TW200529705A - Method for producing nano oxide powder using D.C. plasma thermo-reaction - Google Patents

Description

200529705 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發日⑽、有關―種奈綠體職造方法，特暇—種料 應製造奈米級之氧化物粉體的方法。 【先前技術】 奈米粉體是指晶粒尺寸<i_m (腦·eter)的超細材料。1 體積百分比可趨近鱗_個部分：—是紐顧個錢十個^^晶 粒子’二是粒子表面或粒子_界面。前者财長料序的晶㈣構、^ 者是既沒有絲序也沒有練序的無雜構。此特殊結構及高表面積導致 材料的力學性能、雜、介紐、㈣性、光學乃至熱力學錄的改變。 多種合成奈米減的觀已_展蜂，其製備綠粗分為兩大 類：（1)由上而下(T〇p—d〇wn)，例如高能機械研磨(HighEn嘲Mec_— Milling) ; (2)由下而上（B〇tt〇m-up)，例如氣相凝結（Gas phase Sondensatmn，GPC)，液相化學析出（Uquid phase chemicai

PreCipitl〇n)，溶膠-凝。卜gel)等。—般而言，以液相的方式來合成 奈未粉體，雜成本較低，但是健的純度不高，且其躲 問題較為嚴重。 已知用以製造奈米粉體的技術，例如：美國專利第546侧號，立中 揭露-種將欲合成之金屬氧化物之金屬棒材作為—雜式電極置於陽極， 在通=電$後，該電極與另—端陰極產生電漿電弧，該金屬棒材氣化，再 以鈍氣/氧氣流絲化之金屬騎快賴職化形成金屬氧化物之粉體， 這種方式之金屬棒必須在耗餅補充，才驗得金屬氧働粉體能夠 不斷生成。 fW〇97〇5"4號專利中則是揭露一種先將欲製造之金屬先製成一先 驅物溶液^(precursor)，再將該先驅物加熱至超臨界（亭㈣丨⑻溫度附 近使之族化狀或氣化，ϋ用載送氣體(carrfer㈣將霧（氣）化先驅物喷出， 混合成-反應性讀，在經過電漿反應而得—粉體。這種方式則是必須將 200529705 被處理物版成一溶液狀態才能使用，且必須將先驅物加熱至超臨界溫度。 另外，在美國專利第5876688號，係使用喷霧器將鋅有機鹽類化合物 溶液喷入溫度在25〇至2〇0(TC的火焰或電漿中，以製造粒徑詹麵的氧化 鋅奈米粉體。在美國專利第5958361號所揭露的技術，則是將已溶於揮發 性或可燃性有機溶劑且包含一種以上glyc〇Iat〇 p〇】ym的沾⑽紐⑽i之陶瓷先 驅物溶液(precursorsoIution)霧化，再以火焰熱解先驅物溶液的液滴，以獲 付奈米氧化物粉體。而在美國專利第6〇99696號的技術中，則特別設計了 一種消耗式電極組，並在其間導入氫或其它用以產生電漿的氣體，配合直 流電流產生所需的電漿，再將碳材、碳氫化合物、或其二者的混合物^入 電漿，以製造奈米碳材。 上述這些方法均須將原料金屬施以前處理，例如將金屬製成一消耗式 電極，並辦於電極耗盡時加關充；献將金屬製成—先驅物原料溶液， 再加熱至超臨界溫度等繁雜步驟。 【發明内容】 本發明之主要目的在提供一種可以連續式量產奈米氧化物粉體的方 法。 依據本發_方法’係獅非消耗式電極直流電釘職—transferred DC plaSme)提供反應生成過程所需的能源，再以連續供給的方式將固離的 先驅物〇Vecursor)原料送入電漿之中，使之氣化並且產生氧化反應:進 而^成奈米（nanometer)級的氧化物粉體，故能達到連續式量產之目的，而 且沒有如習知技術採用消耗式電極又須要補充電極的問題。 本發明之另-目的在提供-種可以連續式量產具有高純度、高度分散 之奈米氧化物粉體的方法。 本發明所娜的方法，更透過控制電时出口之大小的方式，形成高 速的電漿條(plasma Μ)，魏麟依綠神、域驗(細腿 =)流量及種類調整，最高可達2馬赫(Mach)以上，使得整個反應約在 10,秒内完成，可防止反應生成的奈米氧化物粉體粗化及凝結團聚，並 200529705 得到-高純度且高度分散之奈米級氧化物粉體。而此 米粉體之化學組成、相純度、結構、鍾尺寸及形狀等特性4制該奈 粉 將^一^士依據树明所揭露的方法，其可以控制的製程參數包括電 水ί率產生電漿的乳體種類及流速、先驅物原料的種類，以及電聚射 的速度…等；故缺_奈錄化物健德學城 ^ μ 體尺寸及形狀等特性。 、、化又、、、口構 【實施方式】 本發明所揭露的方法，基本上包括有·· DC plasme)^^^ 10(心考苐1圖」），這個電漿產生器10透過在其非消耗式電極11導 入直流電流的方式產生電弧(紅），並且將用喊线漿所需的電漿生成氣 體(Plasmagas)12導入電弧而在其電漿區2〇生成電漿，用以提供反應生成 過程所需的能源； 〜 產生電漿射流(plasma jet)22的步驟，係透過控制電漿區2〇之電漿喷 出口 21之大小的方式，形成高速的電漿射流22，其速度再依電漿功率、電 漿生成氣體12的流量及種類調整； 將高純度的固態先驅物原料30送入電漿區2〇的步驟，使之氣化並產 生氧化反應，然後隨著電漿射流22喷出；以及 冷卻的步驟，係利用大量冷卻氣體50對隨著電漿射流22喷出的氣化 原料粉體快速冷卻，而以均質成核方式生成奈米氧化物粉體4〇。 依據本發明的較佳實施例，所選用的固態先驅物原料原料3〇包括有： 向純度金屬線或微米級金屬、金屬碳酸鹽、金屬硝酸鹽、金屬草酸鹽、金 屬含氧酸銨鹽、金屬氧化物粉體；其中的各種微米級金屬及其鹽類化合物 200529705 泰體或疋彳政米級的氧化物粉體，係藉由載送氣體（carriergas)3l經由導管 32而被送入電漿區20，而這裡所選用的載送氣體31視固態先驅物原料刈 的原料種類而定，其包含空氣、氬氣、氮氣、氧氣之中的任一種或任二種(含) 以上的混合氣體，而這種載送氣體31除了可以與固態先驅物原料3〇在電 漿區20的電漿射流22中先行發生反應（如氧化反應）之外，亦可以透過控 制載迗氣體31之流量的方式影響最後生成之奈米氧化物粉體4〇的特性。 以下就配合圖式，以一較佳實施例（請參考「第2圖」）說明本發明用以製 造奈米氧化物粉體的過程如下。 衣 對電漿產生器10導入鈍氣如氬、氦氣或其它如氫、氮氣等用以產生電 漿之電漿生成氣體(plasma gas)12，該電漿生成氣體12包含G—職的^ (Αι〇 ' 0-100%❸氮⑹、0-25%的氫⑹，換句話說即是該電漿生成氣體12 可=是氬氣或氮氣，亦可以是統、氮氣和氫氣三者巾任二贼以上的混 合氣’電漿生成氣體12的流速係為每分鐘⑽—瓢（L/min)電漿功 50-140kw ； 對非消耗式電極11供給4術及17G-25GA的直流電，使電極u(含正 負電極）間產生電弧，前述的電漿生成氣體12通過電弧時，將因為電弧之 高能量而被離子化純電漿區2G形成電漿，同咖高溫電漿之體積急速膨 脹，自《區2〇之電漿喷出口 21噴出而形成一電漿射流(pi麵Μ)22， 透舰制《㈣之電漿喷出口 21之大小的方式，即可形成高速的電裝 射· 22，其速度再依電漿功率、電漿生成氣體12之流量及種類調整即可； _將口1先輸原料3ΰ，如微米級的高純度金屬、金屬氯錄、金屬碳 5二二1肖‘鹽、金屬草酸鹽、金屬含氧酸銨_金屬氧化物粉體利用 22 30 ^ 11 rtVnv欧母刀4里3—25L，固態先驅物原料30的進料速率為每小時為 U. 〇~u. UK^ > 一 3射Γ 22厂連同乳化的原料粉體進人—反應腔33，在反應腔33中的 乳乱含有乳氣，壓力控制在丨bar ; 氣化之原料粉體的金屬氣體分子在反應腔33中與氧氣分子反應而氡 200529705 化，並以均質，核方式生成奈米氧化物粉體4〇; 40粗’概奈米氧化物— 之、、&人，、包合.空氣、氮⑽或是空氣與氮㈤ 之心卩工崎分鐘的流量為卜W (mvmin)。 斤不係為知用本發明之方法所製成的氧化鋅(Zn0)粉體， :由3二:崎所拍攝之微觀相片’該粉體平均粒度分布為25麗、 ‘由BET氣體吸附測得其比表面積為28以。 如二第4圖」所示’係為採用本發明之方法所製成的氧化錫⑽撕體， 、、里由測里，其粉體平均粒度分布為l5nm。 如「第5圖」所示’為採用本發明之方法所成的氧化紹(皿)粉體，立平 均粒度分布為40簡，經由BET氣體吸附測得其比表面積為4im2/g。 雖然本發明的技術内容已透過上述的實施例揭露如前，惟以上所述 者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明之保護範圍， 即凡依本㈣t料纖顺狀解變化與修飾，皆應偏本發 之範圍。 … 200529705 【圖式簡單說明】 第1圖，係為實現本發明之方法的設備之功能方塊圖。 第2圖，係本發明之較佳實施例的方法步驟流程圖。 第3圖，係為採用本發明之方法製成的氧化鋅(ZnO)奈米粉體之電子顯微鏡 照片。 第4圖，係為採用本發明之方法製成的氧化錫(Sn〇2)奈米粉體之電子顯微鏡 照片。 、 第5圖，係為採用本發明之方法製成的氧化鋁（Al2〇3)奈米粉體之電子顯微 鏡照片。 【圖式符號說明】 10 ........電漿產生器 11 ........非消耗式電極 12 ........電漿生成氣體 20 ........電漿區 21 ........電漿喷出口 22 ........電漿射流（plasma jet) 30 ........固恶先驅物原料 31 ........載送氣體 32 ........導管 33 ........反應腔 40........奈米氧化物粉體 50........冷卻氣體

Claims (1)

1. 200529705 拾、申請專利範圍： 1. 一種利用直流電漿熱反應製造奈米氧化物粉體之方法，豆包含 驟： /、 y 提供一種非消耗式電極直流電^_—transferred DC咖蒙)產生器 的步驟，該電漿產生器具有一非消耗式電極，一電漿區及一電漿喷出口了 在該電漿區生成電漿的步驟，係透過在該非消耗式電極導入直流電流 的方^產生電弧(arc)，並且將用以產生電漿所需的電漿生成氣體(ph別^ gas)达至該電弧而在該電漿區生成該電漿； 產生一電漿射流(plasma jet)的步驟，透過控制該電漿區之電漿喷出 口之大小的方式，形成該電漿射流； 、 高純度的_先驅物原料連續送人該電漿區之電漿射流的步驟，使 該固態先物祕氣化並產生氧化反應，然後隨著該電漿射流喷出；以及 冷部的步驟，侧用大量冷卻氣體職著該賴概仙的氣化原 粉體快速冷卻，財成—奈米氧化物粉體。 2·如申請專概圍第丨顧糊用直流電反隸造奈米氧化物粉體 之方法，其中該電漿生成氣體係選自於由氬、氦、氫和氮氣所組成 族之一。 3·如申睛專利範圍第i項所述利用直流電漿熱反應製造奈米氧化物粉體 ^去射雜漿生献_選自於由氬氣、氮氣和氫氣所組成的群 私中任二種或以上的混合氣。 4·如申請專利範圍丨項所述利用直流電漿熱反應製造奈米氧化物粉體之 方法’其巾賴態先驅物原料的進料速度係為Q. 5_2. 。 5·如申請專利範圍丨項所述利用直流電漿熱反應製造奈米氧化物粉體之 方法，其巾棚態先麟原料係為—金屬線。 •如申π專利範圍1項所述利用直流電漿熱反應製造奈米氧化物粉體之 方法，其中該義先_原料係為選自於由微米級的金屬、金屬碳酸 鹽、金屬俩鹽、金屬草酸聲、金屬含氧酸銨鹽和金屬氧化物粉體所組 200529705 成的群族之一。 7· 如申請專利第6項所述_直流電雜反應製造奈 其中該嶋先驅物原料係由—载送氣體連續送人該電漿區之電 聚射流。 8.專:，第7項所述利用直流娜反應製造奈米氧化物粉體 之載送氣體錢自純含找、狀、魏和氧氣所組成 9· 圍第7項所述利用直流電酿應製造奈米氧化物粉體 該載送氣體係選自於包含空氣、氬氣、氮氣和氧氣所組成 <群組中任二種或以上的混合氣。 專圍第7項所述利用直流電漿熱反應製造奈米氧化物粉體 u方法，其中該載送氣體之流速為3-25 LAnin。 • ΪΠ專圍第1項所述利用直崎熱反應製造奈米氡化物粉體 〈万法，其中該冷卻氣體為空氣。 A 專圍第1項所述利用直流電聚熱反應製造奈米氧化物粉體 万法，其中該冷卻氣體為氮氣。 體 圍第1項所述利用直峨熱反應製造奈米氧化物粉 14 彳八中该冷卻氣體為空氣與氮氣之混合氣體。 .1賴述_直流電漿熱反應製造奈米氧化物粉體 法，，、中該冷卻氣體的流速為丨―5mVmin。