CN204093387U - 浆化器及包括其的纳米金属氧化物粉体的生产设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型是有关于一种浆化器及包括其的纳米金属氧化物粉体的生产设备，该浆化器用于胶体浆化，其特征在于该浆化器上方设有进料口；浆化器包括搅拌筒和浆化槽，搅拌筒包括搅拌器和多个破碎装置，搅拌器包括搅拌轴和多个搅拌桨，多个搅拌桨沿轴向设于搅拌轴上，每两个搅拌桨之间设有破碎装置，破碎装置穿过搅拌轴且固接浆化器的内壁；浆化槽与搅拌筒连通并位于其下方，内设有多组螺杆，用以进一步挤压破碎物料；浆化槽的槽壁上设有多个孔，供浆料流出。采用本实用新型可实现胶体的快速干燥；借由燃烧室高温区均布的气孔引入氧气，可以让物料在燃烧室内充分反应燃烧，降低了能耗，同时免去了胶体水洗抽滤环节；制备的纳米金属氧化物粉体性能优异。

Description

浆化器及包括其的纳米金属氧化物粉体的生产设备

技术领域

本实用新型涉及纳米粉体材料设备领域，特别是涉及一种用于胶体浆化的浆化器及纳米金属氧化物粉体的生产设备。

背景技术

纳米金属氧化物粉体材料是当前固体物理、材料化学、生物医学中十分活跃的研究领域。纳米粉体的颗粒尺寸为纳米量级(1～100nm)的超细微粒，当粉体颗粒的尺寸进入纳米量级时，其自身就会产生量子尺寸效应、界面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，因而纳米金属氧化物粉体材料在化工催化、电子陶瓷、生物医学、磁学等领域有广阔的应用前景。

随着对纳米微粒和纳米材料研究的不断深入，制备纳米金属氧化物粉体材料的新方法越来越多，概括起来可分为三大类：固相法、液相法和气相法。其中液相法的制备形式多样，操作简单，而且通过反应原料的液相混合使各金属元素高度分散，可在较低的反应温度和较温和的化学环境下制备纳米粉体材料，主要方法有微乳液法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法等。

微乳液法是多种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子的方法。微乳液一般由四种组份组成，即表面活性剂、助表面活性剂(一般为脂肪醇)、有机溶剂(一般为烷烃或环烷烃)和水，与热力学不稳定的普通乳状液相比，它是一种热力学稳定的分散系。油包水型(W/O)微乳液其反相胶束中以水池为纳米级空间，以次空间为反应器，可制备1～100nm的纳米微粒，称为反相胶束微反应器。该方法制得的颗粒为球形，在超细粉体尤其是纳米粉体的制备方面有其他化学方法无可比拟的优点，但同时存在生产过程复杂，成本较高的缺点。

溶胶-凝胶法提供了一种低温合成无机和有机材料的方法，广泛应用于纳米金属氧化物粉体的制备。该方法的前驱物用金属醇盐或非金醇盐均可，这种方法实际是前驱物在一定条件下水解成溶胶，再制成凝胶，经干燥，将凝胶在严格条件下热处理后制得纳米粉体。该方法可以降低合成温度，而且在前驱物的溶液中，以醇盐或其它盐的形式引入多种金属离子，可以制备复合金属氧化物。例如，采用Sol-gel方法制备M型六角锶铁氧体，纳米二氧化钛，粒径小于15nm的BaTiO₃，粒径小于100nm的PbTiO₃，粒径在80～300nm的Al₂TiO₅等。该方法缺点有生产能力小、原料成本高且对健康有害，处理过程的时间较长，凝胶形成及过滤、洗涤过程不易控制，粉体产率低、团聚严重、杂质难于清除，不利于该方法的工业化生产。

共沉淀法是液相化学反应合成金属氧化物纳米粉体最早采用的方法，是在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂，使金属离子完全沉淀的方法。该方法成本较低，生成的粉末具有较高的化学均匀性，粒度较细.颗粒尺寸分布较窄且具有一定形貌。但是沉淀物通常为胶状物，水洗，过滤较困难；沉淀剂作为杂质易混入；水洗时部分沉淀物发生溶解。因此这种方法适用面较窄。共沉淀法可制备BaTiO₃、PbTiO₃、ZrO₂粉体。以CrO₂为晶种的草酸沉淀法，制备了La、Ca、Co、Cr掺杂氧化物。

水热法是指在高压釜里的高温高压反应体系中，以水作为反应介质，使得难溶或不溶的物质溶解，反应可进行重结晶。例如，可以把一定比例的铁盐和钴盐，在少量酸存在下溶解成溶液，用氢氧化钠溶液作矿化剂并调整溶液pH为所需值。将胶体或胶状的前驱物装入高压釜中，填充度为50％，开启搅拌器，通入压缩空气，在一定温度和压强下反应，产物经过滤，洗涤，干燥后压片，在773～873K烧结，得纳米粉体CoxFe₃-XO₄。利用金属Ti粉能溶解于H₂O₂的碱性溶液生成Ti的过氧化物溶剂(TiO₄)的性质，在不同的介质中进行水热处理。制备出不同晶形，九种形状的TiO₄纳米粉。这种方法的缺点是设备复杂昂贵，反应周期长，条件较苛刻，难于实现大规模工业化生产。

发明内容

本发明人通过不断研究和摸索，完善和发展出了一种新的方法——胶体雾化燃烧法，该方法是以可溶性金属盐为原料，配置水溶液，溶液转化为胶体，胶体无需洗涤过滤，并且能快速干燥，在较低的温度下获得纳米粉体，该方法可制备单一和多元粉体，粉体具有粒径小、分布窄、分散性好、成分均匀等优点。

具体而言，该方法为：

(1)配置溶液：将可溶性金属盐溶入水中，配置成单一或多元金属离子溶液。待溶液完全溶解后，将多元羧酸络合剂加入配置好的金属离子溶液中，调节pH值；

(2)酯化制胶：向步骤(1)溶液中加入多元醇交联剂，再将溶液放入水浴加热，在一定条件下发生酯化反应，形成透明胶体；

(3)破碎干燥：将步骤(2)得到的胶体和分散剂进行浆化，得到能通过压力泵输送的浆料；将浆料进行雾化、干燥；

(4)加氧燃烧：将步骤(3)得到的干燥物料在氧气作用下充分燃烧，得到纳米金属氧化物粉体；

(5)制备粉体：将步骤(4)制备的金属氧化物纳米粉体由料桶收集。

其中，步骤(1)和(2)也可以合并以下步骤：将可溶性金属盐溶于水，配成单一或多元金属离子溶液，将多元羧酸络合剂和多元醇交联剂加入该溶液中，调节pH值，水浴加热，发生酯化反应，形成透明胶体。

在步骤(1)中，所述的原料为所有可溶性金属盐，包括金属无机和有机盐；所述的络合剂为多元羧酸，包括乙二胺四乙酸、柠檬酸、甘氨酸、酒石酸、氨基酸、草酸、苹果酸、氨基三乙酸、二羟乙基甘氨酸等；所述的pH值调节剂为氨水、碳酸铵、尿素等碱性物质；所述的pH值调节范围为3～10。

在步骤(2)中，所述的交联剂为多元醇，包括乙二醇、丙二醇、丁二醇、丙三醇、季戊四醇等；所述的酯化反应温度为60～90℃，反应时间为0.5～2h。

在步骤(3)中，所述的分散剂为白油、酒精、煤油、聚乙二醇等中的一种或多种混合物；所述的胶体和分散剂的体积比为100：1～10。

依托于以上方法，本发明人创新地设计了一种用于胶体物料的浆化器及包括其的纳米金属氧化物粉体的生产设备，用于以上步骤(3)和(4)中。

本实用新型的浆化器，用于胶体浆化，该浆化器上方设有进料口；浆化器包括搅拌筒和浆化槽，搅拌筒包括搅拌器和多个破碎装置，搅拌器包括搅拌轴和多个搅拌桨，多个搅拌桨沿轴向设于搅拌轴上，每两个搅拌桨之间设有破碎装置，破碎装置穿过搅拌轴且固接浆化器的内壁；浆化槽与搅拌筒连通并位于其下方，内设有多组螺杆，用以进一步挤压破碎物料；浆化槽的槽壁上设有多个孔，供浆料流出。

较佳的，所述破碎装置为刀网或丝网。

较佳的，所述刀网是由多个刀片沿两个或以上方向交错排列组装而成；所述丝网的材质为铁、铜、铝或不锈钢；网孔尺寸为0.1～20mm。

较佳的，所述多个搅拌桨沿轴向等间距设于该搅拌轴上。

所述多组螺杆以两两间间隙小至不影响两两间转动的方式设置。

所述浆化槽为锥形结构，所述浆化槽的槽壁上均布多个孔，且孔径为0.1～3mm，孔间距为0.1～100mm。

本实用新型另外提供的一种纳米金属氧化物粉体的生产设备，其包括前述的浆化器。

较佳的，该生产设备还包括雾化器、干燥塔、燃烧室、旋风分离器和尾气处理器；雾化器位于干燥塔上方，燃烧室位于干燥塔下方，且雾化器与干燥塔上方连通，燃烧室与干燥塔下方连通；浆化器下端与雾化器顶端连接，燃烧室下部设有第一料桶，燃烧室一侧部借由管道连接旋风分离器的进气口，旋风分离器的出气口连接尾气处理器，且旋风分离器的下端设有第二料桶；雾化器具有高压空气进气口、干燥塔具有高温空气进气口、燃烧室具有氧气进气口；其中，燃烧室包括加热区和高温区，加热区内装发热电阻丝，高温区陶瓷壁圆周均布有气孔。

较佳的，所述浆化器与雾化器之间设有泵；与雾化器的高压空气进气口、干燥塔的高温空气进气口及/或燃烧室的氧气进气口连接的管道上还设有空气净化器和泵，另外，与干燥塔的高温空气进气口连接的管道上、空气净化器之后还设有加热器。

所述的浆化器由搅拌筒和浆化槽两部分组成。搅拌筒的作用是通过搅拌器搅拌和推动胶体通过破碎装置(例如刀网、丝网)使其破碎，同时使破碎的胶体与分散剂混合均匀，混合好的物料由出料口进入浆化槽；浆化槽的作用是使进入的物料在多组挤压螺杆的作用下进一步破碎，最后从锥形槽壁孔排出，锥形槽壁为孔径0.1～3mm孔板制成，可保证浆化后的物料直径小于3mm。浆化器材质为不锈钢，与物料接触表面均衬聚四氟乙烯。

在步骤(3)中，所述的浆料由压力泵输送至雾化器；所述的雾化器为高压空气雾化器；所述的高压空气为冷空气，压力为1～10MPa；所述的干燥塔由高温空气加热，温度控制在200～350℃；干燥时间为0.1～30s。

在步骤(4)中，干燥物料的燃烧是在燃烧室中进行的，该燃烧室包括加热区和高温区，干燥物料进入燃烧室的加热区后被迅速引燃，在高温区，在氧气的作用下充分燃烧反应。更佳的，所述的加热区温度为400～800℃；所述的氧气由高温区壁气孔导入，氧气压力1.6～3.0MPa；所述的高温区工作时的温度最高可达1200℃。

更佳的，所述的燃烧室主体为耐高温陶瓷，外壳由碳钢制成，以支撑整个炉体。加热区内装发热电阻丝；高温区陶瓷壁圆周均布有直径5mm的气孔，通过1.6～3.0MPa的压力导入氧气，进入高温区的物料在氧气作用下剧烈燃烧，温度最高可达1200℃。燃烧室中陶瓷结构件由承受1200℃以上高温的材料制成，如氧化锆、石英砂等。

胶体具有很强的吸水性，并且不耐高温，因此胶体的干燥一般在低温下长时间保温。要提高胶体的干燥速度，就需要将胶体破碎成更小的颗粒。为了将胶体破碎成细小颗粒，就需要采取特殊的方法。我们利用浆化器将掺入分散剂的胶体破碎成可流动的浆料，该浆料中胶体的尺寸在3mm以下。该浆化器由搅拌筒和浆化槽两部分组成，搅拌筒通过搅拌器搅拌和推动胶体通过破碎装置使其破碎，同时使破碎的胶体与分散剂混合均匀，再由出料口将物料送入浆化槽，进入浆化槽的物料在多组螺杆的作用下进一步破碎，最后浆料从锥形槽壁孔排出。

雾化器利用高压空气将破碎后的浆料打散，雾化分散成单独的细小颗粒，而雾化后的物料需要通过高温空气加热干燥，此时如直接采用高温高压空气雾化，虽然免去了空气接入的麻烦，但会导致浆料中的分散剂在浆料雾化分散前挥发，造成胶料中胶体颗粒接触粘联，不利于分散，同时高温会提高胶体本身的粘度，使粘联更严重。因此只能分别采用高压冷空气实施雾化，高温空气导入干燥塔实施干燥的方法。

燃烧室外壳为钢材，内衬陶瓷，由上而下依次是入料口、加热区、高温区和出料口。入料口连接干燥塔，加热区内有发热体，可加热至800℃，高温区陶瓷壁圆周均布气孔，当干物料通过入料口进入加热区后，由于温度远超其燃点，便会立即燃烧，当在高温区遇到气孔排出的氧气时更会剧烈燃烧，使高温区温度升至1000℃以上，足以保证物料中的有机物和金属盐完全反应，从而实现在较低的温度下便可获得纳米粉体。

本实用新型的优点在于：采用本实用新型的浆化器及纳米金属氧化物粉体的生产设备可实现胶体的快速干燥；借由燃烧室高温区均布的气孔引入氧气，可以让物料在燃烧室内充分反应燃烧，降低了能耗，同时利用其氧化性使物料中非金属物质全部转化为气体排出，免去了胶体水洗抽滤环节；制备的纳米金属氧化物粉体具有粒径小、分布窄、分散性好、成分均匀等优点。

附图说明

图1为本实用新型一实施例中浆化器的结构示意图。

图2为本实用新型一实施例中纳米金属氧化物粉体的生产设备的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的浆化器及包括其的纳米金属氧化物粉体的生产设备其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1所示，为本实用新型一实施例中浆化器的结构示意图，浆化器是用于将胶体物料浆化的装置，浆化器1上方设有进料口10，供胶体物料进入；浆化器1包括搅拌筒11和浆化槽12，搅拌筒11包括搅拌器111和多个刀网112，搅拌器111包括搅拌轴1111和多个搅拌桨1112，多个搅拌桨1112沿轴向等间距设于搅拌轴1111上，每两个搅拌桨1112之间设有刀网112，刀网112穿过搅拌轴1111且固接浆化器1的内壁；刀网112是由多个刀片组装而成，其沿两个或以上方向交错排列组装，网孔尺寸0.1～20mm；搅拌桨1112和刀网112的数量及刀网的排列组装方式、网孔尺寸可根据实际生产情况灵活选择设置；在本实施例中，搅拌器111具有4个搅拌桨1112,每两个搅拌桨1112之间设有刀网112，共设置三个刀网112。

浆化槽12与搅拌筒11连通并位于其下方，内设有多组螺杆121，其组数和设置方式可根据实际生产情况灵活选择，较佳的，其设置方式为以两两间间隙小至不影响两两间转动的方式设置，在本实施例中，设有三组螺杆121；浆化槽12的槽壁上设有多个孔，孔间距为0.1～100mm(图未示)；本实施例中，浆化槽12为锥形结构，其锥形槽壁为孔径0.1～3mm孔板制成，可保证浆化后的物料直径小于3mm。

搅拌筒11的作用是通过搅拌器111搅拌和推动胶体物料通过刀网112使其破碎，破碎的物料由搅拌筒11下方的出料口进入浆化槽12；浆化槽12的作用是使进入的物料在多组螺杆121的作用下进一步破碎，最后从锥形槽壁孔排出。另外，浆化器材质为不锈钢，与物料接触表面均衬聚四氟乙烯。

在其他实施例中，上述刀网112也可由丝网代替，该丝网即为由多根铁(也可为本领域技术人员知晓的其他材质，例如铜、铝、不锈钢等)丝交织而成。

请参阅图2所示，为本实用新型一实施例中纳米金属氧化物粉体的生产设备的结构示意图，包括浆化器1、雾化器2、干燥塔3、燃烧室4、旋风分离器5和空气净化器6；雾化器2位于干燥塔3上方，燃烧室4位于干燥塔3下方，且雾化器2与干燥塔3上方连通，燃烧室4与干燥塔下方连通；浆化器1下端与雾化器2顶端连接，燃烧室4下部设有第一料桶81，燃烧室4一侧部借由管道连接旋风分离器5的进气口51，旋风分离器5的出气口连接空气净化器6，且旋风分离器5的下端设有第二料桶82；雾化器2具有高压空气进气口21、干燥塔3具有高温空气进气口31、燃烧室4具有氧气进气口41。为输送物料，浆化器1与雾化器2之间设有泵7。

较佳的，与雾化器2的高压空气进气口21、干燥塔3的高温空气进气口31及/或燃烧室4的氧气进气口连接的管道上还设有空气净化器和泵(图未示)，另外，与干燥塔3的高温空气进气口31连接的管道上、空气净化器之后还设有加热器(图未示)，用于加热空气。

燃烧室4包括加热区和高温区(图未示)，加热区内装发热电阻丝；高温区陶瓷壁圆周均布有直径5mm的气孔，供氧气进入。

燃烧室外壳为钢材，内衬陶瓷，加热区可加热至800℃，高温区陶瓷壁圆周均布气孔，当干物料通过入料口进入加热区后，由于温度远超其燃点，便会立即燃烧，当在高温区遇到气孔排出的氧气时更会剧烈燃烧，使高温区温度升至1000℃以上，足以保证物料中的有机物和金属盐完全反应。产生的纳米金属氧化物粉体大部分进入料桶，少量随空气进入旋风分离器。

下面结合一具体的生产实例对以上设备的工作原理予以进一步说明。

以制备纳米氧化锡粉体为例，具体如下：

(1)配置溶液：将四氯化锡溶入水中，配置成水溶液。待溶液完全溶解后，将柠檬酸加入配置好的金属离子溶液中，氨水调节pH值至4。

(2)酯化制胶：向步骤(1)溶液中加入乙二醇，再将溶液放入水浴加热至80℃，在1h后发生酯化反应，形成透明胶体。

(3)破碎干燥：将步骤(2)得到的胶体和分散剂白油按体积比100:6经由浆化器1的进料口10加入浆化器1的搅拌筒11中，通过搅拌器111搅拌和推动胶体通过刀网112使其破碎，同时破碎的胶体与分散剂白油混合均匀，混合好的物料由搅拌筒11下方的出料口进入浆化槽12；于浆化槽12中，物料受多组螺杆121的挤压而进一步破碎，最后从浆化槽壁孔排出，孔径设为0.1～3mm，可保证浆化后的物料直径小于3mm。

将从浆化槽排出的浆料由高压泵7输送至雾化器2，利用8MPa的高压空气雾化，雾化后的物料在干燥塔3中快速干燥，此时干燥塔中高温气体为300℃。

(4)加氧燃烧：干物料进入燃烧室4温度为500℃的加热区后开始燃烧，在氧气的作用下充分燃烧反应，使高温区处于较高温度约1000℃。高温下的物料完全分解，其中锡元素与氧结合生成纳米氧化锡颗粒，其它物质则转化为气体由尾气处理器6完全吸收。

(5)制备粉体：步骤(4)制备的氧化锡纳米粉体由第一料桶81收集，燃烧后的气体掺杂固体颗粒经由燃烧室侧部的出口进入旋风分离器5，在旋风分离器5内实现气、固分离，分离后的纳米氧化锡颗粒由第二料桶82收集，分离后的气体经尾气处理器6处理后由排风机9排出。

需说明的是，本实用新型的浆化器不限于应用于纳米金属氧化物粉体的制备，也可以应用到其他需要对物料进行浆化的生产中。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种浆化器，用于胶体浆化，其特征在于该浆化器上方设有进料口；浆化器包括搅拌筒和浆化槽，搅拌筒包括搅拌器和多个破碎装置，搅拌器包括搅拌轴和多个搅拌桨，多个搅拌桨沿轴向设于搅拌轴上，每两个搅拌桨之间设有破碎装置，破碎装置穿过搅拌轴且固接浆化器的内壁；浆化槽与搅拌筒连通并位于其下方，内设有多组螺杆，用以进一步挤压破碎物料；浆化槽的槽壁上设有多个孔，供浆料流出。

2.如权利要求1所述的浆化器，其特征在于所述破碎装置为刀网或丝网。

3.如权利要求2所述的浆化器，其特征在于所述刀网是由多个刀片沿两个或以上方向交错排列组装而成；所述丝网的材质为铁、铜、铝或不锈钢；网孔尺寸0.1～20mm。

4.如权利要求1所述的浆化器，其特征在于所述多个搅拌桨沿轴向等间距设于该搅拌轴上。

5.如权利要求1所述的浆化器，其特征在于所述搅拌桨的数量为四，刀网的数量为三，螺杆为三组。

6.如权利要求1所述浆化器，其特征在于所述多组螺杆以两两间间隙小至不影响两两间转动的方式设置。

7.如权利要求1所述的浆化器，其特征在于所述浆化槽为锥形结构，所述浆化槽的槽壁上均布多个孔，且孔径为0.1～3mm，孔间距为0.1～100mm。

8.一种纳米金属氧化物粉体的生产设备，其特征在于包括权利要求1-7任一项所述的浆化器。

9.如权利要求8所述的纳米金属氧化物粉体的生产设备，其特征在于还包括雾化器、干燥塔、燃烧室、旋风分离器和尾气处理器；雾化器位于干燥塔上方，燃烧室位于干燥塔下方，且雾化器与干燥塔上方连通，燃烧室与干燥塔下方连通；浆化器下端与雾化器顶端连接，燃烧室下部设有第一料桶，燃烧室一侧部借由管道连接旋风分离器的进气口，旋风分离器的出气口连接尾气处理器，且旋风分离器的下端设有第二料桶；雾化器具有高压空气进气口、干燥塔具有高温空气进气口、燃烧室具有氧气进气口；其中，燃烧室包括加热区和高温区，加热区内装发热电阻丝，高温区陶瓷壁圆周均布有气孔。

10.如权利要求9所述的纳米金属氧化物粉体的生产设备，其特征在于所述浆化器与雾化器之间设有泵；与雾化器的高压空气进气口、干燥塔的高温空气进气口及/或燃烧室的氧气进气口连接的管道上还设有空气净化器和泵，另外，与干燥塔的高温空气进气口连接的管道上、空气净化器之后还设有加热器。