专利名称：一种连续式工业化纳米分散装置及方法
技术领域：
本发明属于纳米材料技术领域，特别是涉及一种连续式工业化纳米分散装置及方法，更确切地说是公开一种连续、批量化地将纳米材料制成分散的纳米浆液的工艺，以及实现该过程的装备，属于纳米技术应用领域。
背景技术：
纳米材料由于粒径小，比表面积大，自由能高，因此一般情况下，纳米材料都以团聚状态存在。团聚状态的纳米材料粒径是纳米颗粒粒径的几十，甚至数百倍，因此不能很好地体现纳米尺度效应。此外，纳米材料一般用于基体材料改性，因此需要将纳米材料加入基体材料中，从而实现改性的目的，但是，如果纳米材料未经过分散而直接加入基体材料中，那么由于纳米材料处于团聚状态，因此很难在基体材料中分散，提高了分散的成本，增加了纳米材料的消耗量，并且纳米改性效果也不能很好地体现出来。因此，需要有一种能够有效地将纳米材料进行分散，制成稳定的纳米分散浆液的方法和装置，为纳米材料的有效应用提供条件。能够实现纳米材料分散的方法主要有机械搅拌、高能研磨、化学分散及超声波分散等。现有采用上述方法的分散过程一般为不连续的，并且不能实现大批量化的连续处理。
中国专利申请200510112112.7公开了一种纳米钛酸铋水基流延浆料及制备方法。该方法是将粒径小于180纳米的固体钛酸铋粉体，按比例加入去离子水和分散剂中，然后在万向球磨机中进行研磨，研磨时间15～24小时，获得分散浆料。很显然，该方法分散时间长，为不连续分散，而且研磨中还会伴随研磨介质进入浆液中，污染浆液。
中国专利申请200410077290.6公开了一种颗粒分散方法及其设备。该方法的设备包括一容器，其附有一搅拌装置；容器下部有一个带开关元件的导管，通过导管和开关元件将悬浮液导入超声震荡器中，经过3～10分钟的震荡后，即得到所述的颗粒分散液。很显然这是一个不连续的、小量的超声波处理分散纳米材料的方法和装置。另外，由于该方法采用的超声震荡器为容器式，因现有技术的限制，其功率密度较小，因此需要进行较长时间的处理。很显然，该方法和装置不能满足连续化、工业化批量进行纳米分散的需要。
中国专利申请01131537.7公开了一种纳米金刚石的分散工艺，其特征是将纳米金刚石与润滑油按一定的重量比混合，加入分散剂后置入超声波粉碎机中，进行超声波粉碎分散处理，处理时间4～20分钟。很显然，该工艺是在一个小型、不连续的超声波装置进行，同样不能满足连续化、工业化批量进行纳米分散的需要。
中国专利申请200610016672.7公开了一种纳米二氧化钛憎水性悬浮液及其制备方法。该方法的特征是将亚甲基二萘磺酸钠作为高效润湿剂吸附在纳米二氧化钛的表面，在二氧化钛粒子的表面制造一个能垒，克服纳米粒子间的范德华引力，再通过高剪切分散机搅拌分散30分钟，获得纳米悬浮液，该方法制得的悬浮液纳米固体含量较低，只有2～3％。
中国专利申请01101802.X公开了一种纳米光催化剂母液及其制备方法和用途。该专利的特点是需要加入高比例的添加剂，其次是制备过程需经过研磨加超声波处理或研磨加搅拌处理。通过研磨都直接带来的是研磨时间长，研磨材料污染纳米母液的问题。另外，高比例地添加辅助分散剂和稳定剂，添加物有可能会影响产品的使用。
这些已知的纳米分散方法和装备，还不能实现连续化、工业化规模大量制备纳米浆液，还不能有效降低辅助分散和稳定纳米浆液的添加化合物的量，以及避免研磨介质对纳米浆液的污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续式工业化纳米分散装置及方法，解决设备及工艺方法对纳米液的污染问题，实现连续工业化生产各种类型及各种浓度的高分散纳米浆液。
在本发明的装置中包括带搅拌器的高位预混合槽(1)、带搅拌器的预混合液储槽(4)及与预混合槽联结浆液输送管道(2)和节流阀(3)、管道增压泵(5)、管式功率超声波处理器(6)、纳米浆液输出管(7)及安装在管道上的在线检测传感器(8)、输出流量控制阀(9)及回流流量控制阀(10)和回流管道(11)，纳米浆液储罐(12)、纳米浆液罐装设备(13)。高位预混槽为立式槽，优选立式圆桶形槽，有利于搅拌混合均匀，槽体材料为不锈钢或搪瓷材料，槽内按有搅拌桨，槽的底部有与预混液储槽相联接的管道，管道上有截止阀。搅拌浆轴在槽体的底部。选用圆桶形槽可以实现充分的搅拌混匀，避免有沉积死角。预混合液储槽为立式槽，优选立式圆桶形槽，槽体材料为不锈钢或搪瓷材料，槽内按有搅拌桨，搅拌浆轴在槽体的底部，预混合液储槽的体积为前述的高位预混槽体积的1～4倍，保证预混浆液向超声波处理器中输送不中断，槽的底部有与管式功率超声波处理器相联接的管道，管道上有增压泵。向管式超声波处理器连续输送预混液的方式是这样的，将需处理的纳米预混液通过管道增压泵连续向管式功率超声波处理器输送，通过控制增压泵和调节输出流量控制阀和回流流量控制阀来调节纳米浆液处理速度，同时提高管式功率超声波处理器中纳米浆液的压力，提高浆液的空化阀值，实现在较高单位面积超声辐射强度下进行超声波处理。这种管式超声波处理器不同与常规的在器壁上固定安装若干个独立的压电换能器头的方式，而是一体的中心辐射管式高功率换能器，管壁为换能器的辐射端，辐射管为圆形管或方形管，管壁材料为不锈钢或钛合金，优选钛合金材料，换能器为强制直冷式换能器，换能器的声功率密度范围2～16瓦/平方厘米，优选4～12瓦/平方厘米，频率范围10～40KHz，优选频率18～24KHz。
本发明装置中在管式高功率超声波处理器输出管上安装有光学传感器及回流管和回流阀，可以在线检测纳米浆液分散效果，通过控制回流阀，调节回流量及超声波功率来控制处理速度和控制纳米浆液质量。
本发明的方法包括如下步骤
1)将纳米粉、溶剂介质、分散剂及稳定剂等按工艺要求比例加入预混槽(1)中，进行充分搅拌混匀，获得预混液；2)打开节流阀(3)，将上述预混液通过管道(2)、节流阀(3)送入预混合液浆液储槽(4)中；3)通过管道增压泵(5)将预混合液浆液储槽(4)中的预混液送入管式功率超声波处理器(6)中；4)在线检测由管式功率超声波处理器(6)处理后的纳米浆液，并根据检测结果调整管式功率超声波处理器的功率及回流流量控制阀(10)和输出流量控制阀(9)；5)将合格的纳米浆液通过管道送入纳米浆液储槽(12)中，并通过罐装设备(13)罐装。
采用本发明的连续式工业化纳米分散方法可以处理金属纳米粉、氧化物纳米粉、盐类纳米粉、碳纳米管等纳米材料，但不仅限于上述纳米粉，所述的纳米粉粒径5～100纳米。此外，对于粒径较大的粉体材料也适用本发明的方法。
本发明所述的溶剂介质是指溶解固体纳米粉的溶液，它们可以是水性价值、有机介质、油性价值或这些介质的混合物。预混液中加入的稳定剂、分散剂是低分子聚丙烯酸铵、低分子聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素、木质素磺酸盐、亚甲基二萘磺酸盐等其中的1～6种混合物，偶联剂是硅烷、钛酸酯、硼酸酯、铝酸酯等其中的1～4种混合物。并且所述的分散剂、稳定剂和偶联剂的添加总量小于0.1～20％，优选范围是0.4～8％，添加的辅助化合物量越少，对后续纳米浆液应用的影响也就越小。适合本发明的纳米分散方法的分散剂、稳定剂和偶联剂种类不仅限于上述所列的分散剂、稳定剂和偶联剂种类。
本发明方法的一个重要特征是实现连续式处理和增压处理，通过增压泵连续向管式换能器中输送预混液浆，同时提高浆液的压力，换能器中浆液的压力1.5～10公斤/cm2，优选压力2.5～3.5公斤/cm2。通过提高压力可以提高处理液的空化阀值，因而能够有效提高向处理液施加的超声波辐射功率密度，实现快速有效地分散纳米粉。本发明的分散方法设计了部分处理纳米浆液回流的步骤，可以稳定处理效果，实现对纳米粉分散效果的控制，通过回流阀调节回流量，回流率为5％～60％，优选15％。
本发明的连续式工业化化纳米分散方法和装置，不仅限用于纳米分散，也可以用于医药、化工、冶金等领域的萃取、混合、催化反应等。专业技术人员通过改进或选用其中的部分装置和方法，可以实现其它的用途，但不背离本发明的原理和应用领域。
本发明的优点在于，能够比之前已知的纳米分散或纳米悬浮液或纳米浆液制备方法及装备更加有效，且能够实现降低辅助添加化合物的用量，无设备对纳米液的污染，高的纳米固体含量等效果，并能够实现连续工业化生产各种类型及各种浓度的高分散纳米浆液。
图1、是本发明的装置示意图，其中高位预混合槽1、管道2、节流阀3、预混合液储槽4、管道增压泵5、管式功率超声波处理器6、纳米浆液输出管7、在线检测传感器8、输出流量控制阀9、回流流量控制阀10、回流管道11、纳米浆液储罐12、纳米浆液罐装设备1具体实施方式
实施例1图中所示的本发明的装置的一个实例，其中管道输送增压泵选用小流量柱塞泵，额定流量为10立方米/小时，扬程50米。超声换能器为圆形管式超声功率换能器，超声波辐射功率密度为4瓦/平方厘米，超声频率20KHz。回流流量控制阀和输出流量控制阀采用电控比例阀。预混液储槽容积10立方米，预混槽容积5立方米，槽体均为不锈钢材料。
实施例2图中所示的本发明的装置的另一个实例，其中管道输送增压泵选用小流量叶片式管道增压泵，额定流量为50立方米/小时，扬程25米。超声换能器为方形管式超声功率换能器，超声波辐射功率密度为12瓦/平方厘米，超声频率24KHz。回流流量控制阀和输出流量控制阀采用电控比例阀，预混液储槽容积8立方米，预混槽容积3立方米，槽体材料均为搪瓷材料。
实施例3本发明的纳米分散方法的一个实施例，纳米二氧化硅分散液的制备纳米固体粉为纳米二氧化硅粉，纳米粉粒径10～20纳米，溶剂为去离子水，固体浓度10％，分散剂选用低分子量聚丙烯酸铵，总量0.6％，处理速度2立方米/小时，回流量14％，压力2.4公斤/平方厘米，管式超声波功率密度12瓦/平方厘米，超声频率20KHz，纳米浆液稳定状态，静止3个月以上无分层。
实施例4本发明的纳米分散方法的另一个实施例，纳米二氧化钛分散液的制备纳米固体粉为纳米二氧化钛粉，纳米粉粒径30～50纳米，溶剂为去离子水，固体浓度18％，分散剂和稳定剂为木质素磺酸钠与亚甲基二耐磺酸纳混合物，总量0.7％，处理速度2.4立方米/小时，回流量10％，压力2.8公斤/平方厘米，管式超声波功率密度14瓦/平方厘米，超声频率24KHz，纳米浆液稳定状态，静止3个月以上无分层。
实施例5本发明的纳米分散方法的另一个实施例，纳米三氧化二铝分散液的制备纳米固体粉为纳米三氧二铝粉，纳米粉粒径20～30纳米，溶剂为去离子水，固体浓度14％，分散剂选用美国R.T.Vanderbilt公司的DARVANC分散剂，总量0.6％，处理速度2.2立方米/小时，回流量12％，压力3公斤/平方厘米，管式超声波功率密度6瓦/平方厘米，超声频率18KHz。纳米浆液稳定状态，静止3个月以上无分层。
权利要求
1.一种连续式工业化纳米分散装置，包括高位预混合槽(1)、预混合液储槽(4)、节流阀(3)、管道增压泵(5)、管式功率超声波处理器(6)、纳米浆液输出管(7)、传感器(8)、输出流量控制阀(9)、回流流量控制阀(10)、回流管道(11)、纳米浆液储罐(12)、纳米浆液罐装设备(13)；其特征在于，高位预混合槽(1)带搅拌器、预混合液储槽(4)带搅拌器、预混浆液输送管道(2)与预混合槽联结、在管式高功率超声波处理器输出管上安装有光学传感器(8)，可以在线检测纳米浆液分散效果，同时安装有回流管和回流阀，调节处理速度和控制纳米浆液质量；需处理的纳米预混液通过管道增压泵向管式功率超声波处理器输送，通过控制增压泵和调节输出流量控制阀和回流流量控制阀来调节纳米浆液处理速度，同时提高管式功率超声波处理器中纳米浆液的压力，提高浆液的空化阀值，实现在较高单位面积超声辐射强度下进行超声波处理。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，高位预混槽为立式槽，槽体材料为不锈钢或搪瓷材料，槽内按有搅拌桨，槽的底部有与预混液储槽相联接的管道，管道上有截止阀。
3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，预混合液储槽为立式槽，槽体材料为不锈钢或搪瓷材料，槽内按有搅拌桨，预混合液储槽的体积为高位预混槽体积的1～4倍，槽的底部有与管式功率超声波处理器相联接的管道，管道上有增压泵；
4.权利要求1所述的装置，其特征在于，超声波处理器为管式高功率超声波处理器，管壁为换能器的辐射端，辐射管为圆形管或方形管，管壁材料为不锈钢或钛合金，换能器为强制直冷式换能器，换能器的声功率密度范围2～16瓦/平方厘米，频率范围10～40KHz；
5.一种连续式工业化纳米分散方法，其特征在于，工艺步骤为(1)将纳米粉、溶剂介质、分散剂、稳定剂、偶联剂加入预混槽(1)中，进行搅拌混匀，获得预混液；(2)将上述预混液通过管道(2)、节流阀(3)送入预混合液浆液储槽(4)中；(3)通过管道增压泵(5)将预混合液浆液储槽(4)中的预混液送入管式功率超声波处理器(6)中，换能器中浆液的压力1.5～10公斤/cm2；(4)在线检测由管式功率超声波处理器(6)处理后的纳米浆液，并根据检测结果调整回流流量控制阀(10)和输出流量控制阀(9)；(5)纳米浆液送入纳米浆液储槽(12)，并通过罐装设备(13)罐装。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的纳米粉为金属纳米粉、氧化物纳米粉、盐类纳米粉、碳纳米管，所述的纳米粉粒径5～100纳米；
7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的溶剂介质为水性介质、有机介质、油性介质或这些介质的混合物；
8.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的稳定剂和分散剂是低分子聚丙烯酸铵、低分子聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素、木质素磺酸盐、亚甲基二萘磺酸盐中的1～6混合物，偶联剂为硅烷、钛酸酯、硼酸酯、铝酸酯其中的1～4混合物，所述的的分散剂、稳定剂和偶联剂的添加总量0.1～20％；
9.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，部分处理纳米浆液回流，可以稳定处理效果，通过回流阀调节回流量，回流率为5％～50％。
全文摘要
一种连续式工业化纳米分散装置及方法，属于纳米材料技术领域。装置包括高位预混合槽(1)、高位预混合槽、预混合液储槽(4)、节流阀(3)、管道增压泵(5)、管式功率超声波处理器(6)、纳米浆液输出管(7)、传感器(8)、输出流量控制阀(9)、回流流量控制阀(10)、回流管道(11)、纳米浆液储罐(12)、纳米浆液罐装设备(13)。优点在于，比之前已知的纳米分散或纳米悬浮液或纳米浆液制备方法及装备更加有效，降低辅助添加化合物的用量，无设备对纳米液的污染，并能够实现连续工业化生产各种类型及各种浓度的高分散纳米浆液。除用于纳米粉分散外，还可以用于医药、化工、冶金、环境等领域的萃取、混合、催化反应、水处理等。
文档编号B01F11/00GK1994541SQ200610165410
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月19日 优先权日2006年12月19日
发明者刘铮 申请人:刘铮