凝胶和粉末的制备方法和装置以及所得产品制造方法及图纸

通过在非热平衡等离子体放电内和／或来自其的电离气流内氧化处理一种或多种各自的有机金属液体前体和／或有机准金属液体前体，并收集所得产品，从而由所述液体形成金属氧化物、准金属氧化物和／或混合氧化物或其树脂的凝胶和／或粉末的方法。非热平衡等离子体优选大气压辉光放电、连续低压辉光放电等离子体、低压脉冲等离子体或直接阻挡放电。本发明专利技术的金属氧化物尤其涉及周期表第３ａ和４ａ中的那些，即铝、镓、铟、锡和铅和过渡金属。准金属可选自硼、硅、锗、砷、锑和碲。根据本发明专利技术方法制备的优选准金属氧化物产品尤其是包括硅氧烷树脂等在内的硅的氧化物、硼、锑和锗的氧化物。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请涉及使用非热平衡等离子体技术、由液体前体制备凝胶和/或粉化材料的方法。当物质被连续地供给能量时，其温度上升且其典型地经历从固体到液体并随后到气体状态的转变。连续供给能量还引起该系统经历进一步的状态变化，其中气体的中性原子或分子由于强力的碰撞而分解，从而产生带负荷电的电子、带正或负荷电的离子以及其它物质。这种显示集体行为的荷电粒子的混合物称为“等离子体”，第四种物质状态。由于它们的电荷，等离子体高度地受到外部电磁场的影响，这使得它们可容易控制。而且，它们的高能量含量允许其实现对于通过其它物态例如通过液体或气体处理不可能或难以实现的处理过程。术语“等离子体”涵盖极大范围的系统，其密度和温度相差许多个数量级。一些等离子体非常炽热且其所有的微观物质(离子、电子等)都处于接近热平衡的状态，输入到该系统中的能量通过原子/分子水平的碰撞而广泛地分布。实例包括火焰基等离子体。然而，其它的等离子体，特别是那些处于碰撞相对稀少的低压(例如100Pa)下的等离子体，其构成物质处于相差很大的温度下并被称为“非热平衡”等离子体。在这些非热平衡等离子体中，自由电子非常炽热，其温度达数千K，可是中性的和离子的物质却仍然是冷的。因为自由电子具有几乎可以忽略的质量，总的系统热含量较低且等离子体在接近室温的条件下工作，这样便允许处理对温度敏感的材料例如塑料或聚合物，且不用强加破坏性的热负荷。通过高能碰撞，炽热电子产生了丰富的自由基和激活物质源，其具有能够产生深刻化学和物理反应性的高化学势能。正是这种低温操作和高反应性的组合使得非热平衡等离子体技术比较重要并且成为一种用于制备和材料处理的非常强大的工具，因为它能够实现其中(如果完全不用等离子体而实现的话)将需要非常高的温度或者有害的和侵蚀性的化学品的处理过程。对于等离子体技术的工业应用，一个便利的方法便是将电磁功率耦合到一定体积的工艺过程气体中，该工艺过程气体可以是待处理的工件/样品浸入其中或者在其中通过的气体和蒸汽的混合物。气体被电离成等离子体而产生与样品表面反应的化学基团、UV射线和离子。通过正确选择工艺过程气体组分、驱动功率频率、电力耦合模式、压力和其它控制参数，等离子体工艺能够被设计成应制备者需求的特定应用。由于等离子体巨大的化学和热范围，它们适合于许多技术应用。这些性能为工业界采用基于等离子体的处理提供了一个强力的推动，且这种运动自20世纪60年代起已被微电子界引发，其将低压辉光放电等离子体发展为用于半导体、金属和介电体处理的超高技术和高资金成本的工程工具。相同低压辉光放电类型的等离子体自20世纪80年代起已日益渗透到其它工业部门，其提供了成本更适中的处理工艺，例如增加的粘合/粘结强度、高质量的脱脂/清洗和高性能涂层的沉积用的聚合物表面活化。因此，便有了等离子体工艺的大量采用。可在真空和大气压二者下实现辉光放电。然而，大气压等离子体给工业提供了开口或周边系统，其提供了工件/腹板(web)在等离子体区域中的自由进入和离开，并且因此提供了大或小面积的腹板或传送带携带的离散工件的在线连续处理。产量较高，其通过从高压操作中获得的高物质流量而增强。许多工业部门，例如纺织、包装、造纸、制药、汽车、航空等，几乎完全依赖连续的、在线的处理，因此大气压下的开口/周边构造的等离子体提供了一种新的工业处理能力。电晕放电和火焰(也是等离子体)处理系统已经给工业提供有限形式的大气压等离子体处理能力达大约30年。然而，尽管它们有较高的制备能力，但这些系统还是不能与压力较低、只进行浴槽处理的等离子体类型相同程度地渗入市场或被工业采用。原因是电晕放电/火焰系统有显著的局限性。它们在提供单一表面活化处理的环境气氛下工作，并对许多材料有可以忽略的影响且对绝大多数材料有微弱的影响。该处理通常不均匀且电晕放电处理与厚腹板或3D腹板不相容，而火焰处理与热敏感的粉状颗粒不相容。在稳定化大气压辉光放电方面已做了许多工作，如Okazaki等人在J.Phys.DAppl.Phys.26(1993)889-892中所述。此外，美国专利说明书No.5414324公开了在大气压下在一对间隔5cm的电绝缘金属板电极之间产生稳态辉光放电等离子体和在1-100kHz下用1-5kV的均方根(rms)电势给与电压产生射频(RF)。通过许多方法制备金属氧化物和准金属氧化物。例如可通过在硫酸中混合钛矿，制备硫酸钛，然后焙烧以生产二氧化钛，从而制备二氧化钛。可通过使各自的氯化物与氧在高温度下反应制备二氧化硅或二氧化钛。在该方法中，通过使可燃气体如甲烷或丙烷燃烧，使反应物达到反应温度。氧化物的“湿化学”型制备的主要问题之一是所得粉末颗粒的平均粒度往往显著大于在该产品当今的许多应用中最佳要求的粒度。在US20020192138(它在本申请的优先权日之后公布)中已公开了使用热平衡等离子体工艺生产硅、钛、铝、锆、铁和锑的氧化物，其中使用产生温度为3000至12000℃的等离子体发生器，来氧化上述金属和准金属的盐的蒸汽。金属和准金属氧化物存在许多电子和/或光学基应用，例如，可使用它们，例如通过共混TiO2或ZrO2与二氧化硅或有机聚硅氧烷，或使二氧化硅或硅氧烷/硅酸盐前体与烷氧化钛反应(如在WO99/19266中所述)，或与TiO2-ZrO2-SiO2-SnO2复合溶胶反应(如在JP11-310755中所述)，来提高硅氧烷聚合物、有机树脂和玻璃的折射指数。然而，最终无机材料的折射指数通常低于理论预计的，这是由于难以制备纳米尺寸的颗粒，因宽的粒度分布导致的不均匀性、纳米颗粒倾向于自聚集从而导致光散射效应现象所致。通常通过水解和随后缩合氯代硅烷、烷氧基硅烷和硅酸盐，如硅酸钠，来合成有机硅氧烷树脂。通常使用M、D、T和Q术语来描述它们，其中M单元具有通式R3SiO1/2，D单元具有通式R2SiO2/2，T单元具有通式RSiO3/2，和Q单元具有通式SiO4/2，其中，除非另有说明，每一个R基团是有机烃基，典型地为甲基。根据本专利技术的第一个实施方案，通过在非热平衡等离子体放电内和/或来自其中的电离气流内氧化处理一种或多种各自的有机金属液体前体和/或有机准金属液体前体，并收集所得产品，从而提供由所述液体形成金属氧化物、准金属氧化物和/或混合氧化物或其树脂的凝胶和/或粉末的方法。为了本申请的目的，粉末是球形颗粒、粒料、小片、针形/管状、薄片、粉尘、粒状形式的固体材料和前述形式的任何聚集体。为了本申请的目的，凝胶典型地为薄膜或固化物质形式的透明冻状材料。非热平衡等离子体技术典型地在低于200℃的温度下操作，但优选本专利技术的方法在室温(20℃)至70℃之间的温度下操作，和典型地在30-50℃的温度范围内利用它，但这取决于将要获得的产品。本专利技术特别涉及的金属、其氧化物等是周期表第3a和4a中的那些，即铝、镓、铟、碲、锡、铅和过渡金属。因此，本专利技术的金属氧化物产品可以是单一金属的氧化物，例如钛、锆、铁、铝、铟、铅和锡的氧化物，混合氧化物，包括例如，硅酸铝、钛酸铝、焦硅酸铅、钛酸铅、锡酸锌、TiO2-ZrO2-SiO2-SnO2和混合的氧化锡铟。可通过将要在本专利技术方法中等离子体处理的前体的各成分的用量之比确定混合氧化物的比例。准金属或半金属(下文称为准金属)是具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
由一种或多种各自的有机金属液体前体和／或有机准金属液体前体形成金属氧化物、准金属氧化物和／或混合氧化物或其树脂的凝胶和／或粉末的方法，该方法通过在非热平衡等离子体放电内和／或来自其的电离气流内氧化处理所述液体并收集所得产品实现。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：AJ古德温，S利德利，P舍瓦利耶，B帕尔布，
申请(专利权)人：陶氏康宁爱尔兰有限公司，
类型：发明
国别省市：IE[爱尔兰]