所处理的材料无严格要求，具有普遍适应性；4)可处理形状复杂的材料，材料表面处理的均匀性好；5)反应环境温度低；6)对材料表面的作用仅涉及几到几百纳米，材料表面性能提升的同时，基体性能不受影响。

CN112753091A、CN109487234A和CN112646547A等专利中公开的利用大气压低温等离子体射流的改性手段，虽然研究实践已经证明了它在材料改性中的积极作用，但对大量昂贵惰性气体的需求仍是阻碍大范围应用障碍。而且射流的产生伴随着很大的气体流速，不适用处理轻质粉体。

CN112602180A、CN109021292A和CN110317360A等专利中公开的利用介质阻挡放电反应器产生等离子体来改性的方法，虽然采用灵活的反应器结构可以为改性物质向材料表面沉积提供了有利条件，但不适于处理易形成流体的粉末状材料，更适用于膜状材料。

发明内容

1.所要解决的技术问题：

现有粉体进行表面憎水改性，物理法和化学法两类不稳定，等离子法不适于粉末状材料。

2.技术方案：

为了解决以上问题，本发明提供了一种用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统，包括等离子反应器组，粉体材料送料系统包括粉末进料管和气瓶，所述气瓶的出气口通过管路分别和所述进料管的第一进气口、鼓泡法装置的进气口连接，在气瓶的出气口和进料管的第一进气口之间管路设有第一流量控制器，在气瓶出气口和鼓泡法装置的进气口之间管路设有第二流量控制器，所述粉体材料送料系统出料口和鼓泡法装置的出气口汇成一路进入到所述等离子反应器组的进口，所述等离子反应器组的出口和粉体材料收集装置的气料进口连接，等离子反应器组包括至少一个反应器，所述反应器的尾端为进口，首端为出口，当等离子反应器组中有多个反应器时，所述相邻反应器首端和尾端通过转接管相连。

所述粉体材料送料系统还包括气流管，所述气瓶的出气口通过管道和所述气流管的第二进气口连接，在所述第二进气口和所述气瓶的出气口的管道上设有第三流量控制器，进料管的出料口通过送料管和气流管的下端连接，所述气流管的出气口和和鼓泡法装置的出气口汇成一路进入到所述等离子反应器组的进口，所述送料管中设有螺旋装置。

所述进料管的材质为石英玻璃，第一进气口处设有橡胶塞，进料管内设有分流环紧贴进料管内壁，所述分流环下方为储料管，所述分流环为圆柱形，上面开有直径为1-5mm的孔。

所述反应器为玻璃管，高压电极在首端通过固定器与所述反应器中心同轴，地电极缠绕在玻璃管的外壁上并通过铜丝固定。

所述固定器的下方设置固定环，所述固定环包括圆柱形环和设置在圆柱形环下方的斜坡905，所述圆柱形环中设置贯穿的固定孔，所述固定孔的中心位和反应器的中心同轴，所述圆柱形环的两侧设有和固定孔相通的顶紧顶紧螺丝孔，高压电极穿过所述固定孔，两边对应开孔的顶紧螺丝孔内通过拧入顶紧螺丝固定高压电极，所述斜坡与主管和支管交接处的管壁形成平行管道。

所述反应器为玻璃管，一体式沿面电极嵌入在反应器的内壁上，所述一体式沿面电极20包括多层，从上到下依次为第一绝缘层、第一金属电极层、介质层、第二金属电极层和第二绝缘层，其中第二绝缘层上的高压金属电极条用于连接第二金属电极层和高压线，第一绝缘层上的低压金属电极条用于连接第一金属电极层和低压线，所述反应器的首端设有固定器用于固定装置整体。

第二金属电极层上铜刻有均匀地交错布置正方形电极结构或六边形电极结构或条纹形电极结构。

所述鼓泡法装置包括洗气瓶，所述洗气瓶中设有气料进口管和出气管，在所述洗气瓶内，所述气料进口管比出气管长。

所述粉体材料收集装置包括洗气瓶，所述洗气瓶设有尾气出口，所述洗气瓶内设有除尘袋，所述气料通过气料进口管伸入到所述除尘袋内。

本发明还提供了一种使用所述的用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统进行粉体材料表面改性的方法。

3.有益效果：

本发明提供了一种疏水型粉末的制备装置及方法，使得粉末的疏水性显著提高，材料易得，简单易行，对设备要求不高，环境友好。本发明利用大气压低温等离子体产生激发态活性粒子与特定改性媒质相结合作用在粉体表面，替代现有在高温条件下使用化学药剂的手段，实现材料表面改性，减少了能源消耗从而提高了材料改性的经济性。

附图说明

图1 是用于粉体改性的等离子体装置整体示意图。

图2 是流程示意图。

图3 是用于通入气体和添加粉体装置示意图。

图4 是分流环装置示意图。

图5是螺旋装置示意图。

图6是鼓泡法装置示意图。

图7是等离子体改性装置示意图一。

图8是等离子改性装置示意图二。

图9是沿面电极示意图。

图10是沿面电极第二金属电极层示意图一。

图11是沿面电极第二金属电极层示意图二。

图12是沿面电极第二金属电极层示意图三

图13是固定环装置示意图。

图14是粉末收集装置示意图。

图15是实施例中三种浓度媒介处理粉体的实物图。

图16是实施例中三种浓度媒介处理粉体静置一周后的实物图。

附图标记说明：1. 第一流量控制器；2. 第三流量控制器；3. 管路；4.进料口；5.进料管；6. 气瓶；7. 第二流量控制器；8. 鼓泡法装置；9.固定环；10. 高压电极；11. 转接管；12.地电极；13.固定器；14.反应器；15.气料进口；16. 尾气出口;17. 除尘袋；18. 洗气瓶；501.第一进气口；502.橡胶塞；503.储料管；504.第二进气口；505.分流环；506.送料管.507.气流管；804.气料进口管；805.出气管；141.主管；142.支管；901.固定孔；902. 顶紧螺丝孔；903. 顶紧螺丝；904. 密封圈；905.斜坡；20.沿面电极；131. 第一绝缘层；132. 第一金属电极层；133.介质层；134. 第二金属电极层；135. 第二绝缘层；136. 高压金属电极条；138. 低压金属电极条。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统，包括粉体材料送料系统、等离子反应器组和粉体材料收集装置，粉体材料送料系统中包括气瓶6、进料管5和鼓泡法装置8，所述鼓泡法装置8中装有媒介，不同的粉体适用不同的媒介，气瓶6吹气，将进料管5中的粉体材料吹向等离子反应器组，同时，气瓶6将鼓泡法装置8中的媒介吹向等离子反应器组，所述粉体材料和媒介汇成一路后一起进入等离子反应器组，粉体材料经过等离子组反应器改性后，进入到粉体材料收集装置，所述粉体收集装置将改性后的粉体材料进行收集。本发明，利用大气压低温等离子体产生激发态活性粒子与特定改性媒质相结合作用在粉体表面，替代现有在高温条件下使用化学药剂的手段，实现材料表面改性，减少了能源消耗从而提高了材料改性的经济性。

如图6所示，气体从气料进口管804进入洗气瓶18，从出气管805流出洗气瓶。本装置的料进口管804为长管，出气管805为短管，实现气路的长进短出。在洗气瓶18内根据处理需求添加改性媒质，媒质在气流的带动下经出气管805流出与来自气流管507的出气口的气流充分混匀后进入反应器14。本装置设计的改性方向包括但不只限于疏水改性，类似粉体的改性均可以由本装置添加相对应的改性媒质完成的其他未列举的同样适用。本装置的改性方向与对应的媒质包括但不只限于下表1中所列出的SiO₂粉末改性方向与对应的媒质如表1所示。

表 1 SiO₂粉末改性方向与对应的媒质

由于媒介需要的气量和粉体材料并不相同，所以在在气瓶6的出气口和进料管5的进料口上的第一进气口501之间管路3设有第一流量控制器1，在气瓶6出气口和鼓泡法装置8的进气口之间管路3设有第二流量控制器7，通过第一流量控制器1和第二流量控制7分别控制进入到进料管5和鼓泡法装置8中的气量。

在一个实施例中，如图3所示，在所述粉体材料送料系统中还包括送气流管507，所述气瓶6的出气口通过管道3和所述气流管上的第二进气口504连接，在所述第二进气口504和所述气瓶6的出气口的管道3上设有第三流量控制器2，进料管5的粉末在气流的带动下自动匀速的流经进料管506进入气流管507，通过第一进气口501和第二进气口504进入进料管5和气流管507，来自第一进气口501的小气流通入使得进料管503内的粉末被气压压在底部，既避免了过轻的粉末逸散又可以通过气流量控制粉末自动进料，增加了进料的方便性与可控性。

在一个实施例中，如图5所示，所述送料管507内设有螺旋装置，采用螺旋结构，通过气流可以有效避免粉体在管口的堵塞，因此可以大幅度增加粉体的处理效率。

在一个实施例中，所述进料管5的材质为石英玻璃，第一进气口501处设有橡胶塞502，用于实现对装置进样口的密封。

如图4所示，进料管5内设有分流环507紧贴进料管5内壁，所述分流环507下方为储料管503，所述分流环507为圆柱形，上面开有直径为1-5mm的孔用于分散气流，以防过大气流从中心通入致使周围粉体难以流动而阻塞通路，因此保证粉末进样的稳定性。

如图7所示，等离子反应器组包括至少一个反应器14，所述反应器14的尾端为进口，首端为出口，当等离子反应器组中有多个反应器14时，所述相邻反应器14首端和尾端通过转接管11相连。通过转接管11连接多个以上反应器14，使他们在整体上形成流化床。所述等离子反应器组可以根据放电间隙、处理时间和次数的需求，通过增加反应器14和转接管11的组件从而无限增加。

在一个实施例中，如图7所示，所述反应器14为玻璃管，高压电极10在首端通过固定器13与所述反应器14中心同轴，固定器13用于固定高压电极10，可以控制高压电极保留在反应器14内的长度。地电极12缠绕在玻璃管的外壁上并通过铜丝固定。同轴介质阻挡放电的基础上形成了等离子体流化床的反应结构，装置结构简单，易于放大和缩小，并且实现动态处理，使粉体材料与等离子体活性粒子和改性媒质基团充分混合均匀，提升处理效果；针对不同的粉末材料的处理需求，可以方便地改变和调节等离子体流化床反应器放电间隙和放电长度、媒质种类和浓度、载气种类和流速、流化床段数等参数，从而更容易从而调节改性效果以满足不同需求。

在一个实施例中，如图13所示，所述固定器13的下方设置固定环9，固定环9可以使得高压电极在反应器13内保持同轴状态，所述固定环9包括圆柱形环和设置在圆柱形环下方的斜坡905，所述圆柱形环中设置贯穿的固定孔901，所述固定孔901的中心位和反应器14的中心同线，所述圆柱形环的两侧设有和固定孔901相通的顶紧螺丝孔901，高压电极10穿过所述固定孔901，两边对应开孔的顶紧螺丝孔902内通过拧入顶紧螺丝903固定高压电极10，所述斜坡905与主管141和支管142交接处的管壁形成平行管道。采用具有一定弧度的固定环，在固定中心电极的同时，与玻璃管内壁的弧度对应形成平行管路，保障粉末与气流在反应器内通畅流动，避免粉体在局部堆积堵塞。

在一个实施例中，如图8所示，所述反应器14采用一体式的沿面电极20，一体式的沿面电极20嵌入在反应器14的玻璃管内壁上，沿面电极20的长度可以根据实际需求做出相应的调整。一体式的沿面电极20 的使用可以增大放电区间的同时避免不锈钢棒高压电极上沉积的粉末对放电的影响。此外固定器13用于固定装置整体，保持装置的稳定性。

在一个实施例中，如图9所示，所述沿面电极20包括多层，从上到下一次为第一绝缘层131、第一金属电极层132、介质层133、第二金属电极层134和第二绝缘层135，其中第二绝缘层135上的高压金属电极条136用于连接第二金属电极层134和高压线，第一绝缘层131上的低压金属电极条138用于连接第一金属电极层132和低压线。

第二金属电极层134上铜刻有均匀地交错布置正方形电极结构，如图10所示，或六边形电极结构如图11所示，或条纹形电极结构如图12所示。下面以正方形电极结构来进行详细描述。

将正方形电极结构用铜刻在第二金属电极层134上。这种模式覆盖一个表面，并允许沿正边形网格的边缘产生大气等离子体。为了保证第二金属电极层134表面产生等离子体的均匀性，对第二金属电极层134上的正边形均匀地交错布置。第一绝缘层131、第一金属电极层132、介质层133、第二金属电极层134和第二绝缘层135都具有优良的可弯曲性，且第二金属电极层134可以替换为包含但不限于以下正方形电极结构、六边形电极结构、条纹形电极结构。不管柔性电极如何弯曲变化，第一金属电极层132和第二金属电极层134始终保持相互平行，使柔性等离子体装置始终均匀放电。

如图14所示，所述粉体材料收集装置包括洗气瓶18，所述洗气瓶18设有尾气出口16，所述洗气瓶18内设有除尘袋17，所述气料通过气料进口15伸入到所述除尘袋17内。粉末在气流的带动下由气料进口15进入除尘袋17，尾气经右侧的尾气出口16排出。收集袋为尼龙网，尼龙网为500-15000目可选择，除了可以根据粒径选择对应的目数实现粉末单一粒径收集，还可以实现不同粒径粉末的分层收集。尼龙网除了收集粉末外还可以实现粉末的过滤，有效避免粉末对人体和环境带来的潜在危害。

本发明还提供了一种使用所述的用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统进行SiO₂粉体材料表面改性的方法，如图2所示，包括以下步骤：步骤S01：在进料管5中装入SiO₂粉体；步骤S02：经过第一流量控制器1、第二流量控制器7、第三流量控制器2调节气体流速向进料管5、送气管、鼓泡法装置8输送气体；步骤S03：气体通过分流环将进料管5中的SiO₂粉体吹入到送料管送至送气管，吹入送气管的气体将SiO₂粉体从进气管中吹出和鼓泡法装置8中被吹出的媒介混合后进入到等离子反应器组，步骤S03：SiO₂粉体经过等离子改性处理后，进入粉体收集装置，SiO₂粉体进入除尘袋17，气体从粉体收集装置的尾气出口16排出。最后待粉末收集完成了后先关闭电源，再关闭流量控制器与气瓶。

如图15和16所示，为未处理的、采用低浓度约650ppm六甲基二硅氧烷处理及采用高浓度六甲基二硅氧烷约1300ppm处理的粉末溶于水的情况。可以看出未处理的粉末极易溶于水，采用低浓度六甲基二硅氧烷处理后粉末微溶于水，而采用高浓度六甲基二硅氧烷处理的粉末不溶于水，憎水性明显，且放置一周后憎水性效果保持良好，未发生明显变化。

Claims

1.一种用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统，包括等离子反应器组，其特征在于：粉体材料送料系统包括粉末进料管（5）和气瓶（6），所述气瓶（6）的出气口通过管路（3）分别和所述进料管（5）的第一进气口（501）、鼓泡法装置（8）的进气口连接，在气瓶（6）的出气口和进料管（5）的第一进气口（501）之间管路（3）设有第一流量控制器（1），在气瓶（6）出气口和鼓泡法装置（8）的进气口之间管路（3）设有第二流量控制器（7），所述粉体材料送料系统出料口和鼓泡法装置（8）的出气口汇成一路进入到所述等离子反应器组的进口，所述等离子反应器组的出口和粉体材料收集装置的气料进口（15）连接，等离子反应器组包括至少一个反应器（14），所述反应器（14）的尾端为进口，支管为出口，当等离子反应器组中有多个反应器（14）时，所述相邻反应器（14）支管和尾端通过转接管（11）相连。

2.如权利要求1所述的用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统，其特征在于：所述粉体材料送料系统还包括气流管（507），所述气瓶（6）的出气口通过管道（3）和所述气流管的第二进气口（504）连接，在所述第二进气口（504）和所述气瓶（6）的出气口的管道（3）上设有第三流量控制器（2），进料管（5）的出料口通过送料管（506）和气流管（507）的下端连接，所述气流管（507）的出气口和和鼓泡法装置（8）的出气口汇成一路进入到所述等离子反应器组的进口，所述送料管（5）中设有螺旋装置。

3.如权利要求1所述的用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统，其特征在于：所述进料管（5）的材质为石英玻璃，第一进气口（501）处设有橡胶塞（502），进料管（5）内设有分流环（507）紧贴进料管（5）内壁，所述分流环（507）下方为储料管（503），所述分流环（507）为圆柱形，上面开有直径为1-5mm的孔。

4.如权利要求1-3任一项权利要求所述的用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统，其特征在于：所述反应器（14）为玻璃管，高压电极（10）在首端通过固定器（13）与所述反应器（14）中心同轴，地电极（12）缠绕在玻璃管的外壁上并通过铜丝固定。

5.如权利要求4所述的用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统，其特征在于：所述固定器（13）的下方设置固定环（9），所述固定环（9）包括圆柱形环和设置在圆柱形环下方的斜坡（905），所述圆柱形环中设置贯穿的固定孔（901），所述固定孔（901）的中心位和反应器（14）的中心同轴，所述圆柱形环的两侧设有和固定孔（901）相通的顶紧螺丝孔（901），高压电极（10）穿过所述固定孔（901），两边对应开孔的顶紧螺丝孔（902）内通过拧入顶紧螺丝（903）固定高压电极（10），所述斜坡（905）与主管（141）和支管（142）交接处的管壁形成平行管道。

6.如权利要求1-3任一项权利要求所述的用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统，其特征在于：所述反应器（14）为玻璃管，一体式沿面电极（20）嵌入在反应器（14）的内壁上，所述一体式沿面电极（20）包括多层，从上到下依次为第一绝缘层（131）、第一金属电极层（132）、介质层（133）、第二金属电极层（134）和第二绝缘层（135），其中第二绝缘层（135）上的高压金属电极条（136）用于连接第二金属电极层（134）和高压线，第一绝缘层（131）上的低压金属电极条（138）用于连接第一金属电极层（132）和低压线，所述反应器（14）的首端设有固定器（13）用于固定装置整体。

7.如权利要求6所述的用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统，其特征在于：第二金属电极层（134）上铜刻有均匀地交错布置正方形电极结构或六边形电极结构或条纹形电极结构。

8.如权利要求1-3任一权利要求所述的用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统，其特征在于：所述鼓泡法装置（8）包括洗气瓶（18），所述洗气瓶（18）中设有气料进口管（804）和出气管（805），在所述洗气瓶（18）内，所述气料进口管（804）比出气管（805）长。

9.如权利要求1-3任一权利要求所述的用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统，其特征在于：所述粉体材料收集装置包括洗气瓶（18），所述洗气瓶（18）设有尾气出口（16），所述洗气瓶（18）内设有除尘袋（17），所述气料通过气料进口管伸入到所述除尘袋（17）内。

10.一种使用如权利要求1-9任一项权利要求所述的用于粉体材料表面改性的等离子体装置系统进行粉体材料表面改性的方法，包括以下步骤：步骤S01：在进料管（5）中装入粉体；步骤S02：经过第一流量控制器（1）、第二流量控制器（7）、第三流量控制器（2）调节气体流速向进料管（5）、送气管、鼓泡法装置（8）输送气体；步骤S03：气体通过分流环将进料管（5）中的粉体吹入到送料管送至送气管，吹入送气管的气体将粉体从进气管中吹出和鼓泡法装置（8）中被吹出的媒介混合后进入到等离子反应器组，步骤S03：粉体经过等离子改性处理后，进入粉体收集装置，粉体进入除尘袋（17），气体从粉体收集装置的尾气出口排出。