[發明專利]連續化水熱法制備亞微米材料的裝置系統及其制備工藝

有效

• 申請號: 201510312872.6
• 申請日: 2015-06-09
• 公開（公告）號: CN104986796A
• 公開（公告）日: 2015-10-21
• 發明（設計）人: 徐程浩;楊德建
• 申請（專利權）人: 張家港合志納米科技有限公司
• 主分類號: C01G23/053
• 分類號: C01G23/053;C01B25/45
• 代理公司: 北京商專永信知識產權代理事務所(普通合伙) 11400
• 代理人: 邢若蘭;高之波

技術領域

本發明涉及亞微米材料的液相法制備工藝，特別涉及一種連續化水熱法制備亞微米材料的裝置系統及其制備工藝。

背景技術

超細粉體技術是20世紀70年代中期發展起來的新興學科，超細粉體幾乎應用于國民經濟的所有行業。它是改造和促進油漆涂料、信息紀錄介質、精細陶瓷、電子技術、新材料和生物技術等新興產業發展的基礎，是現代高新技術的起點，日趨成為各國研究的重點。隨著物質的超細化，其表面電子結構和晶體結構發生了變化，產生了塊狀材料不具備的表面效應，小尺寸效應，量子效應和宏觀量子隧道效應，從而使超細粉體與常規顆粒材料相比具有一系列優異的物理、化學性質。而這些獨特的物理化學性質使得其在電子學、化學化工、生命科學、醫學等眾多領域有著廣泛的應用前景。依據材料粒徑的不同，國際上公認小于1nm為原子團簇，1nm～100nm為納米尺度空間，100nm～1μm為亞微米體系，1μm～10μm為微粉體，10μm～45μm為細粉體。亞微米級材料是超細材料中的一個重要體系，又可分為深亞微米級(100nm～500nm)和亞微米級(500nm～1μm)。

對于某一特定的超細粉體，僅上述劃分是不夠準確的，一般超細粉體的粒徑分布呈正態分布規律。例如：一種超細粉體，有70％小于1μm，屬于亞微米粉體，還有30％大于1μm屬于微米粉體，如何確定上述粉體是微米或者亞微米粉體。應該從某種物料的應用角度出發，采用D95粒徑的體積分數或D97粒徑的體積分數，甚至D50粒徑的體積分數小于某一值來定義是屬于微米粉體或亞微米粉體或納米粉體。本專利中的亞微米級粉體采用D50、PDI(粒徑分布系數)，和D97＜1μm的三個指標共同來確定產品的粒徑體系。

超細材料具有優異的物化性質，而這些性質又受到超細材料的尺寸、形貌結構的影響，因此工業化實現其控制合成及研究其結構與性質之間關系對于基礎研究和技術應用都具有重要意義。水熱法是液相反應結晶工藝制備超細材料的一種重要方法，水熱結晶法是在特制的密閉反應器中，采用水溶液作為反應體系，通過對反應體系加熱、加壓(或自生蒸氣壓)，創造一個相對高溫、高壓的反應環境，使得通常難溶或不溶的物質溶解，發生化學反應，并且重結晶而進行無機合成與材料處理的一種有效方法。產品性能穩定，操作簡單，過程和產品質量可控，制備的產品粉末物相均一，純度高、顆粒粒徑小而分布均勻，適用于超細功能材料的制備。

連續水熱法作為低成本制備工藝已受到全世界越來越多的關注，國內還沒有連續化生產的相關報道，國內采用的多數方法為釜式壓力容器的間歇操作，而這樣的操作存在著：①壁面傳熱系數低，加熱時間長，能耗高；②料漿中粉體顆粒易于粘壁，更加降低傳熱效率；③高溫高壓條件下，釜體密封困難，釜體局部壓力、溫度可能出現不均勻現象，安全性較低；④大規模生產設備與小試、中試裝置產品性能差異大。

連續水熱法之所以在實際應用中還沒有被廣發采納，我們認為主要在于對液相水熱反應結晶過程的機理以及實際工程化過程中的如何控制相關參數來控制晶體產品的物化性能。液相水熱反應結晶過程是一個化學和結晶兩個過程組成，涉及化學反應、晶體成核、晶體生長以及晶體的二次過程(聚集、生長分散、熟化等等)，化學反應產生過飽和度，化學反應的快慢且伴隨著的溶液pH值的變化等等都直接影響著結晶過程；其次，由于產品的粒徑較小，存在著較大的比表面，晶體非常容易發生聚集生長；再其次，由于前驅體的特殊性，影響化學反應過程的還涉及到前驅體的溶解速率問題，而溶解速率的快慢又與前驅體的粒度，升溫速率等等相關，結晶過程與過飽和度及其分布的均勻性密切相關。總而言之，這是一個相當復雜的多相過程，要求我們在實際的裝備設計上充分的屏蔽掉一些對產品物化性能影響波動較大的因素(將一些參數值穩定在最佳范圍，避免其對結晶過程產生重大影響)，將重點放在對結晶的控制上，盡量做到控制單一或幾個因素就能穩定結晶產品。簡言之，高過飽和度且分布均勻同時控制超細顆粒表面電位是制備均勻亞微米材料的關鍵。

發明內容

本發明提供了一種連續化水熱法制備亞微米材料的裝置系統及其制備工藝，該裝置系統及制備工藝解決了連續水熱法制備亞微米材料的裝置及工藝技術不成熟、結晶效率低、易團聚等問題，適用于亞微米材料工業連續化水熱法生產。