專利名稱：有機(jī)包覆金屬納米粉末的制備方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種有機(jī)包覆金屬納米粉末的制備方法及其裝置。
背景技術(shù)：
目前，大多數(shù)研究單位和生產(chǎn)廠家主要集中在納米粉末材料的制備，很少考慮到納米粉末的包覆問(wèn)題。通常情況下，金屬納米粉末因暴露在大氣中而發(fā)生氧化，以致影響了金屬納米粉末的表面特性，嚴(yán)重阻礙了它們的實(shí)際應(yīng)用。隨著納米科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和后續(xù)納米產(chǎn)品的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，金屬納米粉末的保存問(wèn)題迫切需要得到解決。因此，金屬納米粉末的包覆技術(shù)將是以后納米技術(shù)研究的重點(diǎn)。人們已經(jīng)開(kāi)始探索在納米粉末的表面生成一薄層材料而將納米粉末包覆起來(lái)。包覆層不但消除納米粉末表面的帶電效應(yīng)，防止納米粉末團(tuán)聚，同時(shí)，形成了一個(gè)勢(shì)壘，使它們?cè)诤铣蔁Y(jié)過(guò)程中(指無(wú)機(jī)包覆)顆粒不易長(zhǎng)大?，F(xiàn)在，對(duì)納米粉末包覆的研究主要集中在化學(xué)溶膠方法和其他化學(xué)方法，而且研究對(duì)象主要是金屬氧化物，形成的包覆層主要是碳，二氧化硅，聚合物等。這些包覆層或者易剝落、或者將氧引入納米粉末中，而影響包覆的效果和質(zhì)量。對(duì)純金屬納米粉末的包覆，尤其是在線有機(jī)包覆還未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。名稱為《表面包覆金屬化合物的納米氧化鈦粉體及制備方法》的中國(guó)專利技術(shù)(專利號(hào)ZL 98117464.7)中公開(kāi)了一種化學(xué)方法表面包覆金屬化合物的納米氧化鈦粉體，該方法容易將雜質(zhì)引入向納米粉體，并且包覆材料局限在氧化物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種有機(jī)包覆金屬納米粉末的包覆方法及其裝置。采用本發(fā)明可以同時(shí)進(jìn)行金屬納米粉末的制備與有機(jī)包覆，達(dá)到在線有機(jī)包覆金屬納米粉末的目的；采用本發(fā)明也可以將已經(jīng)制好的金屬納米粉末包覆上一層有機(jī)材料，實(shí)現(xiàn)離線有機(jī)包覆金屬納米粉末。
本發(fā)明所述的有機(jī)包覆金屬納米粉末的包覆方法含有以下內(nèi)容A、有機(jī)包覆金屬納米粉末的制備裝置中的放電管、連接管、接收器、收集容器抽真空；B、向放電管通入氫氣、有機(jī)氣體和作為金屬納米粉末輸運(yùn)的、約1個(gè)大氣壓的惰性氣流；C、加在放電管上的高頻高壓電源通電，調(diào)節(jié)其工作頻率和電壓，直到在放電管內(nèi)產(chǎn)生均勻、連續(xù)、穩(wěn)定的高壓等離子體；D、使金屬納米粉末在惰性氣流的定向輸運(yùn)下進(jìn)入由氫氣和有機(jī)氣體生成的高壓等離子體區(qū)；E、高壓等離子體區(qū)的等離子體離子/原子吸附在金屬納米粉末表面上，在金屬納米粉末表面上生成一層主要組成為碳?xì)涞挠袡C(jī)薄膜，將金屬納米粉末包覆起來(lái)；F、在氣流的定向輸運(yùn)下，被有機(jī)薄膜包覆的金屬納米粉末穿過(guò)高壓等離子體區(qū)、進(jìn)入收集容器。
本發(fā)明的有機(jī)包覆金屬納米粉末的制備裝置包括金屬納米粉末原料進(jìn)入部分、金屬納米粉末分級(jí)管道、未反應(yīng)的金屬納米粉末收集容器、連接管道I、連接管道II、有機(jī)包覆的金屬納米粉末接收器、有機(jī)包覆的金屬納米粉末收集容器、用于產(chǎn)生高壓等離子體的發(fā)生裝置、有機(jī)氣體進(jìn)入口、氫氣進(jìn)入口、惰性氣流進(jìn)入口，高壓等離子體發(fā)生裝置包括高頻高壓電源和放電管；其連接關(guān)系是，金屬納米粉末原料進(jìn)入部分設(shè)置有惰性氣流進(jìn)入口，金屬納米粉末原料進(jìn)入部分通過(guò)金屬納米粉末分級(jí)管道、連接管道與用于產(chǎn)生均勻、連續(xù)、穩(wěn)定的高壓等離子體發(fā)生裝置的放電管連接，在金屬納米粉末分級(jí)管道外設(shè)置有水冷裝置及冷卻水入口和冷卻水出口，在金屬納米粉末分級(jí)管道的下方還設(shè)置有未反應(yīng)的金屬納米粉末收集容器；放電管下端分別設(shè)置有有機(jī)氣體進(jìn)入口和氫氣進(jìn)入口；放電管通過(guò)連接管道與有機(jī)包覆的金屬納米粉末接收器及收集容器連接；有機(jī)包覆的金屬納米粉末接收器的下端設(shè)置有一出口與真空泵連接。
用于產(chǎn)生高壓等離子體發(fā)生裝置的放電管采用圓柱形結(jié)構(gòu)，從管內(nèi)向管外依次排布為高壓電極、緊靠高壓電極的介質(zhì)阻擋層、作為高壓等離子體區(qū)的放電間隙、緊靠接地電極的介質(zhì)阻擋層和接地電極。用于產(chǎn)生高壓等離子體的發(fā)生裝置的的高頻高壓電源的工作電壓為1kV～35kV、工作頻率為20kHz～40kHz。
本發(fā)明用于產(chǎn)生高壓等離子體的電源是高頻高壓電源，在放電管的兩金屬電極之間放置介質(zhì)阻擋如石英玻璃等來(lái)控制電子流密度，抑制放電形式從雪崩放電向流注放電轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生均勻、連續(xù)、穩(wěn)定的高壓等離子體。電源的工作電壓必須足夠高以保證電場(chǎng)足夠強(qiáng)以擊穿工作氣體；工作頻率必須適當(dāng)，如果頻率太低，放電不能啟動(dòng)；若太高，會(huì)在兩電極間形成大量絲狀放電。本發(fā)明中，放電氣體為有機(jī)氣體、氫氣和惰性氣體。當(dāng)金屬納米粉末在氣流的輸運(yùn)下穿過(guò)高壓等離子體區(qū)時(shí)，金屬納米粉末強(qiáng)的表面吸附能力將引起帶電的碳?xì)潆x子附著在粉末表面，從而將納米粉末包覆起來(lái)。通過(guò)調(diào)節(jié)有機(jī)氣體、氫氣的氣體流量，可以控制包覆層中的碳?xì)浔壤?br> 有機(jī)包覆金屬納米粉末使金屬納米粉末與有機(jī)物和有機(jī)試劑達(dá)到浸潤(rùn)狀態(tài)。這為金屬納米粉末摻入高分子塑料中奠定了良好的基礎(chǔ)。
有機(jī)材料包覆金屬納米粉末可以極大地改善其分散、團(tuán)聚、粘合等特性。被有機(jī)材料包覆的金屬納米粉末可作為塑料等有機(jī)材料的改性摻雜材料，由于該材料與塑料有機(jī)材料具有良好的表面和界面相溶性，避免了未被包覆的金屬納米粉末因表面氧化和團(tuán)聚帶來(lái)的材料摻雜過(guò)程中的負(fù)作用。使該材料能夠很好地用于有機(jī)材料、涂料、汽車表面材料、各種裝飾材料的功能改善和增強(qiáng)中。該技術(shù)和工藝實(shí)現(xiàn)后，這些工藝將被用于表面包覆其它材料的工藝研究，如金屬納米粉末表面包覆化妝品相容性材料工藝研究，食品添加劑中的微量金屬元素表面相溶材料包覆工藝研究等。
采用本發(fā)明的有機(jī)包覆金屬納米粉末的制備方法及其裝置可以將金屬納米粉末在未與空氣接觸的情況下包覆起來(lái)，實(shí)現(xiàn)在線或離線有機(jī)包覆金屬納米粉末，在金屬納米粉末表面包覆數(shù)納米厚且厚度可控的碳?xì)鋵樱苊饬私饘偌{米粉末的氧化。本發(fā)明的制備裝置體積相對(duì)較小，產(chǎn)率高，便于實(shí)施，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。


下而結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1為本發(fā)明的有機(jī)包覆金屬納米粉末方法及其制備的原理示意圖。
圖2為本發(fā)明的有機(jī)包覆金屬納米粉末方法所用的高壓等離子體發(fā)生裝置的原理示意圖。
圖3為本發(fā)明的有機(jī)包覆金屬納米粉末的制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1.惰性氣體 2.金屬納米材料 3.有機(jī)氣體和氫氣 4.高壓等離子體區(qū)5.高壓電極 6.接地電極 7-1.介質(zhì)阻擋層I 7-2.介質(zhì)阻擋層II 8.放電間隙9.高頻高壓電源 10.金屬納米粉末原料進(jìn)入部分 11.惰性氣體進(jìn)入口I 12.惰性氣體進(jìn)入口II 13-1.冷卻水入口 13-2.冷卻水出口 14.金屬納米粉末分級(jí)管道15.未反應(yīng)的金屬納米粉末收集容器 16.連接管道I 17.有機(jī)氣體進(jìn)入口 18.氫氣進(jìn)入口 19.連接管道II 20.有機(jī)包覆的金屬納米粉末接收器 21.有機(jī)包覆的金屬納米粉末收集容器 22.真空泵。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1在線有機(jī)包覆金屬納米粉末本實(shí)施例中的金屬納米粉末全部為銅納米粉末。
圖1中，將惰性氣體1通入金屬納米材料2中，在流動(dòng)的惰性氣體1的帶動(dòng)下，金屬納米材料2、惰性氣體1和后通入的有機(jī)氣體和氫氣3形成氣流一起進(jìn)入高壓等離子體區(qū)4，反應(yīng)生成有機(jī)包覆金屬納米粉末。
金屬納米粉末原料進(jìn)入部分10采用中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心2004年提交的另一專利申請(qǐng)《金屬納米粉末材料的制備方法及其制備裝置》(專利申請(qǐng)?zhí)?00410040125.3)中的裝置結(jié)構(gòu)，制得在線金屬納米粉末。
圖3所示，本發(fā)明的有機(jī)包覆金屬納米粉末的制備裝置為在線生成的金屬納米粉末進(jìn)入金屬納米粉末原料進(jìn)入部分10通過(guò)金屬納米粉末分級(jí)管道14、連接管道I 16與用于產(chǎn)生均勻、連續(xù)、穩(wěn)定的高壓等離子體發(fā)生裝置的放電管連接，在金屬納米粉末分級(jí)管道14外設(shè)置有水冷裝置，13-1為冷卻水入口，13-2為冷卻水出口，在金屬納米粉末分級(jí)管道14的下方還設(shè)置有未反應(yīng)的金屬納米粉末收集容器15；放電管下端分別設(shè)置有有機(jī)氣體進(jìn)入口17和氫氣進(jìn)入口18；放電管通過(guò)連接管道II 19與有機(jī)包覆的金屬納米粉末接收器20及有機(jī)包覆的金屬納米粉末收集容器21連接；有機(jī)包覆的金屬納米粉末接收器20的下端設(shè)置有一出口與真空泵22連接。
圖2所示，用于產(chǎn)生高壓等離子體的放電管采用圓柱形結(jié)構(gòu)，從管內(nèi)向管外依次排布為高壓電極5、緊靠高壓電極的介質(zhì)阻擋層7-1、作為高壓等離子體區(qū)的放電間隙8、緊靠接地電極的介質(zhì)阻擋層7-2和接地電極6，放電間隙8的寬為8mm、長(zhǎng)為30cm。用于產(chǎn)生高壓等離子體的高頻高壓電源9的工作電壓為10kV左右、工作頻率為20kHz左右。
本發(fā)明的工作過(guò)程如下A、制備裝置中的放電管、連接管、接收器、收集容器抽真空；B、由惰性氣體進(jìn)入口I 11通入壓強(qiáng)為0.9個(gè)大氣壓、流量為3.3l/min的氬氣，由惰性氣體進(jìn)入口II 12通入壓強(qiáng)為0.85個(gè)大氣壓、流量為1.7l/min的氬氣，同時(shí)以1l/min的流量由有機(jī)氣體進(jìn)入口17通入甲烷，從氫氣進(jìn)入口18以2l/min的流量通入氫氣，放電間隙8內(nèi)的總氣壓為1.1個(gè)大氣壓；開(kāi)啟真空泵22，其抽速為8l/min；C、啟動(dòng)高頻高壓電源9，調(diào)節(jié)其工作頻率和電壓，直到在放電間隙8內(nèi)產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定的高壓等離子體；D、在金屬納米粉末原料進(jìn)入部分10內(nèi)啟動(dòng)制備銅納米粉末；E、制備的銅納米粉末在氬氣流的定向輸運(yùn)下經(jīng)金屬納米粉末分級(jí)管道14、連接管道I 16，進(jìn)入高壓等離子體區(qū)8；F、氣流的定向輸運(yùn)下，納米金屬粉末穿過(guò)高壓等離子體區(qū)8、經(jīng)連接管道II 19、有機(jī)包覆的金屬納米粉末接收器20進(jìn)入有機(jī)包覆的金屬納米粉末收集容器21。
在線有機(jī)包覆的銅納米粉末的分散性好，有機(jī)包覆層主要為碳?xì)浣M合，碳?xì)浔壤秊?∶2，厚度為10納米。
通過(guò)控制惰性氣體、氫氣、有機(jī)氣體的流量、流速和比例，可以控制金屬納米粉末有機(jī)包覆碳?xì)鋵拥暮穸取?br> 實(shí)施例2離線有機(jī)包覆金屬納米粉末本實(shí)施例中的金屬納米粉末全部為銅納米粉末。
金屬納米粉末原料進(jìn)入部分10作為金屬納米粉末存貯區(qū)。
圖2、圖3所示，本發(fā)明的有機(jī)包覆金屬納米粉末的制備裝置為金屬納米粉末原料進(jìn)入部分10通過(guò)金屬納米粉末分級(jí)管道14、連接管道I 16與用于產(chǎn)生均勻、連續(xù)、穩(wěn)定的高壓等離子體發(fā)生裝置的放電管連接，在金屬納米粉末分級(jí)管道14外設(shè)置有水冷裝置，13-1為冷卻水入口，13-2為冷卻水出口，在金屬納米粉末分級(jí)管道14的下方還設(shè)置有未反應(yīng)的金屬納米粉末收集容器15；放電管下端分別設(shè)置有有機(jī)氣體進(jìn)入口17和氫氣進(jìn)入口18；放電管通過(guò)連接管道II 19與有機(jī)包覆的金屬納米粉末接收器20及有機(jī)包覆的金屬納米粉末收集容器21連接；有機(jī)包覆的金屬納米粉末接收器20的下端設(shè)置有一出口與真空泵22連接。
用于產(chǎn)生高壓等離子體的放電管采用圓柱形結(jié)構(gòu)，從管內(nèi)向管外依次排布為高壓電極5、緊靠高壓電極的介質(zhì)阻擋層7-1、作為高壓等離子體區(qū)的放電間隙8、緊靠接地電極的介質(zhì)阻擋層7-2和接地電極6，放電間隙8的寬為8mm、長(zhǎng)為30cm。用于產(chǎn)生高壓等離子體的高頻高壓電源9的工作電壓為30kV、工作頻率為30kHz。
本發(fā)明的工作過(guò)程如下A、向金屬納米粉末原料進(jìn)入部分10裝入已制備好的銅納米粉末，有機(jī)包覆金屬納米粉末的制備裝置中的放電管、連接管、接收器、收集容器抽真空；B、由惰性氣體進(jìn)口II 12通入壓強(qiáng)為0.9個(gè)大氣壓、流量為5l/min的氬氣，同時(shí)從有機(jī)氣體進(jìn)口17以11/min的流量通入甲烷氣體，由氫氣進(jìn)入口18以2l/min的流量通入氫氣，放電間隙8內(nèi)的總氣壓為1.1個(gè)大氣壓；開(kāi)啟真空泵22，其抽速為8l/min；C、啟動(dòng)高頻高壓電源9，調(diào)節(jié)其工作頻率和電壓，直到在放電間隙8內(nèi)產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定的高壓等離子體；D、惰性氣體進(jìn)入口II 12停止通入氬氣，由惰性氣體進(jìn)入口I 11通入壓強(qiáng)為0.9個(gè)大氣壓、流量為5l/min的氬氣，存貯在金屬納米粉末原料進(jìn)入部分10內(nèi)的銅納米粉末在氬氣流的定向輸運(yùn)下經(jīng)金屬納米粉末分級(jí)管道14、連接管道I 16進(jìn)入高壓等離子體區(qū)8；F、氣流的定向輸運(yùn)下，納米金屬粉末穿過(guò)高壓等離子體區(qū)8、經(jīng)連接管道II 19、有機(jī)包覆的金屬納米粉末接收器20進(jìn)入有機(jī)包覆的金屬納米粉末收集容器21。
離線有機(jī)包覆的銅納米粉末的有機(jī)包覆層主要為碳?xì)浣M合，碳?xì)浔壤秊?∶2，厚度為12納米。
實(shí)施例3本實(shí)施例中的金屬納米粉末全部為鎳納米粉末。
用于產(chǎn)生高壓等離子體的高頻高壓電源9的工作電壓為20kV左右、工作頻率為40kHz左右。
其余同實(shí)施例1。
本發(fā)明的實(shí)施例中的金屬納米粉末，除采用金屬銅、鎳外，還可采用金屬鐵、鈷、鋁、銀、金、鉛、錳、鈦、釩、鉻、鋅、鎢、鎂等替代，制備相應(yīng)的有機(jī)包覆金屬納米粉末材料。
權(quán)利要求
1.一種有機(jī)包覆金屬納米粉末的制備方法，其特征在于含有以下內(nèi)容A、有機(jī)包覆金屬納米粉末的制備裝置中的放電管、連接管、接收器、收集容器抽真空；B、向放電管通入氫氣、有機(jī)氣體和作為金屬納米粉末輸運(yùn)的、約1個(gè)大氣壓的惰性氣流；C、加在放電管上的高頻高壓電源通電，調(diào)節(jié)其工作頻率和電壓，直到在放電管內(nèi)產(chǎn)生均勻、連續(xù)、穩(wěn)定的高壓等離子體；D、使金屬納米粉末在惰性氣流的定向輸運(yùn)下進(jìn)入由氫氣和有機(jī)氣體生成的高壓等離子體區(qū)；E、高壓等離子體區(qū)的等離子體離子/原子吸附在金屬納米粉末表面上，在金屬納米粉末表面上生成一層主要組成為碳?xì)涞挠袡C(jī)薄膜，將金屬納米粉末包覆起來(lái)；F、在氣流的定向輸運(yùn)下，被有機(jī)薄膜包覆的金屬納米粉末穿過(guò)高壓等離子體區(qū)、進(jìn)入收集容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)包覆金屬納米粉末的制備方法，其特征在于加在放電管上的高頻高壓電源的工作電壓為1kV～35kV、工作頻率為20kHz～40kHz。
3.用于權(quán)利要求1或2所述的有機(jī)包覆金屬納米粉末的制備裝置，其特征在于所述的制備裝置含有金屬納米粉末原料進(jìn)入部分(10)、金屬納米粉末分級(jí)管道(14)、金屬納米粉末收集容器(15)、連接管道I(16)、有機(jī)氣體進(jìn)入口(1)、氫氣進(jìn)入口(18)、惰性氣體進(jìn)入口I(11)、惰性氣體進(jìn)入口II(12)、連接管道II(19)、有機(jī)包覆的金屬納米粉末接收器(20)、有機(jī)包覆的金屬納米粉末收集容器(21)、真空泵(22)、用于產(chǎn)生高壓等離子體發(fā)生裝置，其中高壓等離子體發(fā)生裝置包括高頻高壓電源(9)和放電管；其連接關(guān)系是，金屬納米粉末原料進(jìn)入部分(10)設(shè)置有惰性氣流進(jìn)入口(11、12)，金屬納米粉末原料進(jìn)入部分通過(guò)金屬納米粉末分級(jí)管道(14)、連接管道I(16)與用于產(chǎn)生均勻、連續(xù)、穩(wěn)定的高壓等離子體的發(fā)生裝置的放電管連接，在金屬納米粉末分級(jí)管道(14)外設(shè)置有水冷裝置，(13-1)為冷卻水入口，(13-2)為冷卻水出口，在金屬納米粉末分級(jí)管道(14)的下方還設(shè)置有未反應(yīng)的金屬納米粉末收集容器(15)；放電管下端分別設(shè)置有有機(jī)氣體進(jìn)入口(17)和氫氣進(jìn)入口(18)；放電管通過(guò)連接管道II(19)與有機(jī)包覆的金屬納米粉末接收器(20)及有機(jī)包覆的金屬納米粉末收集容器(21)連接；有機(jī)包覆的金屬納米粉末接收器(20)的下端設(shè)置有一出口與真空泵(22)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的有機(jī)包覆金屬納米粉末的制備裝置，其特征在于所述的放電管采用圓柱形結(jié)構(gòu)，從管內(nèi)向管外依次排布為高壓電極(5)、緊靠高壓電極的介質(zhì)阻擋層(7-1)、作為高壓等離子體區(qū)的放電間隙(8)、緊靠接地電極的介質(zhì)阻擋層(7-2)和接地電極(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的有機(jī)包覆金屬納米粉末的制備裝置，其特征在于所述的加在放電管上的高頻高壓電源(9)的工作電壓為1kV～35kV、工作頻率為20kHz～40kHz。
全文摘要
本發(fā)明提供一種有機(jī)包覆金屬納米粉末的方法及其裝置。其方法是先對(duì)有機(jī)包覆金屬納米粉末的制備裝置抽真空，然后向放電管通入氫氣、有機(jī)氣體及作為金屬納米粉末輸運(yùn)和保護(hù)氣體的惰性氣體；開(kāi)啟加在放電管上的高頻高壓電源，調(diào)節(jié)其工作頻率和電壓，直到在放電管內(nèi)產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定、連續(xù)的高壓等離子體；金屬納米粉末在惰性氣流的定向輸運(yùn)下進(jìn)入高壓等離子體區(qū)；金屬納米粉末在氣流的定向輸運(yùn)下穿過(guò)高壓等離子體區(qū)，納米粉末強(qiáng)的表面吸附能力將引起帶電的碳?xì)潆x子/原子附著在粉末表面，從而將納米粉末包覆起來(lái)。采用本發(fā)明的包覆方法及其制備裝置可在金屬納米粉末表面包覆數(shù)納米厚且厚度可控的碳?xì)鋵印?br> 文檔編號(hào)B22F1/02GK1778498SQ20051002179
公開(kāi)日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2005年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者唐永建, 雷海樂(lè), 黎軍, 師紅麗, 羅江山, 李喜波 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心