CN1762903A - 核壳结构粉体的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能核壳结构粉体的制作方法，其主要是利用表面镀膜技术在远红外线机能粉体粒子表面制作负离子或光触媒机能膜层，形成核壳结构粒子；其中远红外线可以穿透表面膜层，该核壳结构粒子可同时呈现远红外线放射、负离子产生、光触媒作用等效果；核壳结构粒子使用微波能量处理，改善壳层机能性粒子的晶相，提高整体粒子的机能特性，同时增进在产品应用时的分散性。

Description

核壳结构粉体的制作方法

技术领域

本发明涉及一种核壳结构粉体的制作方法，尤其是指一种可使单一粉体粒子产生多机能特性的核壳结构粉体的制作方法。

背景技术

远红外线放射、负离子产生、光触媒作用等已成为现今重要的民生机能产物，其相关的应用也陆续商品化，且因不同机能需使用不同的材料，多机能化产品常需多种材料，这样即导致产品设计与制造上的诸多限制，尤其多机能性纤维与涂料等有微细化需要的产品，多种材料的使用常造成原有纤维与塑料材料特性的损失，所以配合多机能产品开发，需要使用具多机能性的粉体。

一般的机能性粉体均以氧化物材料为主体，其制作方法大致包括有固相合成法及化学溶液法；其中固相合成法是使用氧化物化矿石原料，经特定比例混合及高温锻烧形成具机能特性的晶相结构；而化学溶液法是使用金属盐类或醇盐的溶液，经热分解或共沉方式形成具机能特性的晶相结构，且由于化学溶液法为离子状态，具有相对小的粒径，因此只要适当控制合成条件，即可以制出纳米级的粉体粒子，而固态合成的机能性粉体常使用机械研磨进行粉体的微细化，控制适当研磨条件，一般可获得粒径小于100纳米的粉体粒子。

然而，不论采用何种方法，合成的粉体仅具有单一机能，并无法产生两种以上机能的粉体，例如美国专利US6108581，US5736150，US5480647，US5466526等，均是采用单一机能的粉体，与纤维、乳剂、树脂等混合制作各种应用产品，因此，如何使同一粉体粒子呈现多种机能，为机能性粉体材料开发的重点。

目前制作多机能产品，是使用不同机能的原料，与塑料或纤维原料混合制作，或者使用不同机能的塑料及纤维复合形成，其中利用不同机能粉体混合形成的多机能性，常因材料彼此间的反应，导致在后续加工过程中，其特性会随着品相改变而变异，甚而致使原有的机能特性产生劣化；而以不同机能原料复合形成的多机能特性，即以混合不同机能性的塑料材料为原料，再以混合形成多层膜或线的方式，以获得多机能性的效果，其虽没有因热处理造成的特性劣化，但由于这种方法需比较多的塑料材料，对薄或细化的产品应用有制作上的困难。

此外，机能性粉体微细化制作，虽可以增加机能特性，但因粉体表面积增加，容易造成不同成分间的反应，所以混合方式制作多机能性粉体，仍有因反应产生晶相变化，造成机能特性劣化的缺失。

由此可见，上述现有的传统解决方法在实务上仍有诸多缺失，并非一良好的设计，而亟待加以改良。

本案发明人鉴于上述传统方法所衍生的各项缺点，乃亟思加以改良创新，并经多年潜心研究后，终于成功研发完成本发明的多功能核壳结构粉体的制作方法。

发明内容

本发明的主要目的即在于提供一种核壳结构粉体的制作方法，其主要是使用具有不同功能的核及壳层形成核壳结构粒子，设计核壳功能的相互适应性使同一粉体粒子中产生不同的机能，以达到多机能特性的效果。

为了达到上述的目的，本发明主要是将远红外线粉体表面制作一或多层的微波吸收层，利用微波进行表面局部的加热，产生表面晶相效果，并使用负离子或光触媒的化学溶液，以喷涂或含浸方式在远红外线粒子表面形成膜层，再以微波能量在粉体表面产生热分解析出，形成具有负离子与光触媒效果的晶相，达成具远红外线放射、负离子、光触媒等效果的核壳结构粒子制作。

其中所述使用溶液，其除了披覆与热分解析出表面层的粒子除晶相中缺陷多外，粒子尺寸相对小，使需高表面积效应的负离子与光触媒特性更容易发挥。

其中所述的制作使用具有纳米尺度的表面披覆层，可使用微波能量制作成多机能性核壳结构粉体，同时因表面粒子纳米化，使整体的负离子与光触媒特性大幅提高。

具体地说，本发明所提供的核壳结构粉体的制作方法，其使用材料包括远红外线放射材料、负离子与光触媒材料，其中，所述远红外线放射材料，包含氧化铝、氧化锌、氧化铝与氧化硅等氧化物所研制而成的红外线机能粉体；所述负离子材料，包含电气石、独居石、粘土、高岭土等矿物，再加上碱金属或碱土金属氧化物及碳化物或卤化物研制而成的负离子机能性粉体；所述光触媒材料，为50纳米以下的二氧化钛或氧化锌粉体。

以远红外线机能性粉体为基础，在所述粉体粒子表面以溶液或气相沉积制作不同机能的氧化晶相原料后，再以微波进行选择性加热，形成由纳米粒子所排列组成的表面膜层，并使用上述负离子或光触媒的机能性粉体，分散于水或醇类溶剂所形成的液体，披覆于远红外线粒子表面形成膜层，再以微波能量在粉体表面热分解析出具远红外线放射、负离子、光触媒等效果的核壳结构粒子。

其中，所述表面膜层制作是使用金属盐类或醇盐的溶液，经喷涂或含浸披覆后，以微波能量进行处理而形成，该微波能量可使用数G Hz(1G Hz以上)至毫米波，功率100W以上电磁波。该电磁波的功率优选在300W-500W。

本发明所提供的一种核壳结构粉体的制作方法，可使同一粉体粒子中产生不同的机能，以达到多机能特性的效果，并且，该多机能核壳结构粉体表面可再披覆接口活性剂或偶合剂，产生可分散悬浮于溶剂或水中的效果，增加多机能核壳结构粉体的产品应用性。

附图说明

图1a和图1b为本发明的一优选实施例中，经研磨后的远红外线粉体的外观及粒径分布示意图。

图2为本发明的一优选实施例中，经热处理制作表面披覆光触媒的远红外线粒子的放大外观示意图。

图3a、图3b和图3c为本发明的一优选实施例中，以不同微波能量处理披覆远红外线粒子的粉体外观比较示意图。

图4a、图4b和图4c为本发明的一优选实施例中，以不同处理时间的粉体粒子的外观比较示意图。

图5a、图5b和图5c为本发明的一优选实施例中，于表面披覆锌与铝氧化物经1000W/20秒微波处理的粉体微结构及元素分布示意图。

图6显示本发明披覆光触媒与负离子(锌铝氧化物)的远红外线粒子形成的多机能性粉体。

主要部分代表符号：

A远红外线粉体    A1远红外线粒子      B光触媒粒子

C锌氧化物        D铝氧化物    E负离子    F核壳结构粒子

具体实施方式

为使阅读者充分了解本发明的内容及所能达成的功效，现配合附图并列举一具体实施例，详细介绍说明如下：

本发明提供了一种多功能核壳结构粉体的制作方法，其主要是使用具有不同功能的核及壳层形成核壳结构粒子，其使用材料包括远红外线放射材料、负离子与光触媒材料，其中，

所述远红外线放射材料，包含氧化锆、氧化锌、氧化铝与氧化硅等氧化物所研制而成的红外线机能粉体；

所述负离子材料，包含电气石、独居石、粘土、高岭土等矿物，再加上碱金属或碱土金属氧化物及碳化物或卤化物研制而成的负离子机能性粉体；

所述光触媒材料，为50纳米以下的二氧化钛或氧化锌粉体；

进而以远红外线机能性粉体为基础，于该粉体粒子表面以溶液成气相沉积制作不同机能的氧化晶相原料后，再以微波进行选择性加热，产生表面晶相效应，以形成由纳米粒子所排列组成的表面膜层，并使用负离子或光触媒的机能性粉体，分散于水或醇类溶剂所形成的液体，以喷涂或含浸方式在远红外线粒子表面形成膜层，再以微波能量在粉体表面产生热分解析出，形成具有负离子与光触媒效果的晶相，达成具远红外线放射、负离子、光触媒等效果的核壳结构粒子制作。

所述的远红外线放射材料可放射波长4微米以上的光波，长波长容易穿透高能隙的材料，因此以远红外线放射材料为基材，在表面制作可产生负离子与光触媒的材料，形成多机能的粉体粒子。

所述的负离子与光触媒材料为能隙高于3ev的氧化物材料，可使远红外线穿过，因此表面披覆负离子与光触媒材料，不会损失远红外线放射的机能特性。

所述的微波为一种快速加热方法，尤其可设计材料的微波能量吸收率，决定加热范围与加热温度，为选择性加热的有效方法。

所述的远红外线粒子表面披覆层为化学法制作的高微波损失材料，因结晶缺陷多产生微波能量损失高的特性，造成微波能量的高吸收效果，因此相对于远红外线粉体，本发明使用高温合成有完整的晶相，具有相对低的微波能量损失，表面披覆层吸收大部分的微波能量，同时将能量转化成热量形式。

本发明的一优选实施例中，是将固态合成制作的远红外线粉体A，经直径3毫米的钇安定氧化锆磨球研磨，可获得粒径小于100纳米的粉体粒子，其研磨后的远红外线粉体A外观及粒径分布如图1a和图1b所示，其中包括93纳米与109纳米双峰的粒径分布，较细的粉体同时具有近乎圆形的外观。

请参阅图2所示，为使用四丁醇钛为原料，披覆远红外线粒子A1及经500℃的热解后所形成核壳结构粉体的外观示意图，其中为二氧化钛(TiO₂)的光触媒粒子B沉积在远红外线粒子的表面，其粒径为25纳米。

上述经制作的表面披覆光触媒粒子B的核壳结构粉体，具有远红外线放射率89％(4至14μm波长)与光触媒效果，次甲基蓝分解率65％(以254nm紫外线照射两小时)，比未被披覆光触媒的远红外线粉体多一项光触媒作用的机能。

另外该核壳结构粒子可使用微波能量处理，改善壳层机能性粒子的晶相，如图3a、图3b和图3c所示，为将披覆四丁醇钛的远红外线粉体粒子A1分别以不同的微波能量(750W，1000W，1250W)处理后的结果，以藉由能量的增加，使表面析出的二氧化钛粒子粒径增加，其中当能量超过1000W时，因纳米粒子熔融导致远红外线粒子间粘结在一起。

由图3a、图3b和图3c的结果显示，微波能量可以对披覆光触媒的远红外线粒子进行热处理，使用的能量太高时会有表面纳米粒子熔融产生的粉体粒子间粘结现象。不同能量处理的核壳结构粒子，远红外线放射率分别为88％、90％、91％，光触媒效果(次甲基蓝分解率)分别为63％、82％、51％，远红外线放射效果变化不大，光触媒效果则因能量过高产生晶粒成长过大而明显劣化，因此微波能量不宜过高以避免过大的晶粒成长。

又若当以750W的微波功率进行处理时，其测试结果如图4a、图4b和图4c所示，其中使用的处理时间分别为20、30与40秒，且经结果显示粉体粒子外观并无明显差异，只有光触媒粒子B(二氧化钛)的晶相随处理时间增加而改善，测试远红外线放射率无明显变化，但光触媒效果由原来的63％渐增至74％，最后达到89％的高值，显示二氧化钛晶相改善同时无晶粒成直长现象时，可以有效增加光触媒作用的效率。

而当以锌与铝的醇盐为原料时，在远红外线表面进行披覆后，再经1000W/20秒微波能量处理，结果如图5a、图5b和图5c所示，其中显示锌与铝成分的分布区域主要集中于远红外线粒子的表面，且由于披覆浓度与能量相对高，因此得以呈现完整覆盖远红外线粒子表面的效果。

上述披覆锌与铝氧化物的核壳结构粒子F，远红外线放射率仍为89％(4至14微米波长范围)，负离子产生率为1850个/cc(相对湿度65％与25℃测试)，显示披覆锌铝化合物的远红外线粒子，可同时表现远红外线及负离子产生的功能。

另，若使用上述的表面披覆负离子的远红外线粒子(如图5a、图5b和图5c所示)，于其表面喷涂钛得醇盐溶液(四丁醇钛或异丙醇钛)，经750W/20秒微波处理，可在核壳粉体粒子表面产生二氧化钛的粒子，其粒径为23纳米，其制作的核壳结构粒子F如图6所示，其中二氧化钛的光触媒粒子B分散在披覆负离子E的远红外线粒子A1表面，而经测试次甲基蓝分解率为68％，负离子产生率为1920个/cc(相对湿度65％与25℃测试)，A红外线放射率为87％，除原有的远红外线放射与负离子产生外，增加光触媒的作用，为同时具有远红外线放射、负离子产生、光触媒作用的三种机能特性的粉体粒子。

再者，该多机能性粉体粒子以核壳结构配合微波能量处理制作，以Polyacylic acid(PAA)为分散剂，可将核壳结构粉体均匀分散于水中，扩充多机能性粉体粒子的实用性。

综上所述，本发明主要是将机能性材料粒子进行改质形成具有核壳结构的粒子，并适当设计核壳机能的兼容性，使核壳结构粒子产生多机能的特性，而极具产业利用价值。

上述详细说明是针对本发明的一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本发明的保护范围中。

Claims (7)

1、一种核壳结构粉体的制作方法，其使用材料包括远红外线放射材料、负离子与光触媒材料，其中，

所述远红外线放射材料，包含氧化铝、氧化锌、氧化铝与氧化硅氧化物所研制而成的远红外线机能粉体；

所述负离子材料，包含电气石、独居石、粘土、高岭土矿物，再加上碱金属或碱土金属氧化物及碳化物或卤化物研制而成的负离子机能性粉体；

所述光触媒材料，为50纳米以下的二氧化钛或氧化锌粉体；

该制作方法以远红外线机能性粉体为基础，在所述粉体粒子表面以溶液或气相沉积制作不同机能的氧化晶相原料后，再以微波进行加热，形成由纳米粒子所排列组成的表面膜层，并使用上述负离子或光触媒的机能性粉体，分散于水或醇类溶剂所形成的液体，披覆于远红外线粒子表面形成膜层，再以微波能量在粉体表面热分解析出具远红外线放射、负离子、光触媒等效果的核壳结构粒子。

2、如权利要求1所述的方法，其中所述表面膜层制作是使用金属盐类或醇盐的溶液，经喷涂或含浸披覆后，以微波能量进行处理而形成。

3、如权利要求2所述的方法，其中所述微波能量为频率1GHz以上至毫米波，功率100W以上的电磁波。

4、如权利要求3所述的方法，其中所述电磁波的功率为300W至500W。

5、如权利要求1所述的方法，其中所述表面披覆层为具有负离子产生的氧化物或光触媒作用的纳米级氧化物粒子。

6、如权利要求1所述的方法，其中所述核壳结构为远红外线核、负离子壳层，及分散于壳层上的纳米氧化物粒子所形成。

7、如权利要求1所述的方法，其中所述核壳结构粉体为具有包括远红外线放射、负离子产生及光触媒作用的多机能核壳结构粉体。

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