一种射频等离子体制备石英玻璃微球的方法技术

本发明专利技术属于材料技术领域，具体涉及一种新型石英玻璃微球的制备方法，特别是用射频等离子体加热制备石英玻璃微球的方法，其工艺步骤为：将实验用石英砂颗粒进行筛分，筛出目标粒径范围的颗粒；然后以1～10g/min的下料速度通入氩等离子火焰中，加热后在管内下落过程中急速冷却，得到球形石英玻璃微球。本发明专利技术工艺流程短、成本低、经济效益高，节能环保。

【技术实现步骤摘要】
一种射频等离子体制备石英玻璃微球的方法
本专利技术属于一种新型石英玻璃微球的制备方法，特别是使用射频等离子体加热制备石英玻璃微球，属于材料

技术介绍
玻璃微珠是直径在数微米至数毫米粒径范围内的玻璃(或陶瓷)球体，有实心、空心、多孔玻璃微珠之分，具有光学性能好、球形透镜特性、抗冲击性能强、滚动性好、导热系数低、质轻等特点，已广泛用于城市交通标志、汽车牌号、回射幕布、喷吹技术、填充材料、保温材料等领域。常用的几种制备实心玻璃微球的方法有粉末法、溶液法、火焰漂浮法。其中，粉末法的基本原理是将玻璃粉碎成要求的颗粒，经过筛分，在一定温度下通过均匀加热区，使玻璃颗粒熔融，在表面张力作用下形成微珠。粉末法生产的关键是选择空气喷嘴，喷嘴所形成的气流可以确保微珠能上升到顶部，使重的粒子沉在底部。粉末法的优点是能制造硬质玻璃微珠，球径易于控制，得球率高；缺点是生产周期长，产量低，成本高，能耗大。溶液法是将玻璃配合料熔化成玻璃液，用高速气流喷吹，玻璃液滴由于表面张力形成微珠。熔液法的优点是生产成本低，产量高；缺点是球径不易控制，会产生纤维或棉状杂质或带尾巴状的微珠等。火焰漂浮法是将无色的碎玻璃粉碎成所需的粒度，并通过布料器将玻璃粉末均匀地投入到特制的成珠炉中，在热态的高温气流中加热熔融，在玻璃表面张力作用下形成球状的玻璃珠。为防止微珠间的相互粘连，在粒子受热成珠的同时处于飘浮状态，再经过必要的冷却、回收、分级，最终得到所需要的不同粒径的玻璃微珠。火焰漂浮法的优点是成本较低，经济效应明显；缺点是成球率较小，产量较低。针对以上生产玻璃微球的不足，CN105793205A专利使用等离子体进行预熔/熔融玻璃配料，制备出了球形的玻璃中间颗粒，其采用二氧化硅、氧化铝、氧化钠等多种组分混合物，多种混合物的组分使其均化不易完成，其冷却采用切向气流喷吹进行冷却，使成品分散，不易收集。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种新型制备石英玻璃微球的方法，通过射频等离子体高温进行加热，减少了矿物燃料的使用和温室气体的排放，通过系统内部的净化和气体纯度的控制，极大减小了生产中杂质的引入，保证玻璃微球的成品率。本专利技术为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：一种射频等离子体制备石英玻璃微球的方法，工艺步骤如下：(1)将石英砂颗粒进行筛分，筛分出目标粒径范围150～500目的石英砂颗粒；(2)将步骤(1)筛分出的石英砂颗粒以1～10g/min的下料速度通入等离子体炬中，被RF氩等离子火焰加热熔融，之后在安设于等离子体炬下方的换热器内下落过程中被快速冷却，得到石英玻璃微球。按上述方案，所述等离子体炬通入氩气作为中心气体，通过使用射频电流加热中心气体使其电离产生等离子体火焰。其中，中心气体流量为15～30L/min，射频电流频率为2～5MHz，等离子体火焰的功率为30～40KW，等离子体炬内的压力控制为1.5～15pisa。按上述方案，所述等离子体炬通入鞘气作为保护气体，鞘气由体积比为8：3的氩气和氢气组成，保护气体的总流量为55L/min，相当于40L/min(Ar)+15L/min(H2)。鞘气中氢气的加入可以增大气体的热导率，使等离子火焰与粒子之间具有更好的传热效果。按上述方案，所述等离子体炬通入氩气作为分散气体，分散气体的流量为0～5L/min。分散气体是用以分散原料颗粒的，使颗粒进入火焰时呈现良好分散状态，从而被较好的熔融，随石英砂颗粒一起进入等离子火焰。按上述方案，所述等离子体炬根据需要通入氩气作为载气，载气流量为0～3L/min，以保证进料的稳定。优选地，当原料流动性较差时通入载气可以确保进料连续稳定。按上述方案，所述换热器的内管壁外周围通入冷却水，维持换热器内管中的低温状态，为玻璃微球下落过程中的冷却过程提供低温环境。本专利技术中，换热器采用不锈钢套管，套管的内管和外管之间的夹层内通入循环冷却水，以实现玻璃微球从内管下落过程快速冷却。冷却水的温度一般不高于15℃。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：首先，本专利技术与常规制备石英玻璃微球的方法技术相比较，解决了现有技术工艺工序复杂、生产周期长、能耗较大等问题，通过射频等离子体高温进行加热，减少了矿物燃料的使用和温室气体的排放，通过系统内部的净化和气体纯度的控制，极大减小了生产中杂质的引入，通过功率大小的控制，保证火焰温度(一般在6500℃左右)，从而保证玻璃微球的成品率，通过对原料粒径、进料速率、载气和中心气体流量等的控制，使其得到不同粒径大小的玻璃微球。第二，本专利技术对操作技术要求较低，且工艺流程较为简便，因此较容易实现工业化生产，且本工艺中使用的石英砂颗粒价格低廉，容易获取，直接使用等离子体加热之后快速冷却，工艺简化，消耗能源大大减少；再者，由于整个方法中没有使用燃料燃烧加热，相对传统玻璃熔制方式极大减少了SOx、NOx的排放，环保效应明显。附图说明图1为本专利技术所提供的射频等离子体制备石英玻璃微球的实验装置示意图，其中主要包括进料器、等离子体炬、高频发生器、换热器、尾气排放及挥发物收集装置以及收料器，其中的虚线框代表大致的反应区域。图2为等离子体炬中各气体作用部位示意图。其中，1-原料及载气；2-分散气体；3-中心气体；4-保护气体。图3为实施例1所得石英玻璃微球的超景深显微图像。图4为实施例2所得石英玻璃微球的超景深显微图像。图5为实施例3所得石英玻璃微球的超景深显微图像。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术不仅仅局限于下面的实施例。下述实施例中，换热器采用不锈钢套管，套管的内管和外管之间的夹层内通入循环冷却水，以实现玻璃微球从内管下落过程快速冷却，其中冷却循环水的温度范围11～13℃。实施例1一种射频等离子体制备石英玻璃微球的方法，具体工艺步骤如下：(1)使用化学分析纯石英砂颗粒为原料，筛分出粒径在90～100μm(150～170目)间的颗粒，将其放入进料机中备用；(2)在射频感应等离子体装置中首先通入作为保护气体的鞘气组成中40L/min的氩气、作为中心气体的30L/min的氩气，之后通入高频电源产生等离子体火焰并不断加大功率，同时通入鞘气组成中的H2，最终使H2至15L/min，功率至40KW，压力至15psia，并持续稳定；(3)将原料以1.36g/min的速率通入等离子体炬的等离子体火焰中熔化，在表面张力作用下变为球形颗粒，接着从安设于等离子体炬下方的不锈钢套管的内管继续下落过程中被急速冷却，最终得到高纯石英玻璃微球。如图3所示，本实施例所得到的高纯石英玻璃微球粒度分布均匀，颗粒球化率80％，平均粒径93μm。实施例2一种射频等离子体制备石英玻璃微球的方法，具体工艺步骤如下：(1)使用化学分析纯石英砂颗粒为原料，筛分出粒径在54本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种射频等离子体制备石英玻璃微球的方法，其特征在于工艺步骤如下：/n（1）将石英砂颗粒进行筛分，筛分出目标粒径范围150～500目的石英砂颗粒；/n（2）将步骤（1）筛分出的石英砂颗粒以1～10g/min的下料速度通入等离子体炬中，被RF氩等离子火焰加热熔融，之后在安设于等离子体炬下方的换热器内下落过程中被冷却，得到石英玻璃微球。/n

【技术特征摘要】
1.一种射频等离子体制备石英玻璃微球的方法，其特征在于工艺步骤如下：
（1）将石英砂颗粒进行筛分，筛分出目标粒径范围150～500目的石英砂颗粒；
（2）将步骤（1）筛分出的石英砂颗粒以1～10g/min的下料速度通入等离子体炬中，被RF氩等离子火焰加热熔融，之后在安设于等离子体炬下方的换热器内下落过程中被冷却，得到石英玻璃微球。


2.根据权利要求1所述的一种射频等离子体制备石英玻璃微球的方法，其特征在于所述等离子体炬通入氩气作为中心气体，通过使用射频电流加热中心气体使其电离产生等离子体火焰。


3.根据权利要求2所述的一种射频等离子体制备石英玻璃微球的方法，其特征在于所述中心气体流量为15～30L/min，射频电流频率为2～5MHz，等离子体火焰的功率为30～40...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢俊，谷洛兵，王广雷，徐凯，韩建军，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42