CN1219588C - 采用气溶胶法对纳米和微米颗粒材料进行分散与表面改性处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用气溶胶法对纳米和微米颗粒材料进行分散与表面改性处理的工艺及其装置，该工艺通过高速气流的强湍流场把纳米或微米颗粒材料打散，同时，通过雾化器将改性剂雾化或气化以后喷入已被打散的纳米或微米颗粒材料体系中，制得气溶胶；再通过控制气溶胶体系的温度和压力，实现对纳米或微米颗粒材料的改性包覆处理；一定时间后，气溶胶由喷嘴喷出，并通过注入大气空气使喷出来的气溶胶温度降低，获得更好的改性和包覆效果；最后通过收集器完成对改性纳米或微米颗粒材料的收集。整个改性装置连续生产、操作稳定、配药比例可调、具有通用性、改性产品性质均一稳定、改性包覆完全、颗粒表面改性层可控等特点。

Description

采用气溶胶法对纳米和微米颗粒材料进行 分散与表面改性处理工艺

技术领域

本发明涉及一种对材料表面进行改性的处理，特别是涉及一种通过气溶胶法对纳米或微米颗粒材料进行分散处理与表面改性处理的工艺，该工艺可广泛应用于各种纳米或微米颗粒材料的分散与表面改性处理领域。

背景技术

纳米颗粒材料由于其自身的许多特殊性质，在很多领域有着广泛的应用。但是，由于纳米颗粒材料的比表面积大，表面活性高，在制备后很容易团聚，使纳米颗粒材料在实际使用中达不到预期效果，制约了纳米颗粒材料的发展。因而，为防止纳米颗粒材料的团聚，对纳米颗粒材料进行分散处理和表面改性处理是十分重要和必要的。

目前，常用于颗粒材料的表面改性方法主要有三种(一)湿法改性：是指改性剂在溶液中对颗粒材料进行表面改性处理。(二)气相法改性：是指改性剂以气态形式对颗粒材料进行表面改性。如专利US4671973所述的是在一垂直改性腔中，颗粒材料利用自身重力作用向下运动，气态的改性剂则通过改性腔壁面的小孔充分弥散在改性腔内，与向下运动的颗粒材料表面接触并反应，完成颗粒的表面改性；CN1163800A所述的是将颗粒材料以气溶胶状态注入到一改性腔中(该改性腔内壁面为含有改性剂的多孔材料)，然后密封改性腔并对改性腔内加热加压，在改性腔内形成改性剂的饱和蒸汽。静置一段时间以后，通过减压或降温的方法，在改性腔内形成改性剂的过饱和蒸汽，使气态的改性剂凝聚在颗粒材料表面，完成颗粒的表面改性。(三)干法改性：是指改性剂在干态下借高速混合和搅拌作用对颗粒材料进行表面改性，如专利US3915735所述的是将改性剂喷洒在高速搅拌设备中的颗粒材料表面，搅拌一定时间后完成颗粒表面改性；US5116886所述的是在室温下，首先将改性剂喷洒在高速搅拌设备中的颗粒的表面，搅拌一定时间后取出；然后加热高速搅拌设备到120℃，再将预处理过的颗粒加入到高速搅拌设备中，在高温下进行二次处理，完成颗粒的表面改性。ZL00202515.9所述的是利用两组空气喷嘴喷出的高速气流将输入到改性腔内的颗粒与改性剂吹散成雾状，并利用搅拌棒的搅拌作用使颗粒与改性剂均匀接触，通过加热改性腔壁面来提供颗粒表面改性所需的温度，完成颗粒的表面改性。目前，气相法改性可以获得较好的改性效果，但是对改性剂的选择有局限性，仅限于一些特殊的改性剂(US4671973)，不能实现连续生产(CN1163800A)，改性不均匀、改性层也不易控制。干法改性由于处理简便灵活、适应面广，因而在工业化生产中大都采用干法改性处理(特殊情况除外)。现有的干法表面改性处理设备大都采用机械混合设备，如高速混合机、研磨机、掺混机等进行改性(US3915735、US5116886)，改性反应时间长、颗粒改性不完全、颗粒表面改性状况不均匀、颗粒改性层不易控制等问题。而且，对于纳米颗粒材料，会因为纳米颗粒团聚而造成团聚体内部颗粒包覆不到改性剂，形成不了单分散体系。

发明内容

本发明的目的是针对现有改性设备中存在的主要问题与不足，根据纳米或微米颗粒材料分散与表面改性处理的基本原理与特点，提供一种针对纳米或微米颗粒材料进行分散与表面改性处理的工艺与设备。其突出特点是：采用流体力学知识，利用强湍流技术，把纳米或微米颗粒材料打散，并利用雾化技术把改性剂雾化或气化后与已被打散的纳米或微米颗粒材料体系充分掺混，制得气溶胶，使纳米或微米颗粒材料表面与改性剂充分、均匀接触，控制气溶胶胶体系的温度和压力，达到完全改性的效果。具有以下优点：用强湍流把纳米或微米颗粒材料打散，在打散状态下与雾化或气化的改性剂充分掺混，制得气溶胶；在气溶胶状态下，改性剂与纳米或微米颗粒材料表面充分接触，使纳米或微米颗粒材料改性完全；改性过程中温度均匀，避免局部温度过高；改性产品性质均一、稳定；改性剂用量可控，配药比例可调，可实现不同的改性需求；连续生产；整个改性装置无运动部件；适用面广，具有通用性，可广泛应用于各种纳米或微米颗粒材料的分散与表面改性处理。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

本发明的气溶胶法纳米或微米颗粒材料分散与表面改性处理工艺主要包括：用高速气流的强湍流场把纳米或微米颗粒材料打散，通过雾化器将改性剂雾化或气化后喷入已被打散的纳米或微米颗粒材料体系中，通过充分的混合制得气溶胶，使改性剂与纳米或微米颗粒材料表面充分接触；控制气溶胶体系的温度与压力，一定时间后，通过喷嘴把该气溶胶喷出来；然后采用注入大气空气的方法，将喷出来的气溶胶迅速冷却，使改性剂能够较好的包覆在纳米或微米颗粒材料表面，达到使纳米或微米颗粒材料分散与表面改性的目的；最后通过收集器完成对纳米或微米颗粒材料的收集。

在上述工艺中，高速气流是通过加热器来加热的，并且气流温度在10℃～500℃范围内连续可调。

在上述工艺中，具有一定温度的高速气流是通过气流引射方式来输送纳米或微米颗粒材料的，在传输的过程中对纳米或微米颗粒材料也有加热干燥和分散的作用。

在上述工艺中，颗粒材料的打散系统是通过上述带料热气流切向进入一个圆锥容器，使气与颗粒向收缩段旋转运动，然后通过适当的喷嘴喷入改性室中，形成一个具有高剪切力的强湍流场，并使纳米或微米颗粒材料得到分散；也可以使这股带料射流撞击到一个靶上以后进入改性室中，使纳米或微米颗粒分散；也可以把两股这种带料射流以一定的角度相互撞击以后进入改性室中，使纳米或微米颗粒分散。

在上述工艺中，改性剂是由具有一定温度的气体(温度在10℃～200℃之间可调)通过雾化器雾化或气化后喷入已被打散的纳米或微米颗粒材料体系中，通过充分的掺混制得气溶胶。

在上述工艺中，改性室中气溶胶体系的温度(在10℃～300℃之间连续可调)是通过调节进料的气体温度来实现的，压力(在0.1MP～0.2MP之间连续可调)是通过调节改性室出口喷嘴的大小来实现的。

在上述工艺中，气溶胶由改性室喷出来以后，即注入大气空气(由系统的引风机来实现)，使喷出来的气溶胶迅速冷却，使改性剂能较好的包覆在颗粒表面。

在上述工艺中，改性冷却后的颗粒材料由收集器收集。

在上述工艺中，气流加热器、输送热气管道、进料管道、改性剂管道、颗粒打散装置、雾化器和改性室外壳等都用保温材料包覆。

上述气溶胶法纳米或微米颗粒材料分散与表面改性处理工艺的具体实施技术方案由以下几部分组成，即气流加热系统、输送系统、颗粒打散系统、改性剂雾化系统、气溶胶改性系统、冷却系统和收集系统。气流加热系统通过管路将高温气体提供给输送系统，而输送系统则分别将高温气体送至颗粒打散系统和改性剂雾化系统；颗粒由打散系统进入气溶胶改性系统，改性剂由雾化系统进入气溶胶改性系统，打散的颗粒与雾化或气化的改性剂在气溶胶改性系统内充分混合与作用，形成气溶胶；控制该气溶胶体系的温度与压力，实现颗粒表面改性；一定时间后，气溶胶由喷嘴喷入冷却系统冷却，完成颗粒表面改性；最后，改性好的颗粒被收集器收集。

所述的气流加热系统，主要包括压气机、干燥器、加热器和温度控制器，是指气体由压气机进入干燥器干燥后，再通过输气管道进入加热器，被加热到一定温度(气流温度可以由温度控制器来调节和控制，在10℃～500℃范围之间连续可调)，然后通过管路提供给输送系统。

所述的输送系统主要包括颗粒输送系统和改性剂输送系统。

所述的颗粒输送系统主要包括进料系统和管路，是指颗粒由进料系统通过管路进入颗粒打散系统。在管路中，颗粒被高温高速气流加热和分散。

所述的颗粒打散系统包括入口管道、锥形腔体和出口喷嘴。带料高速气流由入口管道沿锥形腔体内壁面切向喷入，并向收缩段旋转运动，由于角动量守恒，在收缩段旋转越来越快，并由出口喷嘴喷入改性室，形成一个具有高剪切力的强湍流场，使颗粒分散；喷出的带料射流也可以喷射到一个靶上以后进入改性室中，使颗粒分散；也可以把两股这样的带料射流以一定的角度相互撞击以后进入改性室中，使颗粒分散。

所述的改性剂输送系统包括进液(改性剂)系统和管路，是指改性剂在一定压力下由进液系统通过管路进入改性剂雾化系统。

所述的改性剂雾化系统包括入口管道、旋流室和出口喷嘴。是指采用高温气流(在10℃～200℃范围之间连续可调)携带改性剂在旋流室中向收缩段旋转运动，通过出口喷嘴将改性剂雾化或气化以后喷入改性室中。

所述的气溶胶改性系统包括改性室和出口喷嘴，是指在改性室中将喷入的分散颗粒与已喷入的雾化或气化改性剂充分掺混，制得气溶胶。并通过控制气溶胶体系的温度(10℃～300℃，通过调节进料气体温度来实现)和压力(0.1MP～0.2MP，通过调节出口喷嘴的大小来实现)来控制颗粒材料表面的改性包覆反应和包覆改性层的厚度。一定时间后，气溶胶由出口喷嘴喷入冷却室。

所述的冷却系统主要包括过滤装置、冷却室和引风机，是指由引风机将系统外的大气空气通过过滤装置注入到冷却室中的气溶胶体系中，使气溶胶迅速冷却，使改性剂能较好的包覆在颗粒表面上。

所述的收集系统包括旋风分离器和过滤收集器，也可以由过滤收集器单独构成，根据使用要求而定。

本发明的气溶胶法纳米或微米颗粒材料分散与表面改性处理工艺所用的设备包括气流加热系统、输送系统、颗粒打散系统、雾化器、气溶胶改性室、冷却系统和收集系统。

所述的气流加热系统由压气机、干燥器、输气管道、加热器、加热器出口、温度传感器和温度控制器组成。温度传感器在加热器内，并与温度控制器相连接。压气机出气进入干燥器干燥，再由输气管道进入加热器，气体在加热器内被加热(温度在10℃～500℃范围之间连续可调)，而后通过加热器出口提供给输送系统。

所述的输送系统由颗粒输送系统和改性剂输送系统组成。颗粒输送系统由调节阀、压力表、颗粒材料料仓、星阀进料器或电磁振动给料器或气流引射进料器和输送管道组成。改性剂输送系统由调节阀、压力表、改性剂容器、输气管道、流量调节器和输液管道组成。

所述的颗粒打散系统是由入口管道、锥形腔体和出口喷嘴组成。入口管道与颗粒输送管道相连接，切向进入锥形腔体，出口喷嘴位于锥形腔体收缩段底部，锥形腔体的半锥角为10°～60°。带料气流由入口管道切向进入锥形腔体并向收缩段旋转运动，通过不同形式的喷嘴喷入改性室中，形成一个具有高剪切力的强湍流场，使颗粒得到分散；喷出的带料射流也可以喷射到一个靶上以后进入改性室中，使颗粒分散；也可以把两股带料射流以一定角度相互撞击以后进入改性室中，使颗粒分散。

所述的雾化器由进气管道、进液管道、旋流室和喷嘴组成，有两种结构：第一种雾化器的具体结构为：进气管道一端接输气管道，其中间段与进液管道相通，另一端切向进入旋流室，喷嘴位于旋流室收缩段底部。高温气体在进气管道中与通过进液管道进入其中的改性剂充分混合，加热混合后沿切向进入旋流室并向收缩段旋转运动，通过适当的喷嘴将改性剂雾化或气化后喷入改性室；第二种雾化器与第一种雾化器的不同之处是第二种雾化器在旋流室轴心位置增加了一股气流吹散旋转运动的改性剂，增强改性剂的雾化或气化效果。

所述的气溶胶改性室是由三个腔体(颗粒分散腔I、改性剂分散腔II和气溶胶改性腔III)、若干固定搅拌棒、压力表、温度传感器和安全阀组成。压力表、温度传感器、安全阀均接在腔体III上，腔体I一端与颗粒打散装置出口相连接，另一端与腔体II和III相通；腔体II一端与雾化器出口相连接，另一端与腔体I和III相通，固定搅拌棒则固定在腔体III内壁面，以加强颗粒与改性剂的掺混。腔体I、腔体II和腔体III分别成一定夹角和偏心布置，使由颗粒打散装置喷出的颗粒材料在腔体I中充分分散后喷入腔体III中，由雾化器雾化或气化后喷出的改性剂，在腔体II中充分分散后喷入腔体III中，已分散的颗粒与已雾化或气化的改性剂在气溶胶改性腔III中充分掺混，制得气溶胶，并沿腔体III旋转运动。气溶胶体系的参数由压力表和温度传感器测得，通过调节气溶胶体系的温度(10℃～300℃，通过调节进料气体温度来实现)和压力(0.1MP～0.2MP，通过调节出口喷嘴的大小来实现)，可以控制改性包覆反应和包覆层的厚度。一定时间后，气溶胶通过出口喷嘴喷入冷却室。

腔体I可以直接与颗粒打散装置相连接，使颗粒在腔体I中充分分散后喷入腔体III中。也可以在腔体I中布置一个靶，使带料射流撞击到这个靶上以后喷入腔体III中；也可以在腔体I一端以一定角度使两股带料射流互相撞击以后喷入腔体III中。充分分散的颗粒在喷入腔体III中以后，与充分分散后喷入腔体III中的改性剂高速混合，制得气溶胶。为加强气溶胶改性腔内颗粒与改性剂的掺混强度和气溶胶的流动性，还可以在腔体I、II、III的汇合处加一股切向气流，也可以在腔体I、II、III的汇合处加一股轴向气流。

所述的气流加热器、输送热气管道、进料管道、改性剂管道、颗粒打散装置、雾化器和改性室外壳等设备都是用保温材料包覆的，以提高热效率。

所述的冷却系统由过滤装置、冷却室、输送管道和引风机组成。改性室出口喷嘴与冷却室相连接，气溶胶通过出口喷嘴喷入冷却室中，由系统中的引风机通过过滤装置注入大气空气，对喷入冷却室中的气溶胶进行冷却和分散处理，处理后通过输送管道进入收集器。

所述的收集器，可以由旋风分离器和过滤收集器组成，也可以由过滤收集器单独构成，这种过滤收集器可以是布袋的、陶瓷的和金属材料制成的，均已有商品，不再赘述。

附图说明

附图1为本发明的气溶胶法纳米或微米颗粒材料分散与表面改性处理工艺流程框图；

附图2为本发明的气溶胶法纳米或微米颗粒材料分散与表面改性处理设备示意图；

附图3为本发明中的气溶胶改性室示意图；

附图4为本发明中的强湍流发生装置示意图；

附图5为本发明中颗粒打散系统另两种结构示意图；

附图6为本发明中的两种雾化器示意图；

下面结合附图及实施例进一步描述本发明。

图中标号1为压气机，2空气干燥器，3为输气管道，4为加热器，5为温度传感器，6为调节阀，7为压力表，8为输气管道，9为改性剂容器，10为流量调节器，11为输液管道，12为调节阀，13为压力表，14为输气管道，15为雾化器，16为调节阀，17为压力表，18为输气管道，19为颗粒材料仓，20为进料器，21为强湍流发生装置，22为气溶胶制备室，23为气溶胶改性室，24为温度传感器，25为压力计，26为安全阀，27为过滤装置，28为冷却室，29为旋风分离器，30为输送管道，31为收集器，32为输气管道，33为引风机，34为改性剂分散腔II，35为颗粒分散腔I，36为气溶胶改性腔III，37为固定搅拌棒。

具体实施方式

一种气溶胶法纳米或微米颗粒材料分散与表面改性处理工艺过程如图1所示。气体由压气机压入干燥器，并进入加热器加热；加热后的高温气体一部分将颗粒料仓中的颗粒输入颗粒打散装置，利用高速气流的强湍流场把颗粒打散，一部分将改性剂容器中的改性剂输入雾化器，把改性剂雾化或气化；雾化或气化后的改性剂与已被打散的颗粒进行充分掺混，制得气溶胶；控制气溶胶体系的温度和压力，对颗粒进行表面改性处理；一定时间后，气溶胶由喷嘴喷出，进行降温处理，完成颗粒的表面改性；最后通过收集器完成对改性颗粒的收集。

一种气溶胶法纳米或微米颗粒材料分散与表面改性处理设备如图2所示。气体通过压气机1经空气干燥器2由输气管道3进入加热器4，被加热到一定温度(在10℃～500℃之间连续可调)；一部分高温气体通过输气管道8将改性剂容器9中的改性剂压入雾化器15，一部分高温气体通过输气管道14直接进入雾化器15，与改性剂混合后由出口喷嘴将改性剂雾化或气化后喷入腔体II34中，充分分散后喷入腔体III36中；另一部分高温气体通过输气管道18对颗粒材料仓19中由进料器20输入的颗粒材料进行输送，并干燥和分散后形成带料气流进入强湍流发生装置21，由出口喷嘴喷入腔体I35中，充分分散后喷入腔体III36中，与已充分分散喷入的改性剂混合，制得气溶胶；通过控制气溶胶改性室23的压力(在0.1MP～0.2MP之间可调)和温度(在10℃～300℃之间可调)实现改性包覆；一定时间后，气溶胶通过出口喷嘴喷入冷却室28中进行冷却后处理，最后通过输送管道由旋风分离器29和收集器31收集；分离出的空气由引风机33排入大气。

实施例所述的工艺，也可以不用旋风分离器29收集，改性后的颗粒可直接进入收集器31收集。

实施例所用的气流加热系统由压气机1、空气干燥器2、输气管道3、红外加热器4、温度传感器5和温度控制器组成，通过温度控制器控制加热器4来调节气体的温度，在10℃～500℃范围之间可调。

实施例所用的颗粒输送系统是由调节阀16、压力表17、颗粒材料仓19、星阀进料器20和输送管道18组成，控制进料器20转速，可获得不同的进料量，为10～1000Kg/h。

实施例所用的强湍流发生装置21示意图如图4所示，管道入口轴线与锥形腔体轴线夹角为60°～90°，锥形腔体的半锥角为10°～60°。

实施例所用的颗粒打散系统，是将强湍流发生装置喷出的带料射流直接喷入改性室中的，也可以采用图5-a所示的结构，使两股带料射流以一定的角度相互撞击以后喷入改性室中；还可以采用图5-b所示的结构，使带料射流喷射到一个靶上以后喷入改性室中。

实施例所用的改性剂输送系统由调节阀6和12、压力表7和13、输送管道8和14、改性剂容器9和流量调节器10组成，通过流量调节器10可获得不同的改性剂流量，为1～100Kg/h。

实施例所用的雾化器是采用图6-a所示的雾化器，也可以采用图6-b所示的有轴向气流的雾化器。输气管道轴线与旋流室轴线之间的夹角为60°～90°，旋流室的半锥角为10°～60°。

实施例所用的气溶胶改性室22示意图如图3所示，腔体I和腔体II轴线的夹角为45°～135°，腔体I和腔体III轴线的夹角为60°～90°，腔体II和腔体III轴线的夹角为60°～90°，腔体I和腔体II对于腔体III的偏心距为0％～30％D(D为腔体III的内径)。为加强气溶胶改性腔III内颗粒与改性剂的掺混强度和气溶胶的流动性，可以在腔体I、II、III的汇合处加一股切向气流，也可以在腔体I、II、III的汇合处加一股轴向气流。

实施例所用的气溶胶改性室22，不仅可以是图2所示水平布置的，也可以是垂直布置的。

实施例所用的旋风分离器29和收集器31都是常用的旋风分离器和收集器，所用的引风机33也是常用的高压风机，它们之间是通过管道相连接的。

Claims (3)

1、一种采用气溶胶法对纳米和微米颗粒材料进行分散与表面改性处理工艺，其分散与表面改性的工艺步骤有：由进料器(20)送入的纳米和微米颗粒材料经强湍流发生装置(21)打散；由改性剂容器(9)送入的改性剂经雾化器(15)雾化或汽化后喷入已被打散的纳米和微米颗粒材料体系中；然后在气溶胶制备室(22)中充分的掺混制得气溶胶，并在气溶胶改性室(23)中使改性剂与纳米和微米颗粒材料表面充分接触；控制气溶胶体系的温度与压力，一定时间后，通过气溶胶改性室(23)的喷嘴把该气溶胶喷出来；然后采用注入大气空气的方法，将喷出来的气溶胶迅速冷却，使改性剂能够较好地包覆在纳米和微米颗粒材料表面，达到使纳米和微米颗粒材料分散与表面改性的目的；最后通过旋风分离器(29)和收集器(31)完成对纳米和微米颗粒材料的收集，其特征在于：

所述的纳米和微米颗粒材料的输送是采用压气机(1)将空气压入输气管道(3)中，并进行干燥、加热处理形成温度在10℃～500℃范围内连续可调的高速气流，颗粒材料通过高速气流引射方式来输送，并在传输的过程中对颗粒材料进行加热干燥和分散；

所述的纳米和微米颗粒材料的分散是带料气流切向进入强湍流发生装置(21)中，使气与颗粒向收缩段旋转运动，然后通过强湍流发生装置(21)的喷嘴喷入气溶胶制备室(22)中，形成一个具有高剪切力的强湍流场，并使颗粒得到分散；

所述的改性剂是利用温度在10℃～200℃之可可调的气体通过雾化器(15)雾化或汽化以后，喷入气溶胶制备室(22)中，与已分散的颗粒材料体系充分掺混，制得气溶胶。

2、根据权利要求1所述的分散与表面改性处理工艺，其特征在于：从强湍流发生装置(21)中喷出的强湍流带料射流喷射到一个靶上以后进入气溶胶制备室(22)中，使颗粒分散；或者两股从强湍流发持装置(21)中喷出的强湍流带料射流以一定角度相互撞击以后进入气溶胶制备室(22)中，使颗粒分散。

3、根据权利要求1所述的分散与表面改性处理工艺，其特征在于：气溶胶改性室(23)中气溶胶体系的温度在10℃～300℃之间连续可调，是通过调节进料气体温度来实现的，压力在0.1MP～0.2MP之间连续可调，是通过调节气溶胶改性室(23)出口喷嘴的大小来实现的。

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