CN212596262U

CN212596262U - 一种纳米粉体的分散设备

Info

Publication number: CN212596262U
Application number: CN202020696035.4U
Authority: CN
Inventors: 钟启仲; 蒋玉雄; 孙欣
Original assignee: Xiamen Gaorong Nano New Material Technology Co ltd
Current assignee: Xiamen Gaorong Nano New Material Technology Co ltd
Priority date: 2020-04-30
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2030-04-30

Abstract

本实用新型属于粉体分散领域，涉及一种纳米粉体的分散设备，包括初步分散装置、喷雾干燥装置、混合加速装置Ⅰ、混合加速装置Ⅱ、高速气流对撞装置和粉体分离装置，高速气流对撞装置包括狭窄腔体以及设置于狭窄腔体上的呈同轴设置的两个物料入口通道和至少两个物料出口通道；初步分散装置的出料口与喷雾干燥装置的入料口连通，喷雾干燥装置的出料口与混合加速装置Ⅰ的入料口连通，混合加速装置Ⅰ和混合加速装置Ⅱ的出料口分别与高速气流对撞装置的两个物料入口通道连通，高速气流对撞装置的物料出口通道与粉体分离装置的入料口连通。本实用新型提供的分散设备能够使团聚纳米粉体实现纳米级分散。

Description

一种纳米粉体的分散设备

技术领域

本实用新型属于粉体分散领域，具体涉及一种纳米粉体的分散设备。

背景技术

纳米颗粒是指尺寸在1～100nm范围的固体颗粒，其比表面积大，比表面能高。纳米颗粒越细，颗粒间的范德华力、库仑力及纳米粒子作用能远大于粒子自身重力，因此制备过程中非常容易团聚，这样会导致干燥后的粉体使用时无法展现纳米颗粒应有的物理特性及功能，失去其应有的应用价值。目前现有的纳米粉体的分散技术主要有物理分散和化学分散两种，其中，物理分散是粉体批量生产过程中的主要手段，主要包括机械搅拌分散、研磨分散、气流粉碎等。由于纳米粉体在干燥过程中非常容易团聚成微米颗粒，一般的机械搅拌、研磨或气流粉碎等方式可以将其分散成更细的微米级粉体，但难以将颗粒重新分散成纳米级粉体，将粉体颗粒分散成纳米级粉体一直是行业难题。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服采用现有的物理分散难以将微米级粉体进一步分散成纳米级粉体的缺陷，而提供了一种能够使团聚纳米粉体实现纳米级分散的设备。

具体地，本实用新型提供了一种纳米粉体的分散设备，其中，所述纳米粉体的分散设备包括初步分散装置、喷雾干燥装置、混合加速装置Ⅰ、混合加速装置Ⅱ、高速气流对撞装置和粉体分离装置，所述高速气流对撞装置包括狭窄腔体以及设置于狭窄腔体上的两个物料入口通道和至少两个物料出口通道，且两个物料入口通道呈同轴相向设置；所述初步分散装置的出料口与喷雾干燥装置的入料口连通，所述喷雾干燥装置的出料口与混合加速装置Ⅰ的粉体入口连通，所述混合加速装置Ⅰ的出料口与高速气流对撞装置的其中一个物料入口通道连通，所述混合加速装置Ⅱ的出料口与高速气流对撞装置的另一个物料入口通道连通，所述高速气流对撞装置的物料出口通道与粉体分离装置的入料口连通。

进一步的，所述初步分散装置包括依次连通的低速搅拌器、超声波分散器和高速搅拌器，所述高速搅拌器的出料口与喷雾干燥装置的入料口连通。

进一步的，所述低速搅拌器的转速为100rpm～200rpm。

进一步的，所述超声波分散器的超声波频率为20kHz～100kHz。

进一步的，所述高速搅拌器的转速为5000rpm～30000rpm。

进一步的，所述喷雾干燥装置包括干燥罐，所述干燥罐顶部设置有雾化器，所述喷雾干燥装置的入料口与雾化器连通，所述喷雾干燥装置的出料口设置于干燥罐的底部。

进一步的，所述混合加速装置Ⅰ包括气体加压装置Ⅰ和混合器Ⅰ，所述气体加压装置Ⅰ的气体出口与混合器Ⅰ的气体入口连通，所述混合加速装置Ⅰ的粉体入口设置于混合器Ⅰ上；所述混合加速装置Ⅱ包括气体加压装置Ⅱ和混合器Ⅱ，所述气体加压装置Ⅱ的气体出口与混合器Ⅱ的气体入口连通，所述混合器Ⅱ上设置有硬质微粒入口，且所述混合加速装置Ⅱ的出料口设置于混合器Ⅱ上。

进一步的，所述高速气流对撞装置的内部气流流道呈十字形或米字型，狭窄腔体位于内部气流流道的交叉位置。

进一步的，所述高速气流对撞装置的物料入口通道和物料出口通道的横截面积各自独立地为0.2mm～10mm。

进一步的，所述高速气流对撞装置的材质为硬质合金。

进一步的，所述高速气流对撞装置的外部设置有夹套，以用于通冷却液冷却。

进一步的，粉体分离装置为旋风分离器或超细粉体分级机。

本实用新型提供的分散设备先将团聚纳米粉体经初步分散装置和喷雾干燥装置预处理，这样不仅能够使得团聚纳米粉体分散成粒径较小的团聚颗粒，而且还能够使得团聚颗粒内部形成疏松结构，更有利于后续的撞击破碎，之后再利用气流将疏松团聚颗粒与碳化钨粉末、氧化锆微珠和硬质合金钢珠这些密度大且硬度高的硬质微粒在高速气流对撞装置中高速对撞，较为疏松的团聚颗粒被撞击分散得到理想的纳米级粉体，从而实现纳米级分散，最后再经粉体分离装置分离出硬质微粒之后即得纳米级粉体。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为纳米粉体的分散设备的结构示意图；

图2为高速气流对撞装置的俯视图；

图3为高速气流对撞装置的内部物料对撞示意图。

附图标记说明

1-初步分散装置；2-喷雾干燥装置；3-混合加速装置Ⅰ；31-气体加压装置Ⅰ；32-混合器Ⅰ；33-气体缓冲罐Ⅰ；4-混合加速装置Ⅱ；41-气体加压装置Ⅱ；42-混合器Ⅱ；43-气体缓冲罐Ⅱ；44-干燥装置；5-高速气流对撞装置；51-粉体入口通道；52-硬质微粒入口通道；53-物料出口通道；54-狭窄腔体；6-粉体分离装置；7-纳米级粉体收集器；8-硬质微粒收集器。

具体实施方式

以下对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“顶、底、前、后”通常是指本实用新型的纳米粉体的分散设备在工作情况下的方向，也即如附图所示的方向。

如图1、图2和图3所示，本实用新型提供的纳米粉体的分散设备包括初步分散装置1、喷雾干燥装置2、混合加速装置Ⅰ3、混合加速装置Ⅱ4、高速气流对撞装置5和粉体分离装置6，所述高速气流对撞装置5包括狭窄腔体54以及设置于狭窄腔体54上的两个物料入口通道和至少两个物料出口通道，且两个物料入口通道呈同轴相向设置；所述初步分散装置1的出料口与喷雾干燥装置2的入料口连通，所述喷雾干燥装置2的出料口与混合加速装置Ⅰ3的粉体入口连通，所述混合加速装置Ⅰ3的出料口与高速气流对撞装置5的其中一个物料入口通道连通，所述混合加速装置Ⅱ4的出料口与高速气流对撞装置5的另一个物料入口通道连通，所述高速气流对撞装置5的物料出口通道与粉体分离装置6的入料口连通。当工作时，将团聚纳米粉体引入初步分散装置1中分散于溶剂中形成混合液，所述混合液引入喷雾干燥装置2中进行喷雾干燥，得到团聚颗粒，将团聚颗粒引入混合加速装置Ⅰ3中与高流速气体混合形成混有团聚颗粒的高速气流，该混有团聚颗粒的高速气流从高速气流对撞装置5的其中一个物料入口通道引入其中，硬质微粒引入混合加速装置Ⅱ4中与高流速气体混合形成混有硬质微粒的高速气流，该混有硬质微粒的高速气流从高速气流对撞装置5的另一个物料入口通道引入其中，两股气流在高速气流对撞装置5的狭窄腔体54中正面撞击，团聚颗粒因与硬质微粒高速撞击而解聚成纳米级超细粉体，之后将所得撞击产物引入粉体分离装置6中将粉体和硬质微粒分离，收集分散良好的纳米级超细粉体。其中，所述硬质微粒选自碳化钨粉末、氧化锆微珠和硬质合金钢珠中的至少一种。所述硬质微粒的粒径优选为3μm～100μm。

所述初步分散装置1可以为机械搅拌器、超声波分散器、研磨器、球磨器等。根据本实用新型的一种优选实施方式，所述初步分散装置包括依次连通的低速搅拌器、超声波分散器和高速搅拌器，所述高速搅拌器的出料口与喷雾干燥装置的入料口连通。此时，将团聚纳米粉体加入溶剂中，之后再依次进行低速搅拌分散、超声波分散和高速剪切搅拌分散，这种初步分散能够将团聚颗粒的粒径降至更低水平，并使得其内部结构更为疏松，从而更有利于后续的对撞解聚。其中，所述低速搅拌器的转速可以为100rpm～200rpm。所述超声波分散器的超声波频率可以为20kHz～100kHz。所述高速搅拌器的转速可以为5000rpm～30000rpm。所述溶剂可以为水，也可以为有机溶剂。所述有机溶剂的具体实例包括但不限于：乙醇、异丙醇、正丁醇、戊烷、己烷、辛烷、环己烷、环己酮、二氯甲苯、三氯甲苯、环氧丙烷、醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丙酯、丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮、乙醚、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、乙腈、吡啶等。此外，经初步分散之后，团聚颗粒的粒径优选为0.05μm～3μm。

所述喷雾干燥装置包括干燥罐，所述干燥罐顶部设置有雾化器，所述喷雾干燥装置的入料口与雾化器连通，所述喷雾干燥装置的出料口设置于干燥罐的底部。源自初步分散装置的分散液送至干燥罐的顶部，通过雾化器喷成雾状液滴，这些雾状液滴的比表面积很大，与高温热风接触后水分迅速蒸发，在极短的时间内便成为干燥产品，从干燥罐底部的出料口引出，送入混合加速装置Ⅰ中。所述分散液送入干燥罐中的压力优选为0.3MPa～10MPa，干燥罐内的温度优选为60℃～300℃。其中，所述压力均指表压。所述干燥罐内能够通入惰性气体进行保护。经喷雾干燥后所得团聚颗粒的平均粒径为5μm以下。

本实用新型对混合加速装置Ⅰ和混合加速装置Ⅱ的结构没有特别的限定，只要能够分别实现团聚颗粒和气体混合并加压提速以及硬质微粒和气体的混合并加压提速即可。根据本实用新型的一种具体实施方式，如图1所示，所述混合加速装置Ⅰ3包括气体加压装置Ⅰ31和混合器Ⅰ32，所述气体加压装置Ⅰ31的气体出口与混合器Ⅰ32的气体入口连通，所述混合加速装置Ⅰ3的粉体入口设置于混合器Ⅰ32上；所述混合加速装置Ⅱ4包括气体加压装置Ⅱ41和混合器Ⅱ42，所述气体加压装置Ⅱ41的气体出口与混合器Ⅱ42的气体入口连通，所述混合器Ⅱ42上设置有硬质微粒入口，且所述混合加速装置Ⅱ4的出料口设置于混合器Ⅱ42上。此外，为了使得进气平稳，所述混合加速装置Ⅰ3优选还包括设置于气体加压装置Ⅰ31和混合器Ⅰ32之间的气体缓冲罐Ⅰ33，所述混合加速装置Ⅱ4优选还包括设置于气体加压装置Ⅱ41和混合器Ⅱ42之间的气体缓冲罐Ⅱ43。此外，由于硬质微粒中残存的水分不利于粉体的分散，因此，硬质微粒在引入高速气流对撞装置5之前最好先进行干燥处理，相应地，所述混合加速装置Ⅱ4优选还包括用于对硬质微粒进行干燥的干燥装置44，所述干燥装置44的硬质微粒出口与混合器Ⅱ42的硬质微粒入口连通。工作时，气体经气体加压装置Ⅰ31加压提速之后缓存于气体缓冲罐Ⅰ33中，之后进入混合器Ⅰ32以对源自喷雾干燥装置2的团聚粉体颗粒进行混合提速；气体经气体加压装置Ⅱ41加压提速之后缓存于气体缓冲罐Ⅱ43中，之后进入混合器Ⅱ42以对源自干燥装置Ⅱ43的硬质微粒进行混合提速；经提速后的混有团聚粉体颗粒的高速气流与混有硬质微粒的高速气流同时进入高速气流对撞装置5中进行正面高速对撞，以使团聚粉体颗粒解聚成纳米级超细粉体。

为了便于描述，本实用新型将对团聚颗粒和气体进行混合并加速的设备称为“混合加速装置Ⅰ”，将混合加速装置Ⅰ中包括的气体加压装置、气体缓冲罐和混合器分别称为“气体加压装置Ⅰ”、“气体缓冲罐Ⅰ”和“混合器Ⅰ”；将对硬质微粒和气体进行混合并加速的设备称为“混合加速装置Ⅱ”，将混合加速装置Ⅱ中包括的气体加压装置、气体缓冲罐和混合器分别称为“气体加压装置Ⅱ”、“气体缓冲罐Ⅱ”和“混合器Ⅱ”。

所述混有团聚颗粒的高速气流与混有硬质微粒的高速气流的流速越大越有利于团聚颗粒的解聚，但同时也对设备提出了更高的要求，从各方面综合考虑，这两种高速气流的流速优选各自独立地为50m/s～1000m/s，更优选各自独立地为150m/s～300m/s。此外，这两种高速气流中的气体成分可以为现有的各种惰性气体或轻惰性气体，例如，可以为干燥氮气、干燥氩气和干燥二氧化碳中的至少一种。

本实用新型对高速气流对撞装置5的具体结构没有特别的限定，只要能够使得混有团聚颗粒的高速气流与混有硬质微粒的高速气流之间实现正面高速撞击从而将团聚颗粒解聚至纳米级别即可。根据本实用新型的一种优选实施方式，如图2和图3所示，所述高速气流对撞装置包括狭窄腔体54以及设置于狭窄腔体54上的两个物料入口通道(粉体入口通道51和硬质微粒入口通道52)以及至少两个物料出口通道(图2和图3中示出了两个物料出口通道53)，且两个物料入口通道呈同轴相向设置，即，处于同一轴线上且开口朝向相对。所述高速气流对撞装置5的内部气流流道呈十字形(包括两个物料入口通道和两个物料出口通道)、米字型(包括两个物料入口通道和四个物料出口通道)或其他更为复杂的形状，狭窄腔体54位于内部气流流道的交叉位置。具体撞击过程中，狭窄腔体54一端的物料入口通道通入混有团聚颗粒的高速气流，另一端的物料入口通道通入混有硬质微粒的高速气流，两股气流在狭窄腔体54内正面高速撞击，团聚颗粒因与密度大、硬度高的硬质微粒(碳化钨粉末、氧化锆微珠或硬质合金钢珠)高速撞击，较为疏松的团聚颗粒能够被撞击解聚成纳米级超细粉体，尺寸能够得到明显降低。撞击后的气流通过至少两个物料出口通道同时排出腔体。此外，所述物料入口通道和物料出口通道的横截面积优选各自独立地为0.2mm～10mm，此时有利于提升两股气流之间的撞击强度，获得粒度更小的纳米级粉体。为了延长寿命，所述高速气流对撞装置的材质优选选用硬质合金。此外，所述高速气流对撞装置的外部可以设置夹套，以用于通冷却液冷却，因为低温下团聚颗粒呈脆性，更有利于破碎，从而能够获得粒度更小的纳米粉体。

所述粉体分离装置6的作用为将纳米粉体和硬质微粒分离。所述粉体分离装置4例如可以为旋风分离器或超细粉体分级机。

根据本实用新型的一种具体实施方式，如图1所示，所述纳米粉体的分散设备包括初步分散装置1、喷雾干燥装置2、混合加速装置Ⅰ3、混合加速装置Ⅱ4、高速气流对撞装置5、粉体分离装置6、纳米级粉体收集器7和硬质微粒收集器8；所述混合加速装置Ⅰ3包括依次连通的气体加压装置Ⅰ31、气体缓冲罐Ⅰ33和混合器Ⅰ32，所述混合加速装置Ⅰ3的粉体入口设置于混合器Ⅰ32上；所述混合加速装置Ⅱ4包括气体加压装置Ⅱ41、气体缓冲罐Ⅱ43、混合器Ⅱ42和干燥装置44，所述气体加压装置Ⅱ41、气体缓冲罐Ⅱ43和混合器Ⅱ42依次连通，所述干燥装置44的硬质微粒出口与混合器Ⅱ42的硬质微粒入口连通，且所述混合加速装置Ⅱ4的出料口设置于混合器Ⅱ42上；所述高速气流对撞装置5包括狭窄腔体54以及设置于狭窄腔体54上的两个物料入口通道和至少两个物料出口通道，且两个物料入口通道呈同轴相向设置；所述初步分散装置1的出料口与喷雾干燥装置2的入料口连通，所述喷雾干燥装置2的出料口与混合加速装置Ⅰ3的粉体入口连通，所述混合加速装置Ⅰ3的出料口与高速气流对撞装置5的其中一个物料入口通道连通，所述混合加速装置Ⅱ4的出料口与高速气流对撞装置5的另一个物料入口通道连通，所述高速气流对撞装置5的物料出口通道与粉体分离装置6的入料口连通。当工作时，将团聚纳米粉体引入初步分散装置1中分散于溶剂中形成混合液，所述混合液引入喷雾干燥装置2中进行喷雾干燥，得到团聚颗粒，将团聚颗粒引入混合器Ⅰ32中，气体经气体加压装置Ⅰ31加压提速之后缓存于气体缓冲罐Ⅰ33中，之后进入混合器Ⅰ32以对源自喷雾干燥装置2的团聚粉体颗粒进行混合提速；气体经气体加压装置Ⅱ41加压提速之后缓存于气体缓冲罐Ⅱ43中，之后进入混合器Ⅱ42以对源自干燥装置Ⅱ43的硬质微粒进行混合提速；经提速后的混有团聚粉体颗粒的高速气流与混有硬质微粒的高速气流同时进入高速气流对撞装置5中进行正面高速对撞，以使得团聚粉体颗粒解聚成纳米级超细粉体，之后将所得撞击产物引入粉体分离装置6中将粉体和硬质微粒分离，粉体引入纳米粉体收集器7中，硬质微粒引入硬质微粒收集器8中。

本实用新型提供的纳米粉体的分散设备适用于对纳米硅基材料(如SiO材料、SiO₂材料)、碳材料以及其它金属或非金属粉末等。待分散的团聚纳米粉体的粒径一般为3μm～100μm。其中，原始单体粒径均为100nm以下，优选为20nm～50nm。

倘若仅利用气流将团聚颗粒自身进行简单对撞粉碎，由于团聚颗粒密度小，粉体与粉体对撞时分散效果不够理想，难以将微米级团聚颗粒分散成更细的纳米级粉体。而利用团聚颗粒与碳化钨粉末、氧化锆微珠或硬质合金钢珠这些密度大、硬度高的微粒高速对撞，较为疏松的团聚颗粒能够被撞击分散成理想的纳米级粉体，尺寸能够得到明显降低。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims

1.一种纳米粉体的分散设备，其特征在于，所述纳米粉体的分散设备包括初步分散装置、喷雾干燥装置、混合加速装置Ⅰ、混合加速装置Ⅱ、高速气流对撞装置和粉体分离装置，所述高速气流对撞装置包括狭窄腔体以及设置于狭窄腔体上的两个物料入口通道和至少两个物料出口通道，且两个物料入口通道呈同轴相向设置；所述初步分散装置的出料口与喷雾干燥装置的入料口连通，所述喷雾干燥装置的出料口与混合加速装置Ⅰ的粉体入口连通，所述混合加速装置Ⅰ的出料口与高速气流对撞装置的其中一个物料入口通道连通，所述混合加速装置Ⅱ的出料口与高速气流对撞装置的另一个物料入口通道连通，所述高速气流对撞装置的物料出口通道与粉体分离装置的入料口连通。

2.根据权利要求1所述的纳米粉体的分散设备，其特征在于，所述初步分散装置包括依次连通的低速搅拌器、超声波分散器和高速搅拌器，所述高速搅拌器的出料口与喷雾干燥装置的入料口连通。

3.根据权利要求2所述的纳米粉体的分散设备，其特征在于，所述低速搅拌器的转速为100rpm～200rpm；所述超声波分散器的超声波频率为20kHz～100kHz；所述高速搅拌器的转速为5000rpm～30000rpm。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的纳米粉体的分散设备，其特征在于，所述喷雾干燥装置包括干燥罐，所述干燥罐顶部设置有雾化器，所述喷雾干燥装置的入料口与雾化器连通，所述喷雾干燥装置的出料口设置于干燥罐的底部。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的纳米粉体的分散设备，其特征在于，所述混合加速装置Ⅰ包括气体加压装置Ⅰ和混合器Ⅰ，所述气体加压装置Ⅰ的气体出口与混合器Ⅰ的气体入口连通，所述混合加速装置Ⅰ的粉体入口设置于混合器Ⅰ上；所述混合加速装置Ⅱ包括气体加压装置Ⅱ和混合器Ⅱ，所述气体加压装置Ⅱ的气体出口与混合器Ⅱ的气体入口连通，所述混合器Ⅱ上设置有硬质微粒入口，且所述混合加速装置Ⅱ的出料口设置于混合器Ⅱ上。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述的纳米粉体的分散设备，其特征在于，所述高速气流对撞装置的内部气流流道呈十字形或米字型，狭窄腔体位于内部气流流道的交叉位置。

7.根据权利要求1～3中任意一项所述的纳米粉体的分散设备，其特征在于，所述高速气流对撞装置的物料入口通道和物料出口通道的横截面积各自独立地为0.2mm～10mm。

8.根据权利要求1～3中任意一项所述的纳米粉体的分散设备，其特征在于，所述高速气流对撞装置的材质为硬质合金。

9.根据权利要求1～3中任意一项所述的纳米粉体的分散设备，其特征在于，所述高速气流对撞装置的外部设置有夹套，以用于通冷却液冷却。

10.根据权利要求1～3中任意一项所述的纳米粉体的分散设备，其特征在于，所述粉体分离装置为旋风分离器或超细粉体分级机。