直流电弧等离子体制备微米和纳米级粉体材料的装置和方法[发明专利]

[19]
中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公开说明书
[11]公开号CN 1381304A [43]公开日2002年11月27日
[21]申请号02100122.7[21]申请号02100122.7
[22]申请日2002.01.08[71]申请人纪崇甲
地址100101北京市朝阳区大屯路科学园南里五
区509楼103号
[72]发明人纪崇甲 纪天舒 纪小东 杨太和 [74]专利代理机构北京科龙环宇专利事务所代理人孙皓晨
[51]Int.CI 7B01J 19/08C04B 35/622
权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 4 页
[54]发明名称
直流电弧等离子体制备微米和纳米级粉体材料的
装置和方法
[57]摘要
本发明涉及一种直流电弧等离子体制备球形微
米和纳米级粉体的装置和方法。

该装置的特点是使
用寿命长(阴极寿命可达50－100小时,阳极寿命可
达50－200小时),电极损耗小,热效率高,可连续运
行,粒度可控,单台装置年产量百吨级,实现了微米
和纳米级粉体的工业规模化生产,可生产出球形微
米和纳米级材料(包括球形微米和纳米级SiO 2,U 3Si
2,Sb 2O 3
等各种粉体材料)。

02100122.7权 利 要 求 书第1/2页 1、一种尺寸可控、具有工业生产规模的生产微米和纳米级粉体的装置，其特征在于该装置包括直流电弧等离子体发生器(1)，反应器(2)，球化汽化炉(3)，气冷水冷骤冷器(4)，集料锥(5)，以及在集料锥(5)以下的旋风分离器和布袋集尘器。

2、如权利要求1所述装置，所述直流电弧等离子体发生器的结构包括：阴极(6)、辅助阳极(8)、电弧柱(9)及主阳极(12)，主阳极(12)和辅助阳极(8)之间采用在高温下具有良好绝缘性的绝缘体绝缘，其特征在于运行时由电极保护气体入口(7)引入惰性气体保护阴极，以及主气(惰性气体或空气)由主气入口(11)切向旋入主气室(10)以稳定电弧正常燃烧，并对环境无污染。

3、如权利要求2所述装置，特征在于阴极采用铈钨棒以发射电子。

4、如权利要求1所述装置，其特征在于反应器的结构设计，用台阶结构使进入反应器后的等离子体火焰形成紊流高温气体，原料颗粒用惰性气体带入反应器，通过切向分布的送粉管进入反应器，原料颗粒在紊流中均匀弥漫于反应器中，进入的粒子将受到均匀的加热。

5、如权利要求1所述装置，其特征在于，在所述球化汽化炉内完成球化和汽化，球化汽化炉需一个足够的高度，例如300-500毫米，内腔需特制耐火材料制成绝热层，使热能得到充分利用并完成球化和汽化过程。

6、如权利要求1所述装置，其特征在于，所述气冷水冷骤冷器冷却速度可控，其上部采用环形布置多个超声速气流喷管(15)，可喷射出超声速气流，气流速度无级可控，均匀地、强力地冷却被熔化和汽化的粉体，以获得球形微米和纳米级粉体。

7、如权利要求6所述装置，其中所述超声速气流通过具有锥形狭窄的喷管在4公斤以上压力下引入冷却气体，如氮气来获得。

8、一种微米和纳米级粉体的生产方法，包括采用直流电弧等离子
02100122.7权 利 要 求 书 第2/2页
体发生器作高温热源(3000-7000K)，用0.3-100微米的原料，送入反应器中的等离子体焰中，原料在几个毫秒内受热熔化和汽化，经可控制骤冷速度的骤冷器淬冷，再经重力沉降，旋风集尘和布袋集尘，并对纳米材料进行分散，生产出微米或纳米级粉体。

9、权利要求8的方法，其特征在于直流电弧等离子体发生器，发生器有三个电极：阴极(6)、辅助阳极(8)、电弧柱(9)、主阳极(12)，主阳极和辅助阳极之间采用绝缘体，以及特征在于运行时由电极保护气体入口(7)引入惰性气体保护阴极，以及主气(为惰性气体)由主气入口(11)切向旋入主气室(10)以稳定电弧正常燃烧。

10、权利要求8的方法，其特征在于骤冷器是气冷水冷骤冷器，采用环形布置多个超声速气流喷嘴，气流速度无级可控，均匀地、强力的冷却被熔化和汽化的粉体，获得微米和纳米级粉体。

02100122.7说 明 书第1/6页直流电弧等离子体制备微米和纳米级粉体材料的装置和方法
发明领域
本发明涉及直流电弧等离子体制备微米和纳米级粉体材料，尤其是球形微米和纳米级粉体材料的装置和方法。

背景技术
由于纳米级粒子有很多优良特性，可以改造传统产业，如高分子量复合材料，涂料，橡胶，颜料，陶瓷，化妆品及抗菌材料等领域，可以大大提高产品的性能，使产品增值，由于产品性能优异，在我国进入WTO 后，产品质量可向世界挑战，故具有重大意义。

对纳米材料，例如二氧化硅的生产方法，国内外大多采用化学法，化学法工艺流程长，工艺繁琐，大都需用酸碱，对环境造成一定的污染。

1-100微米球形二氧化硅的主要用途是做电子封装材料。

目前，世界上每年生产二氧化硅作封装材料约17万吨，用机械粉碎法制得的二氧化硅占70％。

微米级球形二氧化硅年销售量为2-5万吨，机械粉碎的不规则形状的二氧化硅作电子封装材料时，由于其封装密度小，膨胀系数大对电子元件性能会造成不稳定，球形二氧化硅作封装材料，因其流动性好、封装密度大，膨胀系数小而提高了电子元件工作的可靠性和稳定性。

国内因没有球形二氧化硅产品，故主要从国外进口，一般每吨球形SiO2产品的售价为3500美元。

据悉，某一个工厂每年就需1000吨球形微米级二氧化硅电子作封装材料，因而在国内具有较好的销售市场。

而目前生产超细粉体的直流电弧等离子体装置使用寿命短，稳定性差，无法实现工业化规模，不能很好地控制粒度并生产出球形微米和纳米级材料，满足不了市场的需要。

因此对于粒度可控的生产球形微米和纳米级粉体材料的装置及方法存在着迫切的需求。

发明内容
本发明的目的是提供一种直流电弧等离子体制备微米和纳米级粉体的装置。

该装置的特点是使用寿命长(阴极寿命可达50-100小时，阳极寿命可达50-200小时)，电极损耗小，热效率高，可连续运行，可对粒度进行控制，单台装置SiO2年产百吨级，U3Si2年产20吨左右，Sb2O3年产500-1000吨，实现了微米和纳米级粉体的工业规模化生产，可生产出球形微米和纳米级材料(包括球形微米和纳米级SiO2，球形U3Si2，纳米级Sb2O3等各种粉体材料)。

本发明是用物理法，将粉体受热熔化和汽化，经骤冷制备微米级和纳米级粉体材料，尤其是球形微米级和纳米级粉体材料。

本发明是采用直流电弧等离子体作热源(3000-7000K)，使0.3微米至100微米的原料(如SiO2，Sb2O3)喷射到等离子体焰中，原料颗粒受热熔化和汽化，采用超声速气流喷嘴经骤冷后进入重力收集室，一级旋风二级旋风收集器和布袋集尘获得微米级和纳米级粉体。

附图简述
图1是本发明装置的示意图，(1)等离子体发生器；(2)反应器；(3)球化汽化炉；(4)气冷水冷骤冷器；(5)集料锥；(6)阴极；(7)电极保护气体入口；(8)辅助阳极；(9)电弧柱；(10)主气室；(11)主气入口；(12)主阳极；(13)送粉管；(14)等离子体焰；(15)超声速冷却喷管；(16)壁骤冷器。

图2是本发明装置生产的U3Si2纳米材料的电镜图。

图3是本发明装置生产的Sb2O3纳米材料电镜图。

图4是本发明的工艺流程图。

以下结合附图1来说明本发明。

本发明的装置包括直流电弧等离子体发生器(1)，反应器(2)，球化汽化炉(3)，其上端环形分布的多个
超声速冷却喷管(15)的气冷水冷骤冷器(4)，集料锥(5)，以及在集料锥以下的旋风分离器和布袋集尘器(在图中未显示)。

其中直流电弧等离子体发生器(1)的结构包括：阴极(6)，电极保护气体入口(7)，辅助阳极(8)，电弧柱(9)，主气室(10)，主气入口(11)和主阳极(12)。

发生器有三个电极，阴极优选采用铈钨棒，以发射电子，辅助阳极是起动时用，主阳极是阳极弧根运动区域。

用高频引弧，起动时需引入氩气，减少冲击电流，不致烧毁电极。

其特征在于，运行时从电极保护气体入口引入惰性气体(例如氮气，氩气)保护阴极，例如用高纯度，如99.99％的氮气保护阴极，每小时保护气量为0.3-0.7M3，优选0.5M3。

主气为高纯度惰性气体，如99.9％的氮气或空气(不优选)切向旋入主气室以稳定电弧正常燃烧。

主阳极和辅助阳极之间，采用绝缘性好的绝缘体，优选迷宫结构聚四氟乙烯绝缘体，保证在高温情况下电极之间良好的绝缘。

以下结合附图来说明本发明的工艺流程图。

等离子体火焰(14)进入反应器(2)之后，用台阶结构造成紊流高温气体，原料是通过切向分布的送粉管(13)用惰性气体引入反应器(2)，原料颗粒在紊流中均匀弥漫于反应器中，进入的粒子受到均匀的加热，并在球化和汽化炉(3)内完成球化和汽化，球化和汽化之后，进入一个冷却速度可控的气冷水冷骤冷器(4)，在其上端有环形分布的多个超声速冷却喷管(15)，经超声速冷却喷管(15)喷入的冷却气体充分和均匀地冷却后，在壁骤冷器(16)中继续冷却，然后进入集料锥(5)，经重力收集、旋风分离器和布袋集尘器收集，获得成品。

纳米级粉体用分散法分散后，得到无团聚现象的纳米粉体。

等离子体火焰进入反应器后，用台阶结构造成紊流高温气体，颗粒用惰性气体带入反应器，颗粒是通过切向分布的送粉管(在一个优选的实施方案中，其轴线距反应器垂直轴线20-25毫米，送粉出口距等离子体发生器火焰出口端15毫米左右)，原料颗粒在紊流中均匀弥漫于反应器中，进入的粒子将受到均匀的加热。

球化和汽化在一个球化和汽化炉(3)内完成，球化和汽化炉(3)需要一个足够的高度，例如300-500毫米，内腔用耐火材料制成绝热层，使热能得到充分利用并完成球化和汽化过程。

球化和汽化之后，进入一个冷却速度可控的气冷水冷骤冷器(4)。

其特征在于该骤冷器上部采用环形布置的多个超声速气流喷管(15)，该喷管具有一锥形狭窄通路，气流速度无级可控，均匀地、强力地冷却被熔化和汽化的粉体材料，以获得微米球形和纳米球形粉体。

例如，超声速气流可以通过具有锥形狭窄的喷管连接氮气源在4公斤以上压力下来实现。

通过改变压力可调控气体的流速，通过调节冷却气体的流速，可以对产品粒度进行控制。

喷管的数目根据骤冷器的直径来决定，例如200mm 的骤冷器直径上分布大约12-20个喷管，优选16个喷管左右。

通过采用这种环形布置的具有锥形狭窄的冷却喷管，能够实现粉体材料的快速、均匀、充分地冷却，解决了现有技术冷却不充分和不均匀的缺陷，从而能够获得球形和粒度可控的微米和纳米粉体材料，是本发明的主要特征之一。

然后采用重力沉降，旋风收集器和布袋集尘器可获得球形微米和纳米级材料成品。

本发明的另一个目的是提供直流电弧等离子体制备微米和纳米级粉体的方法。

该方法包括：用直流电弧等离子体发生器发射3000-7000K的高温等离子体射流，将粉体熔化和汽化，然后骤冷，获得粉体材料，特征在于通过环形设置的多个超声速喷嘴进行冷却，通过调节冷却气流的速度可调控所需产品的粒径，以及特征在于所述直流电弧等离子体发生器，它包括阴极(6)，电极保护气体入口(7)，辅助阳极(8)，电弧柱(9)，主气室(10)、主气入口(11)和主阳极(12)。

发生器有三个电极，阴极优选采用铈钨棒，以发射电子，辅助阳极是起动时用，主阳极是阳极弧根运动区域。

用高频引弧，起动时需引入氩气，减少冲击电流，不致烧毁电极；以及特征在于，运行时从电极保护气体入口引入惰性气体(例
如氮气，氩气)保护阴极，例如用高纯度，如99.99％的氮气保护阴极，每小时保护气量为0.3-0.7M3，优选0.5M3。

主气为高纯度，如99.9％的氮气切向旋入主气室以稳定电弧正常燃烧，并减少对环境的污染。

本发明的一条生产线可年生产SiO2百吨级，U3Si220吨左右，Sb2O3500 -1000吨工业用微米和纳米级粉体。

本发明为物理法，球化、纳米化过程仅为0.5-2秒，粒径可控，无硬团聚，并对环境无污染。

有着很高的实用价值和好的经济效益。

本发明采用物理法，毋需任何化学品，用直流电弧等离子体3000-7000k的高温热源，使物质熔化和汽化，经可控冷却速度的骤冷器固化熔化液滴，并可控制汽化后再结晶的晶粒生长速度和时间，可获得不同纳米粒径的粉体，整个反应过程时间在1秒内就完成了，故生产过程特别简短。

另外，利用本发明的直流电弧等离子体制备微米和纳米级粉体材料的装置和方法，可以使板钛型和锐钛型二氧化钛晶型转化为金红石晶型，它在1秒内就可实现，而采用回转窑炉方法则需2个小时才能完成晶型转化。

该装置和方法还可以制备很多种金属和非金属氧化物的纳米级粉体，如氧化锌、三氧化二铁、氧化锡等。

本发明的特点是：
1、工艺流程简便，对环境无污染。

2、可同时获得两种产品，微米级和纳米级粉体材料(如SiO2粉体)。

3、产量高，实现了多种微米和纳米材料的工业化规模。

4、粉体产品质量高，流动性好，粒子无硬团聚。

5、无废料，产品百分之九十九可回收(如S i O2粉体)。

以下结合实施例来说明本发明。

实施例1
以U3Si2为原料，用本发明直流电弧氩氦(主气)等离子体火焰熔化U3Si2微粉，经骤冷器骤冷，经重力沉降、旋风分离器和布袋集尘器收集，获得球形U3Si2成品，球化率85～95％，送料量3公斤/小时。

见图2，
其中a为机械粉碎法获得的U3Si2粉体，b、c、d、e和f为本发明装置制备的U3Si2粉体。

实施例2
以Sb2O3为原料，采用直流电弧氮气(主气)等离子体火焰熔化和汽化，经骤冷器骤冷，旋风分离器和布袋集尘器收集，获得成品，年产量500-1000吨。

见图3的a，b，c和d，显示本发明的装置获得了30-60纳米Sb2O3的粉体材料。

实施例3
以SiO2为原料，用氮气(主气)等离子体火焰熔化和汽化，经壁骤冷器和超声速喷管骤冷，经重力收集、旋风分离器和布袋集尘器收集，获得成品，制备微米和纳米级球形SiO2。

02100122.7说 明 书 附 图第1/4页
图1
图2
图3
图4。