CN216857159U - 一种适用于在基体上高效分散纳米材料的液体喷涂装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种适用于在基体上高效分散纳米材料的液体喷涂装置，属于喷涂装置技术领域。所述装置包括底座、壳体、加热装置、高度调节组件、横梁、滑块、转动连接组件、喷头、连接管Ⅰ、连接管Ⅱ、泵以及超声分散机，壳体、超声分散机以及高度调节组件均安装在底座上，且高度调节组件位于壳体内部，加热装置安装在高度调节组件上，待喷涂的基体铺放在加热装置的加热平台上，滑块与横梁滑动配合且安装在壳体内部，喷头通过转动连接组件与滑块连接，泵输出端通过连接管Ⅰ与喷头连接，泵输入端通过连接管Ⅱ与超声分散机连接，待喷涂溶液装入超声分散机中，该装置结构简单，容易操作，能耗低，无污染，效率高，具有产业化的潜力。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种适用于在基体上高效分散纳米材料的液体喷涂装置，属于喷涂装置技术领域。
背景技术
纳米材料(如碳纳米管、石墨烯等)由于其自身优异的力学性能以及特殊的结构特征等，是一种具有潜力的纳米强化相，目前已被广泛应用于增强树脂基体、陶瓷基体和金属基体，使复合材料兼具优异的力学和物理性能。然而，采用纳米材料作为增强相时，通常采用球磨实现增强相在基体中的分散，但是球磨过程容易造成增强相本征结构的破坏，而且增强相由于自身团聚现象导致其在基体中分散不均匀，进而会影响对复合材料性能的改善效果。
例如将石墨烯作为增强体用于制备石墨烯增强钛基复合材料，相比纯钛和钛合金基体获得了明显的强度提升。但是采用粉末冶金制备过程中，石墨烯团聚以及石墨烯结构破坏等问题一直制约着钛基复合材料性能的进一步提升。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种适用于在基体上高效分散纳米材料的液体喷涂装置，将纳米材料分散到具有挥发性的溶剂中，在喷涂过程中可以使待喷涂溶液维持超声状态，喷涂在基体上之后溶剂挥发，在基体表面可以留下均匀分散的纳米材料，该装置结构简单，效率高，而且能够使纳米材料的本征结构完好保留且分散均匀。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。
一种适用于在基体上高效分散纳米材料的液体喷涂装置，所述装置包括底座、壳体、加热装置、高度调节组件、横梁、滑块、转动连接组件、喷头、连接管Ⅰ、连接管Ⅱ、泵以及超声分散机；
底座的上表面加工有凹槽；
壳体为一端开放的中空结构，且壳体上加工有通风口；
加热装置含有加热平台；
壳体和超声分散机均安装在底座的上表面上，且壳体与底座上表面形成一个封闭腔体；高度调节组件安装在底座的凹槽中，加热装置安装在高度调节组件上，待喷涂的基体铺放在加热装置的加热平台上；横梁安装在壳体的内部，滑块安装在横梁上且与横梁滑动配合，喷头通过转动连接组件与滑块连接且喷头位于加热装置的加热平台上方；连接管Ⅰ穿过壳体，一端与喷头连接，另一端与泵的输出端连接；待喷涂溶液(纳米材料与具有挥发性的溶剂配制而成)装入超声分散机中，连接管Ⅱ的一端与泵的输入端连接，连接管Ⅱ的另一端与超声分散机连接。
采用上述喷涂设备实现纳米材料在片状基体表面上均匀分布的具体操作如下：通过高度调节组件调整加热装置的加热平台的高度，将待喷涂的基体平铺在加热装置的加热平台上，设置加热装置的加热温度，调整滑块在横梁上的位置，通过调整转动连接组件调整喷头的喷雾角度，打开超声分散机对其内部的待喷涂溶液进行超声分散，待加热装置达到设定温度时，打开泵对基体的表面进行喷涂，喷涂在基体表面的雾化液滴中的溶剂挥发后在，纳米材料在基体的表面均匀分布。
进一步地，所述装置还包括通风扇，通风扇安装在壳体的通风口处，有利于促进喷涂过程中溶剂的挥发。
进一步地，壳体为一端开放一端封闭的长方体中空结构时，壳体两个相对的内表面的相对位置沿水平方向(即与底座上表面平行的方向)均加工有滑动槽，横梁安装在壳体的滑动槽内且与滑动槽滑动配合，可以使横梁在水平方向滑动，以便实现对大尺寸基体的处理。
其中，滑块在横梁上的滑动以及横梁在壳体上的滑动，可以手动滑动也可以自动滑动，自动滑动时还需要配备相应的驱动设备。
进一步地，高度调节组件为可调垫块或者升降机构，通过更换不同高度的可调垫块或者通过升降机构升高、下降，以达到调整加热装置的加热平台的高度。
进一步地，转动连接组件包括转杆和转接轮，转杆的一端与滑块连接，转杆的另一端与转接轮连接，喷头安装在转接轮上。
进一步地，喷头的喷孔尺寸越小，喷雾液滴越细，喷涂在基体上的纳米材料分布越均匀，但相应地喷涂时间增加；喷孔尺寸过大，则容易导致基体表面的纳米粉体团聚。则喷头中喷孔的直径设为0.2mm～0.4mm。
进一步地，喷头的喷雾角度(喷头中喷孔的中心轴线与底座上表面夹角)为60°～90°，喷雾高度(喷头中喷孔与基体之间的距离)为5cm～10cm。喷雾角度越小，喷雾高度越低，则基体单位面积上喷涂纳米材料的密度增大；喷雾角度增大，高度升高，虽然可以使喷雾效率提高，但纳米材料在基体上的分散均匀度有所下降。
进一步地，选用片状的基体。
有益效果：
(1)本实用新型所述装置中包含超声分散机，在喷涂过程中可以一直对待喷涂溶液进行超声分散，更能确保纳米材料的均匀分散,抑制其静置时团聚。
(2)本实用新型所述装置中包含加热装置，可以使喷涂在基体上的雾化液滴中的溶剂快速挥发，避免小液体凝聚在一起，导致干燥后出现纳米材料团聚。
(3)本实用新型所述装置，可以通过调节喷枪的口径、速度、高度和角度对喷涂在基体表面的纳米材料分布状态进行设计，实现纳米材料在基体表面的均匀分布。
(4)本实用新型所述装置结构简单，容易操作，能耗低，无污染，整个喷涂过程仅需几秒～几十秒完成，效率高，具有产业化的潜力；而且采用该装置不仅能够实现纳米材料在基体上的均匀分布，还能够使纳米材料的本征结构完好保留，有利于充分发挥纳米材料本身的力学性能优势。
附图说明
图1为本实用新型所述液体喷涂装置的结构示意图。其中，1-壳体，2-底座，3-基体，4-可调垫块，5-加热装置，6-横梁，7-滑块，8-转杆，9-转接轮，10-喷头，11-通风扇，12-连接管Ⅰ，13-泵，14-连接管Ⅱ，15-超声分散机，16-待喷涂溶液。
图2为纳米材料通过液体喷涂在基体表面均匀分散的机理示意图。
图3为实施例1中喷涂在钛箔表面的石墨烯分布状态的低倍扫描电子显微镜(SEM)图。
图4为实施例1中喷涂在钛箔表面的石墨烯分布状态的高倍扫描电子显微镜图。
图5为实施例1中喷涂在钛箔表面的石墨烯与原始石墨烯粉的拉曼光谱对比图。
图6为对比例1中通过球磨获得的混合粉体的扫描电子显微镜图。
图7为对比例1中通过球磨获得的混合粉体的EDS能谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。另外，在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
以下实施例中：
石墨烯粉：纯度＞90％，尺寸为1μm～20μm，生产厂家为苏州碳丰科技有限公司。
钛箔：冷轧钛箔，厚度为20μm～100μm，密度4.51g/cm3，销售厂家为宝鸡市金埠钛镍设备制造有限公司。
拉曼光谱仪：型号为inVia-Reflex。
扫描电子显微镜：日本HITACHI公司生产的HITACHI S-4800N场发射扫描电子显微镜。
实施例1
一种适用于在基体上高效分散纳米材料的液体喷涂装置，所述装置包括底座2、壳体1、加热装置5、高度调节组件、通风扇11、横梁6、滑块7、转动连接组件、喷头10、连接管Ⅰ12、连接管Ⅱ14、泵13以及超声分散机15，如图1所示；
底座2的上表面加工有凹槽；
壳体1为一端开放一端封闭的长方体中空结构，且壳体1的封闭端加工有通风口；
加热装置5含有加热平台；
高度调节组件为可调垫块4；
转动连接组件包含转杆8和转接轮9；
壳体1安装在底座2的上表面上，壳体1的开放端与底座2上表面形成一个封闭腔体，通风扇11安装在壳体1的通风口处；可调垫块4放置在底座2的凹槽中，加热装置5放置在可调垫块4上，待喷涂的片状基体3铺放在加热装置5的加热平台上；横梁6安装在壳体1的内部，滑块7安装在横梁6上且与横梁6滑动配合；转杆9的一端与滑块7连接，转杆9的另一端与转接轮8连接，喷头10安装在转接轮8上，且喷头10位于加热装置5的加热平台上方；超声分散机15安装在底座2的上表面上且位于壳体1的一个侧面，泵13安装在超声分散机15的上端，待喷涂溶液16装入超声分散机15中，连接管Ⅱ14的一端与泵13的输入端连接，连接管Ⅱ14的另一端与超声分散机15连接；连接管Ⅰ12穿过壳体1，一端与喷头10连接，另一端与泵13的输出端连接。
采用上述喷涂设备实现纳米材料在片状基体表面上均匀分布的具体操作如下：通过高度调节组件调整加热装置5的加热平台的高度，将待喷涂的基体3平铺在加热装置5的加热平台上，设置加热装置5的加热温度，调整滑块7在横梁6上的位置，通过调整转动连接组件调整喷头10的喷雾角度，打开超声分散机15对其内部的待喷涂溶液16进行超声分散，待加热装置5达到设定温度时，打开泵13对基体3的表面进行喷涂，喷涂在基体3表面的雾化液滴中的溶剂挥发后在，纳米材料在基体3的表面均匀分布，如图2所示。
以钛箔作为基体3，采用所述装置将石墨烯均匀分散在基体3表面上的具体操作如下：
(1)将石墨烯粉加入乙醇中，先使用超声分散机在150W的超声功率下超声分散30min，再使用细胞粉碎机在350W的超声功率下超声分散30min，使石墨烯粉均匀分散到乙醇中，配制成石墨烯浓度为2mg/mL的待喷涂溶液16；
(2)将钛箔超声清洗干净并烘干，然后将钛箔平铺到喷涂设备的加热平台上，将配制的待喷涂溶液16倒入喷涂设备的超声分散机15中并使超声分散机15以100W的超声功率保持连续超声状态，待加热装置5的加热平台温度达到120℃并保温30s后，打开通风扇11，并打开泵13对钛箔的表面进行喷涂，喷涂在钛箔表面的雾化液滴中的乙醇挥发后，石墨烯均匀分布在钛箔表面；
其中，喷涂过程中的工艺参数如下：喷头10中喷孔的直径为0.2mm，泵13输出端输出的待喷涂溶液16流量为1.4L/h，喷头10的喷雾角度为60°，喷头10与钛箔之间的距离为6cm，单次喷雾时间为0.5s，每间隔5s喷雾一次，共喷雾4次。
从图3的低倍SEM照片可以看到，石墨烯在钛箔表面均匀分布，基本无团聚现象的产生；从图4的高倍SEM照片中可以清楚地看到，石墨烯被喷涂在钛箔表面后依然保持的较好的薄片状结构，且尺寸相对原始粉末基本没有变化。
从图5的拉曼光谱中可以看到，喷涂在钛箔表面的石墨烯ID/IG值仅为0.154，相比原始石墨烯缺陷增加较少；在200cm-1～600cm-1范围内未发现碳化钛的峰，说明喷涂后石墨烯与钛箔无界面反应发生。由此可以证明，经过喷涂步骤后，石墨烯在钛箔表面的本征结构保留完好。
对比例1
在实施例1的基础上，将钛箔替换成等质量粒径为20μm的纯钛球形粉末；按照实施例1中钛箔表面喷涂的石墨烯面积，可以定量计算出石墨烯在负载石墨烯的基体中的体积百分比为0.223vol％，则按照相同的体积比例采用球磨法将石墨烯粉分散在纯钛球形粉体中的具体操作如下：
(1)将石墨烯粉与纯钛球形粉末按照0.223：99.777的体积比混合并加入乙醇中，先使用超声分散机在150W的超声功率下超声分散30min，再使用细胞粉碎机在300W的超声功率下超声分散30min，得到分散均匀的混合浆液；
(2)将混合浆液加入尼龙罐中，并按照10:1的球料比加入氧化锆球磨珠，球磨转速设为350rpm，球磨2.5h后，将球磨后的混合浆液转移至旋转蒸发仪中旋蒸除去乙醇溶剂，得到石墨烯与纯钛球形粉的混合粉体。
从图6中可以看出，经过球磨后石墨烯的结构破坏较为严重，而且出现一定程度的叠层团聚现象。另外，球磨会导致钛粉产生氧化物碎屑融入混合粉体中，从图7的EDS能谱图中可以看出杂质元素氧和氮的含量很高，说明经过球磨会造成混合粉体的污染较为严重。
综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种适用于在基体上高效分散纳米材料的液体喷涂装置，其特征在于：所述装置包括底座、壳体、加热装置、高度调节组件、横梁、滑块、转动连接组件、喷头、连接管Ⅰ、连接管Ⅱ、泵以及超声分散机；
其中，底座的上表面加工有凹槽；壳体为一端开放的中空结构，且壳体上加工有通风口；加热装置含有加热平台；
壳体和超声分散机均安装在底座的上表面上，且壳体与底座上表面形成一个封闭腔体；高度调节组件安装在底座的凹槽中，加热装置安装在高度调节组件上，待喷涂的基体铺放在加热装置的加热平台上；横梁安装在壳体的内部，滑块安装在横梁上且与横梁滑动配合，喷头通过转动连接组件与滑块连接且喷头位于加热装置的加热平台上方；连接管Ⅰ的一端与位于壳体内部的喷头连接，连接管Ⅰ的另一端与位于壳体外部的泵的输出端连接；待喷涂溶液装入超声分散机中，连接管Ⅱ的一端与泵的输入端连接，连接管Ⅱ的另一端与超声分散机连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于在基体上高效分散纳米材料的液体喷涂装置，其特征在于：所述装置还包括通风扇，通风扇安装在壳体的通风口处。
3.根据权利要求1所述的一种适用于在基体上高效分散纳米材料的液体喷涂装置，其特征在于：壳体为一端开放一端封闭的长方体中空结构时，壳体两个相对的内表面的相对位置沿水平方向均加工有滑动槽，横梁安装在壳体的滑动槽内且与滑动槽滑动配合。
4.根据权利要求1所述的一种适用于在基体上高效分散纳米材料的液体喷涂装置，其特征在于：高度调节组件为可调垫块或者升降机构。
5.根据权利要求1所述的一种适用于在基体上高效分散纳米材料的液体喷涂装置，其特征在于：转动连接组件包括转杆和转接轮，转杆的一端与滑块连接，转杆的另一端与转接轮连接，喷头安装在转接轮上。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种适用于在基体上高效分散纳米材料的液体喷涂装置，其特征在于：喷头中喷孔的直径设为0.2mm～0.4mm。
7.根据权利要求1至5任一项所述的一种适用于在基体上高效分散纳米材料的液体喷涂装置，其特征在于：喷头的喷雾角度为60°～90°，喷雾高度为5cm～10cm。
8.根据权利要求1至5任一项所述的一种适用于在基体上高效分散纳米材料的液体喷涂装置，其特征在于：选用片状的基体。
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| CN202121808466.6U CN216857159U (zh) | 2021-08-04 | 2021-08-04 | 一种适用于在基体上高效分散纳米材料的液体喷涂装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024036442A1 (zh) * | 2022-08-15 | 2024-02-22 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 喷涂装置 |
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2021
- 2021-08-04 CN CN202121808466.6U patent/CN216857159U/zh active Active
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| WO2024036442A1 (zh) * | 2022-08-15 | 2024-02-22 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 喷涂装置 |
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