CN201899986U - 纳米粉体材料液相分散装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于分散和破碎液相载体中的纳米粉体材料的装置，包括用于将纳米材料进行增压输送的增压机构，其特征在于：增压机构的物料输出压力在60MPa以上，增压机构的物料输出端与小孔连通，所述的小孔的孔径在0.3mm以下，小孔的前方设置阻挡物料的挡块；物料在经过小孔、挡块的过程中，因所流经的孔腔的尺寸不同，物料会发生压力和流速的突变，导致物料剧烈的湍动呈紊流状，然后呈喷射状冲射到挡块上，此时即使硬团聚的物料也因激烈撞击的作用被分散开来；以上一系列流程中物料急速湍流、高速撞击雾化以及在上述过程中的摩擦和剪切等作用，更好地实现了纳米材料的破碎、乳化、均质分散的效果。

Description

纳米粉体材料液相分散装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于分散和破碎液相载体中的纳米粉体材料的装置。

背景技术

纳米粉体材料也就是尺寸为纳米级的颗粒材料，其通常是纳米级尺寸的颗粒分散在液相载体中形成的混合体系，其应用是当前纳米材料发展应用研究的热点，但是载体中的纳米级尺寸的颗粒物的团聚问题是困扰纳米粉体材料应用和技术升级的瓶颈，常规的纳米粉体材料在液相载体中的分散技术主要有：超声技术、球磨技术、砂磨技术、高剪切技术等。以下做简要介绍：1）高剪切分散乳化机：其核心结构是定子和转子系统，由于转子高速旋转所产生的高切线速度和高频机械效应带来的强劲动能，使物料在定转子狭窄的间隙中受到强烈的机械及液力剪切、离心挤压、液层摩擦等综合作用，从而将纳米材料分散到液相中。2）超声粉碎机；利用超声波发生器产生强超声在液体中产生空化效应用来分散、乳化、匀化固—液相材料。3）砂磨机；利用不锈钢转叶搅拌带动里面的大量小球（小球通常用耐磨材料如氧化锆制成）转动，对固—液相材料起到研磨分散作用。

以上技术只能消除分散浆液中纳米材料的软团聚，也就是因颗粒间的范德华力和库仑力所形成的团聚体，通过一些化学的作用或施加机械能的方式，就可以使其大部分消除。而对于纳米材料硬团聚无能为力，也就是颗粒之间通过化学键力或氢键作用力等强作用力连接形成的团聚体，团聚体内部作用力大，颗粒间结合紧密，不易重新分散，粉体的活性差，烧结性能差，现有技术的分散和粉碎设备是很难起到有效的分散和粉碎效果的。

发明内容

本实用新型的主要目的是提供一种分散和破碎液相载体中的纳米粉体材料的装置，该装置具有更好的分散、破碎效果。

为实现上述发明目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种纳米粉体材料液相分散装置，包括用于将纳米材料进行增压输送的增压机构，其特征在于：增压机构的物料输出压力在60MPa以上，增压机构的物料输出端与小孔连通，所述的小孔的孔径在0.3mm以下，小孔的前方设置阻挡物料的挡块。

由上述技术方案可知：本实用新型的纳米粉体材料液相分散装置是先将纳米粉体物料加压到规定值同时进行输送，加压后的物料经增压机构的出料端进入小孔喷出继而撞击到小孔腔前方的挡块上。在此过程中，增压机构对物料的增压并以较高流速输送，使得物料呈湍流或称紊流状，起到预混和初步分散的效果，然后物料流经小孔时，根据流体力学的伯努利原理，流体沿着一条粗细不同的管道向前运动，较细管径部分流速快、压力小，较粗管径部分流速小、但压力大；因此，物料在进入小孔处获得了更高流速，而在小孔通道出口处获得了更高的压力，而呈喷射状喷出，也就类似于急速紊流或湍流这就起到了极好的破碎和分散物料的作用，极大的提高了流体物料分散均质效果；物料在小孔出口处被高速射出后冲射到挡块上，此时即使硬团聚的物料也因激烈撞击的作用被分散开来；以上一系列流程中物料急速湍流、高速撞击雾化以及在上述过程中的摩擦和剪切等作用，更好地实现了纳米材料的破碎、乳化、均质分散的效果。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是图1中小孔和挡块部位的放大图；

图3是另一种实施方式的小孔和挡块的放大图。

具体实施方式

如图1、2、3所示，一种纳米粉体材料液相分散装置，包括用于将纳米材料进行增压输送的增压机构20，增压机构20的物料输出压力在60MPa以上，最好在60MPa-250MPa之间，增压机构20的物料输出端21与小孔30连通，所述的小孔30的孔径在0.3mm以下，小孔30的前方设置阻挡物料的挡块40。

加压后的纳米材料经增压机构20的出料端21进入小孔30喷出继而撞击到小孔30腔前方的挡块40上。在此过程中，增压机构20对物料的增压并以较高流速输送，使得物料呈湍流或称紊流状，起到预混和初步分散的效果；然后物料流经小孔30时，根据流体力学的伯努利原理，流体沿着一条粗细不同的管道向前运动，较细管径部分流速快、压力小，较粗管径部分流速小、但压力大；因此，物料在进入小孔30处获得了更高流速，而在小孔30出口处获得了更高的压力，而呈喷射状喷出，也就是急速紊流或湍流，起到了极好的破碎和分散物料的作用，极大的提高了流体物料分散均质效果；然后物料在小孔30出口处被高速射出后冲射到挡块40上，此时即使硬团聚的物料也因激烈撞击的作用被分散开来；以上一系列流程中物料急速湍流、高速撞击雾化以及在上述过程中的摩擦和剪切等作用，更好地实现了纳米材料的破碎、乳化、均质分散的效果。

至于要如何形成物料经过的小孔，可以有多种方式，利于在钢板上钻孔形成等，本实用新型优选的是小孔30由超硬板体31上由激光钻孔制成，小孔30的轴芯垂直于板体的板面，超硬板材可以是特种钢或者金刚石，最好是人造金刚石，既能保证硬度和耐磨性，能够经受高压高流速物料的冲刷，同时成本也合理，激光钻孔可以保证孔的精度。所述的小孔30最好是阶梯孔，其入口端尺寸大于出口端尺寸，如图3中所示，这样可以减小由增压机构20到小孔30的压力和流速的突变量，减小对小孔30的孔壁的磨损，进一步提高设备使用寿命。

增压机构20可以是螺杆泵，齿轮泵等可以以较高压力输送物料的设备，最好是柱塞式高压泵，这样可以利用柱塞泵本身的结构自然使得物料的流量和压力长生脉冲和阶跃，利于物料形成湍流和滔动，进一步增强分散效果。泵的输出压力也就是泵所输出的物料的压力大于60MPa是实现发明目的的最低要求压力，当然为了节能和便于设备使用安全，其输出压力最好在250MPa以内，也就是说输出物料的压力在60MPa-250MPa之间，既能保证后续的粉碎效果，又节能环保，降低成本。

挡块40也最好是高硬度的耐磨的材料制成，例如特种钢、金刚石等，本实用新型优选由碳化硅掺杂10%-20%的纳米碳化硅材料制成，最好是由碳化硅掺杂15%的纳米碳化硅材料制成；实践证明其耐撞击和耐磨的性能优良，提高了设备的整体性能。

挡块40必然肯定包括用于阻挡小孔30出口流体的阻挡面41，最好在两者之间设置引流腔41，引流腔42为圆柱形空腔，引流腔42与小孔30同轴地连接在小孔30出口，对于小孔30为等径通孔的结构，所述的引流腔42的径向尺寸大于小孔30的径向尺寸1-5倍，对于小孔30为阶梯孔的结构，相应的就是引流腔42的径向尺寸大于小孔30出口端的径向尺寸1-5倍。这样可以使物料再经历一次压力和流速的变化，提供一个物流紊流、分散、混合的过程，同时引流腔42的尺寸限制在一定范围又便于引导物料完全撞击到阻挡面41上，便于撞击的作用使物料中的团聚完全被破坏和分散，起到更好的分散效果。

至于挡块40的具体结构和形状则可以灵活选择，例如：挡块40上的阻挡面41由锥体43的底面构成，锥体43与引流腔42同轴布置，锥体43外部设置形状与锥体43吻合、尺寸略大于锥体43的外壳44，外壳44与锥体43围合构成密闭的腔室，该腔室位于锥体43底面的中间部位与引流腔42相通、位于锥体43顶部的出料管45与外界连通；如图2所示，这也可以理解为，挡块40包括圆管、锥体43和外壳44，圆管与锥体43同轴布置，圆管的内孔就是引流腔42，物料经小孔30进入引流腔42后撞击到锥体43的底面也就是阻挡面41上，并相锥体43的边缘飞溅分散，然后沿锥体43与外壳44之间的间隙流到外壳44下端的出料管45，后排出设备之外；外壳44与锥体43的间隙可以是锥体43由支杆支撑在外壳44上形成；或者如图2所示，锥体43底部的径向尺寸与外壳44的粗细吻合，锥体43底部边缘抵靠外壳44的内壁，锥体43底部的边缘均匀分布缺口；或者锥体43侧面抵靠在外壳44上，锥体43沿侧面开设有多个导流槽连通出料管45。这样物料在外壳44与锥体43之间流动时，物料必然进一步紊流和分散。

或者挡块40为整体铸造成型的圆柱状，引流腔42沿轴芯设置在挡块40上端，所述的阻挡面41由引流腔42的下端面构成，沿阻挡面41周边设置有四个排液孔46，四个排液孔46沿引流腔42的轴芯对称布置，排液孔46斜向引流腔42前方延伸到挡块40表面。也就是物料由引流腔42撞击到正面的阻挡面41上，在阻挡面形成局部的激烈混乱的流场，但在高压的作用下，物料仍会沿引流腔42下端周侧的四个排液孔46分散流出挡块40之外。这样的结构中排液孔46作为撞击后进一步分散的区域。

本实用新型的具体实施如图1所示，纳米粉体材料，也就是纳米颗粒与液相的混合物盛放在容器10内，容器10下部有管道通入增压机构20，增压机构20由电机12及其所驱动的柱塞式高压泵和适配管道等部件构成，增压后物料的压力由压力表11检测和现实，从容器10而来的物料经增压机构20增压输送到输出端21进入小孔21，在小孔内高速湍流通过进入引流腔42后撞击到阻挡面41上，再沿排液孔46或外壳44与锥体43之间的腔室进一步混合后排出设备之外。所述设备中部件之间的连接可以是胶接或焊接或螺纹连接等公知的技术，这样的纳米粉体材料分散设备结构简单，使用方便，能够将纳米材料颗粒均匀地分散到液相载体中。

利用本实用新型的装置将用超声设备初步分散后的纳米材料进行分散，其分散前后分别用激光粒度仪检测材料的粒径参数，检测所得的数据如下表所示：

样品	分散前平均粒径/nm	分散后平均粒径/nm
			纳米氮化钛在乙二醇中的分散	150	53
纳米碳化镐在乙醇中的分散	189	32
			纳米碳化硅在环己酮中的分散	256	78

由上表所示，对于三种不同的纳米材料料，本实用新型的设备都能起到良好的粉碎和分散效果，分散后纳米材料颗粒的平均粒径都在100纳米以内，符合质量要求。

Claims (8)

1.一种纳米粉体材料液相分散装置，包括用于将纳米材料进行增压输送的增压机构(20)，其特征在于：增压机构(20)的物料输出压力在60MPa以上，增压机构(20)的物料输出端(21)与小孔(30)连通，所述的小孔(30)的孔径在0.3mm以下，小孔(30)的前方设置阻挡物料的挡块(40)。

2.根据权利要求1所述的一种纳米粉体材料液相分散装置，其特征在于：所述的小孔(30)由超硬板体(31)上由激光钻孔制成，小孔(30)的轴芯垂直于板体的板面。

3.根据权利要求1所述的一种纳米粉体材料液相分散装置，其特征在于：所述的挡块(40)包括阻挡面(41)和位于阻挡面(41)与小孔(30)之间的引流腔(42)，引流腔(42)为圆柱形空腔，引流腔(42)与小孔(30)同轴地连接在小孔(30)出口，所述的引流腔(42)的径向尺寸大于小孔(30)的径向尺寸1-5倍。

4.根据权利要求1所述的一种纳米粉体材料液相分散装置，其特征在于：所述的增压机构(20)为柱塞式高压泵；其所输出物料的压力在60MPa-250MPa之间。

5.根据权利要求2所述的一种纳米粉体材料液相分散装置，其特征在于：所述的超硬板体(31)由人造金刚石材料制成。

6.根据权利要求3所述的一种纳米粉体材料液相分散装置，其特征在于：所述的挡块(40)上的阻挡面(41)由锥体(43)的底面构成，锥体(43)与引流腔(42)同轴布置，锥体(43)外部设置形状与锥体(43)吻合、尺寸略大于锥体(43)的外壳(44)，外壳(44)与锥体(43)围合构成密闭的腔室，该腔室位于锥体(43)底面的中间部位与引流腔(42)相通、位于锥体(43)顶部的出料管(45)与外界连通。

7.根据权利要求3所述的一种纳米粉体材料液相分散装置，其特征在于：所述的挡块(40)为整体铸造成型的圆柱状，引流腔(42)沿轴芯设置在挡块(40)上端，所述的阻挡面(41)由引流腔(42)的下 端面构成，沿阻挡面(41)周边设置有四个排液孔(46)，四个排液孔(46)沿引流腔(42)的轴芯对称布置，排液孔(46)斜向引流腔(42)前方延伸到挡块(40)表面。

8.根据权利要求6或7所述的一种纳米粉体材料液相分散装置，其特征在于：所述的小孔(30)为阶梯孔，其入口端尺寸大于出口端尺寸，所述的引流腔(42)的径向尺寸大于小孔(30)出口端的径向尺寸1-5倍。 

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