纳米粉末材料的射频辉光放电感应耦合等离子体制备技术制造技术

本发明专利技术纳米粉末材料的射频辉光放电感应耦合等离子体制备技术，其包含以下步骤：首先进行大口径高密度射频等离子体的激发并维持，之后进行等离子体高温化学反应形成等离子体态初步反应物，然后采用二级扩散管梯度骤冷方式将等离子体态初步反应物冷凝成高纯度的纳米粉末材料，最后进行纳米粉末材料的收集，反应尾气进行中和处理。本发明专利技术实现了射频等离子体辉光放电纳米粉末材料的连续工业化制备，粉末材料粒径及分布易于控制，粒径主要在１０～５０ｎｍ区间内呈正态分布，以球形为主，表面无化学基团污染，纯度高达９９．５％以上，生产环节对环境友好，产品应用领域广阔，技术价值和社会经济效益显著。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到纳米材料科学技术，具体是纳米粉末材料的合成制备技术，特别是一种采用射频辉光放电感应耦合等离子体制备金属或非金属氧化物、金属等纳米量级粉末 材料的技术。
技术介绍
纳米科学技术(Nano-ST)自20世纪90年代以来迅速兴起，纳米科学技术是研究由尺寸在O. 1 100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术，纳米材料科学技术是纳米科学技术的基础。 纳米材料以其独特的力学、物理、化学、热学等性质向人们展现了极大的研究和实际应用的空间，纳米粉末材料具有很大的比表面积、独特的界面性质，在工业制备和实际应用中首先得到突破。但是目前工业上制备纳米粉末材料主要采用化学合成方法或者燃烧法，这两种工业方法的主要缺陷很明显，前者流程适应性差，粉末材料的粒径、化学纯度、表面基团等难以控制，而且产量难以提高，后者产量可以达到比较高的水平，但是纳米材料粒径分布区间很宽，相当一部分粒径超过100nm，甚至达到500nm的量级，化学纯度和表面基团也难以控制，这种方法制备的纳米材料往往只用在工业/建筑涂料添加剂等低附加值
另外与其相关的文献如下，供参考孙陶等提交申请的等离子体合成多种纳米粉 末的生产工艺专利技术专利(申请号200410021909. 1)、等离子体合成多种纳米粉末的生产 装置技术专利(申请号200420032994.7)中使用(高频、微波或混合)直流电弧等 离子体、低电压高电流、电极放电的模式与机理制备纳米粉末材料。 韩国株式会社NPC在中国提交申请的用于制造纳米粉末的感应耦合等离子体反 应器专利技术专利(申请号03811290.6)中使用永磁体、陶瓷材质的反应装置制备纳米粉末 材料。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于合成纳米粉末材料的射频辉光放电感应耦合等离子体制 备技术，这项技术可以用来制备包括nm-Si02、nm-Ti02、nm-ZnO等多种氧化物粉末和纯金属 粉末材料，解决了工业上常用的化学制备法、燃烧法等制备方法导致的粉末粒径粗大与分 布不均、纯度不高、粉末表面化学基团污染严重等产品缺陷。本项专利技术采用低气压(大气 压)下的直流射频辉光放电等离子体、高电压低电流、无电极放电的模式制备纳米粉末材 料，与现有的直流高频电弧等离子体技术的低电压高电流、电弧放电在放电模式、核心机理 上显著不同。 本专利技术的具体技术方案如下 纳米粉末材料的射频辉光放电感应耦合等离子体制备技术，主要包括大口径高密 度射频等离子体的激发并维持、等离子体高温化学反应、二级扩散管梯度骤冷、纳米粉末材料的负风压不锈钢管道传输、粉末收集器、反应尾气的立式喷淋塔中和吸收处理等步骤。给 大石英管外螺旋状环绕的空心铜线圈(天线)通入射频电流，将内置于大石英管并同轴的 小石英管通入的工作气体电离成感应耦合大口径高密度射频等离子体，在工作气体等离子 体火焰末端区域通入气相或粉末状反应原料，发生等离子体高温化学反应，形成等离子体 态初步反应产物，采用二级扩散管梯度骤冷方式将初步反应产物冷凝成高纯度的纳米粉末 材料，冷却速率达120万度/秒以上。纳米粉末材料的收集是在抽风机的负风压作用下，通 过Z字型双层中空不锈钢传输管道进入粉末收集器中的，在粉末收集器中纳米粉末材料 通过玻璃纤维过滤布袋与反应尾气脱附。Z字型双层中空不锈钢传输管道平衡了抽风机 的负风压作用，维持大石英管内射频等离子体火焰的稳定和减少反应尾气在粉末材料表面 上的吸附。反应尾气通入立式喷淋塔进行中和吸收处理，中和体系为NaOH水溶液或其它中 和体系。 本专利技术所述的所述的等离子体是大气压下直流射频等离子体，放电模式是低气压 (常压)直流射频辉光感应耦合放电、高电压低电流的放电模式。 本专利技术所述的射频辉光感应耦合放电属于无电极放电。 本专利技术所述的等离子体放电体系运行功率为90 200KW，电子管射频放电频率是 3. 5MHZ，电子管阳极电压7. 5 15KV，电子管阳极电流7 15A。 本专利技术所述的大口径高密度射频等离子体的激发并维持是指给大石英管外螺旋 状环绕的空心铜线圈(天线)通入射频电流，从内置于大石英管并同轴的小石英管通入点 火气体，在与大石英管外壁垂直的电火花发生器的激发下，射频电流在大石英管内部形成 感应磁场，将点火气体激发电离形成射频辉光放电感应耦合等离子体。 在点火气体电离形成的等离子体火焰稳定之后，逐步减弱点火气体的流量，开始 给小石英管通入工作气体，并最终关闭点火气体。点火气体是纯氩气或其它惰性气体，体积 流量为2 6mVh，工作气体是纯氧气(制备纳米级氧化物粉末材料)或其它反应气体，体 积流量为5 30mVh。冷却气体从大石英管与小石英管之间的间隙(同心圆环区域)，沿 着大石英管内壁注入，冷却气体采用氧气(边氧)，体积流量为15 40mVh。制备高品质 的氧化物类纳米粉末材料，采用纯氧气作为工作气体和冷却气体。 本专利技术所述的等离子体高温化学反应是指通过蒸发器加热将反应原料由液相蒸 发成气相，通入到工作气体的等离子体火焰末端区域，气相反应原料与等离子体态的工作 气体接触互融，发生等离子体高温化学反应，形成等离子体态初始反应产物。对于制备纯金 属或金属型氧化物材料，也可采用气体泵加料的方式。 本专利技术所述的反应原料是包括四氯化硅，或者四氯化钛，或者四氯化锌等在内的 化合物，或钛粉、锌粉等在内的单质材料，通入质量流量10 40Kg/h。根据实验规律，在同 等放电功率的条件下，反应原料输入的质量流量越大，所制备的纳米粉末材料的粒径越粗。 本专利技术所述的等离子体高温化学反应在10—5 10—2秒内完成，化学反应区的中心 温度为3000 5000。C，边界温度为1000 1500°C ，反应区压力为0. 09 0. lMPa。 本专利技术所述的二级扩散管梯度骤冷是指等离子体态初始反应产物在反应气体和 冷却气体的催动与粉末收集管道抽风机的负风压作用下，向下进入二级扩散管，二级扩散 管是内腔呈圆锥形-大圆柱形二级扩散，外腔夹层中空不锈钢管通循环水冷却，等离子体 态初始反应产物在梯度扩散和循环水冷却双重作用下，得到梯度骤冷处理，冷却速率超过120万度/秒，得到固态的纳米粉末材料，形成最终的纳米粉末材料和粒径的正态分布状态。 本专利技术所述的循环冷却水用于冷却电子管、空心铜线圈(天线)、二级扩散管和纳米粉末材料的不锈钢传输管道。 本专利技术所述的纳米粉末材料的负风压不锈钢管道传输是指纳米粉末材料的收集是在抽风机的负风压作用下，通过Z字型双层中空不锈钢管道传输进入粉末收集器中。不锈钢管中空夹层通循环水冷却，双层中空不锈钢传输管道的Z字型设计平衡了抽风机的负风压作用，维持大石英管内射频等离子体火焰的稳定，进一步冷却反应产物，减少反应尾气在粉末材料表面上的吸附，净化纳米粉末材料表面化学基团成分(种类)，利于表面化学改性。 本专利技术所述的粉末收集器是采用脉冲电磁阀配合玻璃纤维过滤布袋和抽风机进行工作的，抽风机的功率与不锈钢传输管道的Z型长度、粉末收集滤袋的表面积是正相关的，在粉末收集器中纳米粉末材料通过玻璃纤维过滤布袋和电磁脉冲阀的作用下与反应尾气表面脱附，反应尾气被粉末收集器顶部的抽风机抽走进入立式喷淋塔，纳米粉末材料由于重力作用向下沉，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米粉末材料的射频辉光放电感应耦合等离子体制备技术，其特征在于，其包含以下步骤：首先进行大口径高密度射频等离子体的激发并维持，之后进行等离子体高温化学反应形成等离子体态初步反应物，然后采用二级扩散管梯度骤冷方式将等离子体态初步反应物冷凝成高纯度的纳米粉末材料，最后进行纳米粉末材料的收集，反应尾气进行中和处理。

【技术特征摘要】
一种纳米粉末材料的射频辉光放电感应耦合等离子体制备技术，其特征在于，其包含以下步骤首先进行大口径高密度射频等离子体的激发并维持，之后进行等离子体高温化学反应形成等离子体态初步反应物，然后采用二级扩散管梯度骤冷方式将等离子体态初步反应物冷凝成高纯度的纳米粉末材料，最后进行纳米粉末材料的收集，反应尾气进行中和处理。2. 如权利要求1所述的纳米粉末材料的射频辉光放电感应耦合等离子体制备技术，其 特征在于，所述的等离子体是大气压下直流射频等离子体，放电模式是低气压或常压直流 射频辉光感应耦合放电，高电压低电流放电模式。3. 如权利要求1所述的纳米粉末材料的射频辉光放电感应耦合等离子体制备技术，其 特征在于，所述的射频辉光感应耦合放电属于无电极放电。4. 如权利要求1所述的纳米粉末材料的射频辉光放电感应耦合等离子体制备技术，其 特征在于，等离子体放电运行功率为90 200KW，射频放电。5. 如权利要求1所述的纳米粉末材料的射频辉光放电感应耦合等离子体制备技术，其 特征在于，所述的大口径高密度射频等离子体的激发并维持是指给大石英管外螺旋状环绕 的空心铜线圈通入射频电流，从内置于大石英管并同轴的小石英管通入点火气体，在与大 石英管外壁垂直的电火花发生器的激发下，射频电流在大石英管内部形成感应磁场，将点 火气体激发电离形成射频辉光放电感应耦合等离子体。6. 如权利要求5所述的纳米粉末材料的射频辉光放电感应耦合等离子体制备技术，其 特征在于，在点火气体电离形成的等离子体火焰稳定之后，逐步减弱点火气体的流量，开始 给小石英管通入工作气体，并最终关闭点火气体，点火气体是纯氩气或其它惰性气体，体积 流量为2 6m3/h ;工作气体是制备纳米级氧化物粉末材料的纯氧气或其它反应气体，体积 流量为5 30mVh ;冷却气体从大石英管与小石英管之间的间隙即同心圆环区域，沿着大 石英管内壁注入，冷却气体采用氧气，体积流量为15 40mVh。7. 如权利要求1所述的纳米粉末材料的射频辉光放电感应耦合等离子体制备技术，其 特征在于，所述的等离子体高温化学反应是指通过蒸发器加热将反应原料由液相蒸发成气 相，通入到工作气体的等离子体火焰末端区域，气相反应原料与等离子体态的工作气体接 触互融，发生等离子体高温化学反应，形成等离子体态初始反应产物，对于制备纯金属或金 属型氧化物材料，也可采用气体泵加料的方式。8....

【专利技术属性】
技术研发人员：吴锡坤，梁奕清，
申请(专利权)人：广东兴发铝业有限公司，
类型：发明
国别省市：44[中国|广东]