CN208912059U - 一种微纳米材料制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种微纳米材料制备装置，包括反应釜、搅拌器、加料口、冷凝管、蠕动泵和主控制器，蠕动泵与主控制器电性连接，蠕动泵的软管与反应釜内部相连通，用于酸碱液的泵送，以调节反应釜内反应物料的pH值；反应釜内还设有超声探头、温度传感器、pH电极和电导传感器，分别与主控制器电性连接，主控制器分别对反应釜内的超声发生、温度、pH值和电导率进行监测和控制。本实用新型操作方便、自动化程度较高，通过采用对混合料进行可控的超声加搅拌混合、自动控制调整pH值、实时测量电导率的设计，使得混合料入釜混合速度快、分散能力好，pH值控制精确，产物颗粒均匀度好、球形度好，提高了合成微纳米材料的可控性。

Description

一种微纳米材料制备装置

技术领域

本实用新型涉及微纳米材料技术领域，具体涉及一种微纳米材料制备装置。

背景技术

纳米材料在半导体行业、精密制造业、能源、化工、环境、医药、国防安全等领域发挥着重要作用。微纳米材料的形貌和粒度尺寸在涂料、催化剂、材料、医药等领域对材料性能和品质具有重要影响。形状规范、粒度均一的微球等形貌纳米材料和核壳结构纳米材料应用广泛，是纳米材料合成的热点和难点之一。

形状规范、粒度均一的纳米材料具有广泛应用。如单分散二氧化硅由于其粒度均一、稳定性好等特点在橡胶、涂料、催化剂、色谱柱填料、生物、药物和化妆品、标准计量、自组装光子晶体等方面应用广泛。单分散二氧化硅微球采用法、溶胶种子法、微乳液法等方法制备。单分散聚合物微球作为功能性高分子材料在分析化学、标准计量、自组装光子晶体等方面应用广泛。单分散聚苯乙烯(PS)、交联聚苯乙烯等采用乳液聚合法、无皂乳液聚合法、悬浮聚合法、分散聚合法、种子聚合法。单分散微球等材料对形貌规整、粒度尺寸均一和单分散性的高要求使对制备条件的控制和制备装置要求更高。

为确保纳米材料产品质量的控制，微纳米粒度标准物质是纳米粒度测量标准化过程中的重要一环。在国际上,通常将粒度标准物质分为单分散和多分散两种类型。单分散通常是指粒径分布的几何标准偏差小于1.2％。目前,用于制备单分散球形颗粒的材质主要有聚苯乙烯、交联聚苯乙烯(苯乙烯-二乙烯苯共聚物PSDVB)等。微纳米粒度标准物质的制备对制备条件的控制和制备装置要求更高。

在微纳米材料的制备过程中在酸度条件、原料的加液速率和给料速率、搅拌速率等都对纳米粒子的形貌、尺寸和质量品质有重要影响，一般常采用多个工序多步制备，设备数量较多，使用多个独立的设备和人工操作控制调整反应条件，制备不同形貌和尺寸的纳米粒子，自动化程度低。现有的微纳米材料的制备装置在生产过程中工序比较多，制备条件不易精准控制，容易搅拌不均分散性不好和产生团聚，耗费人力易产生人为误差，制备过程中产生的污染易影响操作人的健康；制备出来的微纳米材料易颗粒大小不均匀，球形度差，使用具有局限性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述背景技术中存在的不足，提供一种新型的微纳米材料制备装置，通过超声加搅拌、自动控制调整pH值、实时测量电导率的设计，实时自动取样监测，提高了合成微纳米材料的可控性。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种微纳米材料制备装置，包括反应釜、搅拌器、加料口、带收集瓶的冷凝管、蠕动泵和主控制器，所述加料口和冷凝管设置在所述反应釜上方，分别用于反应物料的加入和产物蒸馏出的液体收集，所述搅拌器的搅拌桨深入所述反应釜中，用于反应物料的搅拌，所述蠕动泵与所述主控制器电性连接，所述蠕动泵通过软管与所述反应釜内部相连通，用于酸碱液的泵送，以调节所述反应釜内反应物料的pH值；

所述反应釜内还设有对反应物料进行清洗和分散的超声探头、监测反应物料温度的温度传感器、监测反应物料pH值的pH电极和监测反应进度的电导传感器，所述超声探头、温度传感器、pH电极和电导传感器分别与所述主控制器电性连接，所述主控制器分别对所述反应釜内的超声发生、温度、pH值和电导率进行监测和控制。

所述反应釜包括釜体、釜盖和釜底，所述釜体与釜盖之间、釜体与釜底之间可拆卸固定密封连接，所述釜盖上分别设有加料口、进液口、安装口、超声探头口、温度传感器口、pH电极口、电导传感器口和进气口，其中所述安装口设置在所述釜盖的中心处，所述进液口经软管与所述蠕动泵相连接，所述超声探头、温度传感器、pH电极和电导传感器分别可拆卸的安装在所述釜盖的超声探头口、温度传感器口、pH电极口和电导传感器口上，所述搅拌器安装在所述釜盖的安装口处，所述进气口通过软管与设置在所述反应釜外的气罐相连通。

在所述釜盖的上表面对应着所述加料口处设有加料管，在所述加料管上设有加料装置，所述加料装置与所述主控制器电性连接，所述主控制器对所述加料装置对所述反应釜的自动加料动作进行监测和控制。

当所加物料为液体时，所述加料装置可根据应用及反应釜操作压力选配常压蠕动泵、高压活塞泵、常压/高压注射泵、高效液相泵、大体积高压泵、高压挥发性液体泵中的一种；所述加料装置可以是一个或多个设备，可实现多路加液，通过所述主控制器控制多路不同液体按一定比例速率加液；当所加物料为固体时，所述加料装置可选用全自动螺旋饲喂器固体加料系统。

所述主控制器内设有超声控制器、温度控制器、pH值显示仪、电导控制器、蠕动泵调节器和自动加料控制器，所述超声探头与所述超声控制器电性连接，所述温度传感器与所述温度控制器电性连接，所述电导传感器与所述电导控制器电性连接，所述pH电极与所述pH值显示仪电性连接，且所述pH值显示仪与所述蠕动泵调节器电性连接，将所述pH值显示仪上的pH值信息传递给所述蠕动泵调节器，所述蠕动泵与所述蠕动泵调节器电性连接，所述加料装置与所述自动加料控制器电性连接。

在所述釜盖上还设有取样口，在所述取样口处设有取样管，在所述取样管上设有具有负压抽取功能的取样泵，所述取样泵与所述主控制器电性连接，所述主控制器可按照设定的时间间隔自动控制所述取样泵提取反应产物。

所述主控制器内还设有取样控制器，所述取样泵与所述取样控制器，用于按照设定的时间间隔自动控制所述取样泵提取反应产物。

所述取样管包括设置在所述釜体内的取样内管，所述取样内管为可伸缩管，取样时伸长，不取样时收缩。

在所述釜盖上还设有冷凝管口，所述冷凝管可拆卸的安装在所述釜盖的冷凝管口上，用于加热反应时溶剂的冷凝和减压蒸馏时反应产物蒸馏出的液体收集。

所述蠕动泵包括第一蠕动泵和第二蠕动泵，所述进液口包括第一进液口和第二进液口，所述第一蠕动泵上设有酸液罐，所述第二蠕动泵上设有碱液罐，所述酸液罐中的液体通过所述蠕动泵调节器的调节经所述第一蠕动泵泵送后由所述第一进液口进入所述反应釜，所述碱液罐中的液体通过所述蠕动泵调节器的调节经所述第二蠕动泵泵送后由所述第二进液口进入所述反应釜，以此来调节所述反应釜内反应物料的pH值。

所述搅拌器包括搅拌桨、驱动轴和驱动电机，所述驱动轴的上部与所述驱动电机驱动连接，其下部与所述搅拌桨固定连接，所述搅拌桨伸入到所述釜体内，所述驱动电机置于所述反应釜上端并通过一铁架台固定。

所述反应釜的釜体为双层中空夹套结构，其双层中空夹套结构连有或内设恒温浴装置，用来控制所述釜体内反应物料的温度。

所述恒温浴装置为恒温水浴或恒温油浴。

所述加料口、第一进液口、第二进液口、超声探头口、温度传感器口、pH电极口、电导传感器口、进气口、取样口和冷凝管口均设置在以所述釜盖的中心点为圆心的圆上；以上各接口采用螺纹接口，螺纹末端均设有密封构件O型圈，可以工作在正压及真空状态下，也可使用压滤以及抽滤；密封构件O型圈由弹性材料制成，优选特氟龙、环氧树脂或聚氨酯，安装在接口处；另外，也可视反应体系压力要求仅在接口处使用密封构件O型圈实现密封。

在所述釜底内侧上方设有一可拆卸的滤网结构，用于反应后产物粒子的直接过滤洗涤。

所述滤网结构包括滤网/滤膜和托盘，所述托盘对滤网/滤膜稳定承托，设备能承受一定反应液压力过滤时不会有液体渗漏现象；滤网/滤膜的孔径可根据反应液和纳米粒子的粒径进行选择。

所述反应釜的内壁表面粗糙度小于等于0.4a，以防止内壁吸附粘连和聚集，便于清洗。

所述反应釜可通过超声探头进行反应釜内壁的超声清洗。所述反应釜为不锈钢反应釜、玻璃反应釜和PVC反应釜中的一种。

所述釜底的下端底部还设有出料口，所述冷凝管的下端及出料口分别通过软管与一溶剂回收装置一端相连接，所述溶剂回收装置的另一端通过软管与所述加料装置相连接，用于物料的二次利用。

所述溶剂回收装置由溶剂回收容器和真空泵组成，通过抽真空可实现反应釜的真空抽滤，溶剂暂存到溶剂回收装置中，也可将冷凝管收集瓶中的液体吸入溶剂回收装置中。

所述进气口、进液口外侧的软管，所述加料口外侧的加料管，所述取样口外侧的取样管上还分别设有控制阀，用于防止物料逆流。

所述反应釜外设有带可视窗的防护隔音罩，在所述防护隔音罩上装有照明装置和摄像头，所述摄像头可手机无线和蓝牙控制。

所述主控制器上设有无线控制开关，可对主控制器进行无线控制。

本实用新型专利技术方案具有如下优点：

A.本实用新型操作方便、自动化程度较高，通过采用对混合料进行可控的超声加搅拌混合、自动控制调整pH值、实时测量电导率的设计，使得混合料入釜混合速度快、分散能力好，pH值控制精确，产物颗粒均匀度好、球形度好，提高了合成微纳米材料的可控性。

B.本实用新型通过在釜盖上设取样口，取样管上设具有负压抽取功能的取样泵，同时取样泵与主控制器上的取样控制器相连接，可按照设定的时间间隔自动提取反应产物，取样以用于过程分析，实时监测产物粒径大小。

C.本实用新型通过在冷凝管的下端及出料口分别通过软管与一溶剂回收装置一端相连接，溶剂回收装置的另一端通过软管与蠕动泵相连接，回收后的溶剂通过蠕动泵控制的软管加入到反应釜中，实现物料的重复利用，在降低环境污染的同时减少资源的浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型微纳米材料制备装置结构示意图；

图2为图1中釜盖的俯视结构示意图；

图3为本实用新型中主控制器的控制原理示意图。

附图标记说明：

1-反应釜

11-釜体

12-釜盖

121-加料口

122-进液口

1221-第一进液口，1222-第二进液口

123-安装口，124-超声探头口，125-温度传感器口

126-pH电极口，127-电导传感器口

128-进气口

1281-控制阀

129-取样口，1210-冷凝管口

13-釜底

131-出料口

2-搅拌器

21-搅拌桨，22-驱动轴，23-驱动电机

3-冷凝管

4-蠕动泵

41-第一蠕动泵

411-酸液罐

42-第二蠕动泵

421-碱液罐

5-主控制器

51-超声控制器，52-温度控制器，53-pH值显示仪，54-电导控制器

55-蠕动泵调节器，56-自动加料控制器，57-取样控制器

6-超声探头；7-温度传感器；8-pH电极；9-电导传感器；10-气罐；

20-铁架台；30-恒温浴装置；40-防护隔音罩；50-加料装置；

60-取样管

601-取样内管；

70-取样泵；80-滤网结构；90-溶剂回收装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-图3所示，一种微纳米材料制备装置，包括反应釜1、搅拌器2、加料口121、带收集瓶的冷凝管3、蠕动泵4和主控制器5，加料口121和冷凝管3设置在反应釜1上方，分别用于反应物料的加入和产物蒸馏出的液体收集，搅拌器2的搅拌桨21深入反应釜1中，用于反应物料的搅拌，蠕动泵4与主控制器5电性连接，蠕动泵4通过软管与反应釜1内部相连通，用于酸碱液的泵送，以调节反应釜1内反应物料的pH值。

反应釜1内还设有对反应物料进行分散和清洗的超声探头6、监测反应物料温度的温度传感器7、监测反应物料pH值的pH电极8和监测反应进度的电导传感器9，超声探头6、温度传感器7、pH电极8和电导传感器9分别与主控制器5电性连接，主控制器5分别对反应釜1内的超声发生、温度、pH值和电导率进行监测和控制。本实用新型操作方便、自动化程度较高，通过采用对混合料进行可控的超声加搅拌混合、自动控制调整pH值、实时测量电导率的设计，使得混合料入釜混合速度快、分散能力好，pH值控制精确，产物颗粒均匀度好、球形度好，提高了合成微纳米材料的可控性。

具体而言，反应釜1包括釜体11、釜盖12和釜底13，釜体11与釜盖12之间、釜体11与釜底13之间可拆卸固定密封连接，釜盖12上分别设有加料口121、进液口122、安装口123、超声探头口124、温度传感器口125、pH电极口126、电导传感器口127和进气口128，其中安装口123设置在釜盖12的中心处，进液口122经软管与蠕动泵4相连接，超声探头6、温度传感器7、pH电极8和电导传感器9分别可拆卸的安装在釜盖12的超声探头口124、温度传感器口125、pH电极口126和电导传感器口127上，搅拌器2安装在釜盖12的安装口123处，进气口128通过软管与设置在反应釜1外的气罐10相连通。

在釜盖12的上表面对应着加料口121处设有加料管，在加料管上设有加料装置50，加料装置50与主控制器5电性连接，主控制器5对加料装置50对反应釜1的自动加料动作进行监测和控制。当所加物料为液体时，所述加料装置可根据应用及反应釜操作压力选配常压蠕动泵、高压活塞泵、常压/高压注射泵、高效液相泵、大体积高压泵、高压挥发性液体泵中的一种，加料装置50可以是一个或多个，可实现多路加液，通过主控制器5控制多路不同液体按一定比例速率加液。当所加物料为固体时，所述加料装置可选用全自动螺旋饲喂器固体加料系统。

如图所示，主控制器5内设有超声控制器51、温度控制器52、pH值显示仪53、电导控制器54、蠕动泵调节器55和自动加料控制器56，超声探头6与超声控制器51电性连接，温度传感器7与温度控制器52电性连接，电导传感器9与电导控制器54电性连接，pH电极8与pH值显示仪53电性连接，且pH值显示仪53与蠕动泵调节器55电性连接，将pH值显示仪53上的pH值信息传递给蠕动泵调节器55，蠕动泵4与蠕动泵调节器55电性连接，加料装置50与自动加料控制器56电性连接。

另外，在釜盖12上还设有取样口129，在取样口129处设有取样管60，在取样管60上设有具有负压抽取功能的取样泵70；主控制器5内还设有取样控制器57，取样泵70与取样控制器57电性连接，用于按照设定的时间间隔自动控制取样泵70提取反应产物。取样管60包括设置在釜体11内的取样内管601，取样内管601为可伸缩管，取样时伸长，不取样时收缩。

在釜盖12上还设有冷凝管口1210，冷凝管3可拆卸的安装在釜盖12的冷凝管口1210上，用于减压蒸馏时反应产物蒸馏出的液体收集。

进一步地，如图1所示，其中的蠕动泵4包括第一蠕动泵41和第二蠕动泵42，进液口122包括第一进液口1221和第二进液口1222，第一蠕动泵41上设有酸液罐411，第二蠕动泵42上设有碱液罐421，酸液罐411中的液体通过蠕动泵调节器55的调节经第一蠕动泵泵送后由第一进液口1221进入反应釜1，碱液罐421中的液体通过蠕动泵调节器55的调节经第二蠕动泵泵送后由第二进液口1222进入反应釜1，以此来调节反应釜1内反应物料的pH值。

搅拌器2包括搅拌桨21、驱动轴22和驱动电机23，驱动轴22的上部与驱动电机23驱动连接，其下部与搅拌桨21固定连接，搅拌桨21伸入到釜体11内部，驱动电机23置于反应釜1上端并通过一铁架台20固定。

本实用新型所采用的反应釜1的釜体11为双层中空夹套结构，内设有用来保持恒温的恒温浴装置30，以此来控制釜体11内反应物料的温度。恒温浴装置30内的介质可选用水或油，分别形成为恒温水浴或恒温油浴。

如图2所示，加料口121、第一进液口1221、第二进液口1222、超声探头口124、温度传感器口125、pH电极口126、电导传感器口127、进气口128、取样口129和冷凝管口1210均设置在以釜盖12的中心点为圆心的圆上，且等间距分布。以上各接口采用螺纹接口，螺纹末端均设有密封构件O型圈，可以工作在正压及真空状态下，也可使用压滤以及抽滤；密封构件O型圈由弹性材料制成，优选特氟龙、环氧树脂或聚氨酯，安装在接口处；另外，也可视反应体系压力要求仅在接口处使用密封构件O型圈实现密封。

另外，在釜底13内侧上方设有一可拆卸的滤网结构80，用于反应后产物粒子的直接过滤洗涤。滤网结构包括滤网/滤膜和托盘，滤网/滤膜的孔径可根据反应液和纳米粒子的粒径进行选择(比反应物料的粒径略小)。反应釜1的内壁表面粗糙度小于等于0.4a，以防止内壁吸附粘连和聚集，便于清洗。釜底13的下端底部还设有出料口131，用于收集经所述滤网80过滤后的滤液；冷凝管3的下端及出料口131分别通过软管与一溶剂回收装置90一端相连接，溶剂回收装置90的另一端通过软管与加料装置50相连接，回收后的溶剂通过主控制器5控制的加料装置50加入到反应釜中，实现物料的重复利用，在降低环境污染的同时减少资源的浪费。溶剂回收装置90由溶剂回收容器和真空泵组成，通过抽真空可实现反应釜的真空抽滤，溶剂暂存到溶剂回收装置中，也可将冷凝管收集瓶中的液体吸入溶剂回收装置中。

反应釜1可以为不锈钢反应釜、玻璃反应釜和PVC反应釜中的一种。在进气口外侧的软管上还设有控制阀1281，比如单向控制阀，用于防止气体逆流。

在反应釜外设有带可视窗的防护隔音罩，在防护隔音罩上装有照明装置和摄像头，摄像头可通过手机无线和蓝牙控制，可用手机在远端和外面非实验现场查看实验情况，也可录像设置实验反应过程，方便发现和记录反应过程。在主控制器上还可设有无线控制开关，可对主控制器进行无线控制。

本实用新型装置可通过抽滤等实现溶剂的循环使用，以减小溶剂的消耗，具体而言有两种方式：

(1)实施方式1：

启动溶剂回收装置的真空泵，采用抽滤方式，得到纳米材料浓溶液或粉体，制备和洗涤所用的如乙醇等有机试剂直接存到溶剂回收容器中直接可以循环用作反应试剂，通过加液循环泵加入到反应体系。也可将液体从溶剂回收容器转移至其他容器，以备使用。在一些单分散二氧化硅制备实验中，也可以视情况，将溶剂回收装置收集的溶剂，进行pH值调节或进行其他处理，再循环进行使用。

(2)实施方式2：

采用减压蒸馏，反应釜、冷凝管和溶剂回收装置。反应釜上设有搅拌装置、加热装置、进料口、出料口和压力表，反应釜通过出料口、冷凝管和管道与溶剂回收装置相连，冷凝管上部设有抽气口，溶剂回收装置下端通过加料管道，通过加料装置循环泵加液到反应釜。具有如下优点：一是通过合成装置回收的溶剂可以循环使用，消除了有机溶剂对环境的污染；二是合成装置可以快速批量化制备纳米材料粉体。

如在单分散二氧化硅制备实验中，第一步，在反应釜内进行粉体制备；第二步，冷凝管回收反应釜内的乙醇溶剂,反应釜内得到单分散二氧化硅粉体或浓缩液，冷凝管回收的溶剂进入溶剂回收装置,回收溶剂通过加料管道进入反应釜作为原料二次使用。

具体地，通过反应釜的进料口加入乙醇、水、氨水，开启电机带动搅拌装置，通过反应釜夹套内的循环水将釜内温度加热至规定值，通过反应釜的进料口加入正硅酸乙酯和乙醇，反应开始，反应完成后打开管道，打开抽气口，通过观察压力表的读数判断釜内的真空度，真空度达到规定值后，冷凝管开始冷凝出釜内的乙醇溶剂，通过控制冷凝时间、冷凝液体的质量来调节釜内二氧化硅的浓度，冷凝一定时间后，冷凝出的溶剂经管道进入溶剂回收装置，回收的溶剂通过加料管道进入反应釜重复使用。

下面结合几个实验例对本实施例的具体应用进行介绍。

实验例1：单分散二氧化硅球形颗粒制备方法

方法1：在反应釜中，从加料口121处加入浓氨水、乙醇、水搅拌30min后，将正硅酸乙酯(TEOS)和乙醇混合液加入到反应釜中，恒温加热到一定温度，超声搅拌一定时间，减压蒸馏或抽滤去除溶剂，溶剂存至溶剂回收装置90以备循环使用，用无水乙醇超声清洗3次，溶剂存至溶剂回收装置90以备循环使用，再用蒸馏水超声清洗多次，用pH电极8测量酸碱性，清洗至中性，也可主控制器5中设定pH值进行自动酸碱调节，得到粒径为一定粒径的单分散二氧化硅球形颗粒。可通过改变浓氨水、乙醇、水以及TEOS的量改变粒径大小。回收后的溶剂通过主控制器5对加料装置50控制加入到反应釜中，可根据需要通过主控制器5控制蠕动泵4调节pH值，实现物料的重复利用。

方法2：以方法1制备的部分粒子作种子，加入一定量浓氨水、乙醇、水搅拌30min,通过主控制器5对加料装置50(蠕动泵)控制以0.2mL/min-2mL/min的流速滴加一定量的TEOS或TEOS和乙醇混合液，以一定转速超声搅拌一定时间，将反应得到的液体过滤或减压蒸馏或离心分离，去除液体，用无水乙醇和蒸馏水超声清洗，有机溶剂存至溶剂回收装置90以备循环使用，用pH电极8测量酸碱性，清洗至中性，也可主控制器5中设定pH值进行自动酸碱调节，得到粒径为一定粒径单分散二氧化硅球形颗粒。通过主控制器5对加料装置50控制，控制滴加速率和加样比例可制备特定粒径的单分散二氧化硅球形颗粒。

方法3：在反应釜中，从加料口121处加入一定量浓氨水、乙醇、水搅拌30min,一定量正硅酸乙酯(TEOS)和乙醇混合液加入到反应釜中，主控制器5控制恒温加热到一定温度，超声搅拌一定时间，得到粒径为一定粒径的单分散二氧化硅球形颗粒。通过主控制器5对加料装置50控制，以一定流速滴加一定量的TEOS或TEOS和乙醇混合液，以一定转速超声搅拌一定时间，将反应得到的液体过滤或减压蒸馏，去除液体，用无水乙醇和蒸馏水超声清洗，用pH电极8测量酸碱性，清洗至中性。也可主控制器5中设定pH值进行自动酸碱调节。有机溶剂存至溶剂回收装置90以备循环使用，得到一定粒径单分散二氧化硅球形颗粒。通过主控制器5对加料装置50控制滴加速率和加样比例可制备特定粒径的单分散二氧化硅球形颗粒。

实验例2：单分散聚苯乙烯球形颗粒制备方法

方法1：在反应釜中，通过进气口128氮气吹扫一段时间后，继续通入氮气保护，从加料口121处加入一定量乙醇、聚乙烯吡咯烷酮，加入苯乙烯单体和偶氮二异丁腈(或过氧化苯甲酰)，控制在一定温度下超声搅拌，反应一段时间后，停止反应冷却至室温，产品抽滤或在体系中减压蒸馏或离心去除液体，用无水乙醇和蒸馏水超声清洗，得到一定粒径的单分散聚苯乙烯球形颗粒。通过改变配比改变粒径大小，可通过电导传感器9监测电导率值判断反应情况和是否反应完全。

方法2：在反应釜中，通过进气口128氮气吹扫一段时间后，继续通入氮气保护，从加料口121处加入一定量乙醇、聚乙烯吡咯烷酮，加入苯乙烯单体和偶氮二异丁腈(或过氧化苯甲酰)，控制在一定温度下超声搅拌，反应一段时间后，通过主控制器5对加料装置50控制，从加料口121处间隔一段时间以一定流速滴加一定量的苯乙烯单体，以一定转速超声搅拌一定时间，停止反应冷却至室温，采用抽滤或在体系中减压蒸馏或离心方式之一去除液体，用无水乙醇和蒸馏水超声清洗，得到一定粒径的单分散聚苯乙烯球形颗粒。通过改变配比和滴加速率、滴加量改变粒径大小，可通过电导传感器9监测电导率值判断反应情况和是否反应完全。

实验例3：中空二氧化硅球制备

方法1：采用实验例2中的方法1或方法2合成聚苯乙烯微球作为模板，加入表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵自组装到模板表面。从加料口121处一次性加入一定量浓氨水、乙醇、水搅拌30min,一定量正硅酸乙酯(TEOS)和乙醇混合液到反应釜中，从加料口121处加入聚苯乙烯微球模板，主控制器5控制恒温加热到一定温度，超声搅拌一定时间。通过自动取样系统定时取样，监测壳层厚度。将反应得到的液体过滤或减压蒸馏，去除液体，用无水乙醇和蒸馏水超声清洗，用pH电极8测量酸碱性，清洗至中性。也可主控制器5中设定pH值进行自动酸碱调节。也可主控制器5中设定pH值进行自动酸碱调节。有机溶剂存至溶剂回收装置90以备循环使用。最后将得到的聚合物微球煅烧,得到规整的中空二氧化硅微球。

方法2：采用实验例2中的方法1或方法2合成聚苯乙烯微球作为模板，加入表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵自组装到模板表面。从加料口121处加入一定量浓氨水、乙醇、水搅拌30min,从加料口121处加入聚苯乙烯微球模板，主控制器5控制进料系统50以一定速率将一定量正硅酸乙酯(TEOS)和乙醇混合液滴加入到反应釜中，恒温加热到一定温度，超声搅拌一定时间。通过自动取样系统定时取样，监测壳层厚度。将反应得到的液体过滤或减压蒸馏，去除液体，用无水乙醇和蒸馏水超声清洗，用pH电极8测量酸碱性，清洗至中性。也可主控制器5中设定pH值进行自动酸碱调节。溶剂存至溶剂回收装置90以备循环使用。最后将得到的聚合物微球煅烧,得到规整的中空二氧化硅微球。

实验例4：纳米尺寸钒酸铋制备方法

方法1：在反应釜中，加入一定浓度的硝酸溶液、偏钒酸铵和硝酸铋，超声搅拌溶解后，可选择性加入一定量的P123或PVP,通过主控制器5预设不同pH值，持续超声搅拌，蠕动泵4传输液体达到pH值，蠕动泵4停止工作。之后将前驱体置入聚四氟乙烯内衬的反应釜，进行水热反应，之后干燥(也可不进行水热反应，直接过滤后干燥或减压蒸馏后干燥)。通过控制不同的pH值制备不同形貌微纳米尺寸钒酸铋。

实验例5：硅酸酯类化合物包覆钒酸铋黄色陶瓷颜料制备方法

本实施例的制备装置也可用于硅酸酯类化合物包覆钒酸铋黄色陶瓷颜料，包括黄色颜料BiVO4的制备和耐高温的黄色颜料BiVO4/SiO2的制备，利用硅酸酯类化合物作为硅源，将二氧化硅包覆在钒酸铋的表面，由于二氧化硅的极强的惰性使BiVO4能够耐1000℃左右的高温，可用于陶瓷颜料等应用。具体如下：

(1)不水热采用本实用新型的装置制备BiVO4

在反应釜中，加入2mol/L的硝酸溶液，加入一定量的五水硝酸铋，超声搅拌溶解后加入偏钒酸铵，超声搅拌溶解后，可选择性加入一定量的P123或PVP或者不加入,通过主控制器5预设不同pH值，持续超声搅拌，蠕动泵4传输碱液(如氨水、氢氧化钠或碳酸氢钠溶液)达到pH值，蠕动泵4自动停止工作。通过主控制器5调节至不同的pH值，恒温加热到一定温度，超声搅拌一定时间，直接过滤干燥或减压蒸馏后干燥，得到微纳米BiVO4的粉末。在400-500℃下焙烧得到黄色颜料BiVO4。

(2)采用本实用新型的装置制备BiVO4配合水热

在反应釜中，加入2mol/L的硝酸溶液，加入一定量的五水硝酸铋，超声搅拌溶解后加入偏钒酸铵，超声搅拌溶解后，可选择性加入一定量的P123或PVP或者不加入,通过主控制器5预设不同pH值，持续超声搅拌，蠕动泵传输碱液(如氨水、氢氧化钠或碳酸氢钠溶液)达到pH值，蠕动泵自动停止工作。通过主控制器调节至不同的pH值，恒温加热到一定温度，超声搅拌一定时间，将制备好的前驱液打开反应釜下方的出料口，将其转移至100mL水热反应釜中(保持填充率为80％)，于180℃恒温处理6h，经抽滤、水洗3次和无水乙醇洗涤3次后，所得黄色粉末于60℃干燥12h，再在马弗炉中于空气气氛下以1℃/min的速率从室温升至400℃并在该温度下保持4h，以得到最终的产物。

(3)采用本实用新型装置制备二氧化硅包覆钒酸铋BiVO4/SiO2的方法

在反应釜中，加入一定浓度的硝酸溶液，加入一定量的偏钒酸铵和硝酸铋，超声搅拌溶解后，可选择性加入一定量的P123或PVP或者不加入,预设不同pH值，持续超声搅拌，蠕动泵传输液体达到pH值，蠕动泵自动停止工作。通过主控制器调节至一定不同的pH值，恒温加热到一定温度，超声搅拌一定时间，直接过滤后干燥或减压蒸馏后干燥，得到微纳米BiVO4的粉末。

方法1：加入一定量浓氨水，乙醇，水与BiVO4的粉末一起超声搅拌30min,使BiVO4的粉末在溶液中均匀分散开，加入一定量的表面活性剂，一定量正硅酸乙酯(TEOS)和乙醇加入混合液加入到反应釜中，恒温加热到一定温度，超声波搅拌一定时间，一定量正硅酸乙酯(TEOS)和乙醇通过蠕动泵以0.2-3mL/min的速度滴加到反应釜中，恒温加热到一定温度，超声波搅拌一定时间，将二氧化硅包覆在钒酸铋的表面，得到BiVO4/SiO2。减压蒸馏去除液体或移出液体进行离心，用无水乙醇和蒸馏水超声清洗。得到BiVO4/SiO2，可做耐高温的黄色颜料BiVO4/SiO2。在500℃下焙烧去除表面活性剂。通过改变浓氨水、乙醇、水以及TEOS的量改变粒径大小和SiO2的包覆厚度。

加入一定量浓氨水，乙醇，水搅拌30min，与可将用此设备制备BiVO4或经水热法制备的BiVO4洗涤后通过加料口加入其中，超声搅拌,使BiVO4的粉末在溶液中均匀分散开，加入一定量表面活性剂，一定量正硅酸乙酯(TEOS)和乙醇加入混合液加入到反应釜或一定量正硅酸乙酯(TEOS)和乙醇通过蠕动泵以0.2-3mL/min的速度滴加到反应釜中，恒温加热到一定温度，超声波搅拌一定时间，将二氧化硅包覆在钒酸铋的表面，得到BiVO4/SiO2。过滤或减压蒸馏去除液体或移出液体进行离心，用无水乙醇和蒸馏水超声清洗。得到BiVO4/SiO2，可做耐高温的黄色颜料BiVO4/SiO2。通过改变浓氨水、乙醇、水以及TEOS的量改变粒径大小和SiO2的包覆厚度。通过自动取样系统实时取样进行电镜测量，监控包覆厚度。

实验例6：以二氧化硅为内核的包核型钒酸铋颜料制备方法

将合成一系列浓度的单分散二氧化硅小球-乙醇-水溶液超声分散后,用浓硝酸调节至中性,在反应釜中，加入2mol/L的硝酸溶液，加入一定量的五水硝酸铋，超声搅拌溶解后加入偏钒酸铵，超声搅拌溶解后，可选择性加入一定量的P123或PVP或者不加入,主控制器5预设pH值，持续超声搅拌，蠕动泵传输碱液(如氨水、氢氧化钠或碳酸氢钠溶液)达到pH值，蠕动泵自动停止工作。通过主控制器5调节至不同的pH值，经抽滤、洗涤、100℃烘干,在600℃下煅烧得以二氧化硅为内核的包核型钒酸铋颜料。

此外，本实用新型的制备装置还可用制备有色聚苯乙烯小球、荧光聚苯乙烯小球、荧光二氧化硅等材料。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种微纳米材料制备装置，其特征在于，包括反应釜(1)、搅拌器(2)、加料口(121)、冷凝管(3)、蠕动泵(4)和主控制器(5)，所述加料口(121)和冷凝管(3)设置在所述反应釜(1)上方，分别用于反应物料的加入和产物蒸馏出的液体收集，所述搅拌器(2)的搅拌桨(21)深入所述反应釜(1)中，用于反应物料的搅拌，所述蠕动泵(4)与所述主控制器(5)电性连接，所述蠕动泵(4)通过软管与所述反应釜(1)内部相连通，用于酸碱液的泵送，以调节所述反应釜(1)内反应物料的pH值；

所述反应釜(1)内还设有对反应物料进行分散和清洗的超声探头(6)、监测反应物料温度的温度传感器(7)、监测反应物料pH值的pH电极(8)和监测反应进度的电导传感器(9)，所述超声探头(6)、温度传感器(7)、pH电极(8)和电导传感器(9)分别与所述主控制器(5)电性连接，所述主控制器(5)分别对所述反应釜(1)内的超声发生、温度、pH值和电导率进行监测和控制。

2.根据权利要求1所述的微纳米材料制备装置，其特征在于，所述反应釜(1)包括釜体(11)、釜盖(12)和釜底(13)，所述釜体(11)与釜盖(12)之间、釜体(11)与釜底(13)之间可拆卸固定密封连接，所述釜盖(12)上分别设有加料口(121)、进液口(122)、安装口(123)、超声探头口(124)、温度传感器口(125)、pH电极口(126)、电导传感器口(127)和进气口(128)，其中所述安装口(123)设置在所述釜盖(12)的中心处，所述进液口(122)经软管与所述蠕动泵(4)相连接，所述超声探头(6)、温度传感器(7)、pH电极(8)和电导传感器(9)分别可拆卸的安装在所述釜盖(12)的超声探头口(124)、温度传感器口(125)、pH电极口(126)和电导传感器口(127)上，所述搅拌器(2)安装在所述釜盖(12)的安装口(123)处，所述进气口(128)通过软管与设置在所述反应釜(1)外的气罐(10)相连通；

在所述釜盖(12)的上表面对应着所述加料口(121)处设有加料管，在所述加料管上设有加料装置(50)，所述加料装置(50)可实现一路或多路加料，所述加料装置(50)与所述主控制器(5)电性连接，所述主控制器(5)对所述加料装置(50)对所述反应釜(1)的自动加料动作进行监测和控制。

3.根据权利要求2所述的微纳米材料制备装置，其特征在于，所述主控制器(5)内设有超声控制器(51)、温度控制器(52)、pH值显示仪(53)、电导控制器(54)、蠕动泵调节器(55)和自动加料控制器(56)，所述超声探头(6)与所述超声控制器(51)电性连接，所述温度传感器(7)与所述温度控制器(52)电性连接，所述电导传感器(9)与所述电导控制器(54)电性连接，所述pH电极(8)与所述pH值显示仪(53)电性连接，且所述pH值显示仪(53)与所述蠕动泵调节器(55)电性连接，将所述pH值显示仪(53)上的pH值信息传递给所述蠕动泵调节器(55)，所述蠕动泵(4)与所述蠕动泵调节器(55)电性连接，所述加料装置(50)与所述自动加料控制器(56)电性连接。

4.根据权利要求3所述的微纳米材料制备装置，其特征在于，在所述釜盖(12)上还设有取样口(129)，在所述取样口(129)处设有取样管(60)，在所述取样管(60)上设有具有负压抽取功能的取样泵(70)，所述取样泵(70)与所述主控制器(5)电性连接，所述主控制器(5)可按照设定的时间间隔自动控制所述取样泵(70)提取反应产物；

所述主控制器(5)内还设有取样控制器(57)，所述取样泵(70)与所述取样控制器(57)，用于按照设定的时间间隔自动控制所述取样泵(70)提取反应产物；

在所述釜盖(12)上还设有冷凝管口(1210)，所述冷凝管(3)可拆卸的安装在所述釜盖(12)的冷凝管口(1210)上，用于加热反应时溶剂的冷凝和减压蒸馏时反应产物蒸馏出的液体收集。

5.根据权利要求4所述的微纳米材料制备装置，其特征在于，所述取样管(60)包括设置在所述釜体(11)内的取样内管(601)，所述取样内管(601)为可伸缩管，取样时伸长，不取样时收缩。

6.根据权利要求5所述的微纳米材料制备装置，其特征在于，所述蠕动泵(4)包括第一蠕动泵(41)和第二蠕动泵(42)，所述进液口(122)包括第一进液口(1221)和第二进液口(1222)，所述第一蠕动泵(41)上设有酸液罐(411)，所述第二蠕动泵(42)上设有碱液罐(421)，所述酸液罐(411)中的液体通过所述蠕动泵调节器(55)的调节经所述第一蠕动泵泵送后由所述第一进液口(1221)进入所述反应釜(1)，所述碱液罐(421)中的液体通过所述蠕动泵调节器(55)的调节经所述第二蠕动泵泵送后由所述第二进液口(1222)进入所述反应釜(1)，以此来调节所述反应釜(1)内反应物料的pH值；

所述搅拌器(2)包括搅拌桨(21)、驱动轴(22)和驱动电机(23)，所述驱动轴(22)的上部与所述驱动电机(23)驱动连接，其下部与所述搅拌桨(21)固定连接，所述搅拌桨(21)伸入到所述釜体(11)内，所述驱动电机(23)置于所述反应釜(1)上端并通过一铁架台(20)固定。

7.根据权利要求6所述的微纳米材料制备装置，其特征在于，所述反应釜(1)的釜体(11)为双层中空夹套结构，其双层中空夹套结构连有或内设恒温浴装置(30)，用来控制所述釜体(11)内反应物料的温度。

8.根据权利要求7所述的微纳米材料制备装置，其特征在于，所述加料口(121)、第一进液口(1221)、第二进液口(1222)、超声探头口(124)、温度传感器口(125)、pH电极口(126)、电导传感器口(127)、进气口(128)、取样口(129)和冷凝管口(1210)均设置在以所述釜盖(12)的中心点为圆心的圆上。

9.根据权利要求8所述的微纳米材料制备装置，其特征在于，在所述釜底(13)内侧上方设有一可拆卸的滤网结构(80)，用于反应后产物粒子的直接过滤洗涤；

所述反应釜(1)的内壁表面粗糙度小于等于0.4a，以防止内壁吸附粘连和聚集，便于清洗。

10.根据权利要求2-9任一项所述的微纳米材料制备装置，其特征在于，所述釜底(13)的下端底部还设有出料口(131)所述冷凝管(3)的下端及出料口(131)分别通过软管与一溶剂回收装置(90)一端相连接，所述溶剂回收装置(90)的另一端通过软管与所述加料装置(50)相连接，用于物料的二次利用。