超聲霧化法制備超細粉體
對于超細粉體來說,形貌和粒徑大小是影響其性能特征的重要因素。傳統工藝中,制備超細粉體往往采用溶膠-凝膠、水熱法、固相法等方法,但這些方法都存在同樣的缺陷,如晶粒的大小和晶體的形貌無法控制、粒徑分布大、生產成本過高、污染嚴重、技術復雜等。
為了解決這一系列的問題,超聲波技術便被引用到了材料合成中,超聲霧化技術便是其中一顆冉冉升起的新星。
②所得粒子微細、組成均勻。因干燥時間短,整個過程迅速完成,每一顆多組分微細液滴在反應過程中來不及發生偏析,從而獲得組成均勻的超微粒子。
③與產物粒子組成可控。因起始原料在溶液狀態下均勻混合,故可精確地控制所合成化合物或功能材料的最終組成。
④產物性能優異??刂撇僮鳁l件極易制得各種具有不同形態和性能的微細粉體。由于利用了物料的熱分解,所以制備材料的反應溫度較低,與其他方法制備的材料相比,產物的表觀密度小,比表面積大,微粉的燒結性能好。
⑤可連續生產,產量較大,成本低廉。此法操作過程簡單,反應一次完成,并且可以連續進行。產物無需水洗過濾和粉碎研磨,避免不必要的污染,保證產物的純度。
前驅體濃度的影響:
隨前驅體濃度的增加而變大,粒徑分布也隨之增大。當濃度增加,小液滴的單位體積內的溶質增加,導致密度、表面張力、沸點變大,蒸發率變慢,較小的液滴會附在周圍的大液滴上,一起發生熱解形成團聚粉體。當前驅體的濃度較低時,小液滴表面比內部先形成核,液滴表面的溶劑揮發形成殼狀結構,而液滴內部的溶劑受熱繼續揮發,在內外氣壓的作用下,粉體出現破殼、空洞現象隨著濃度的增加,蒸發率變慢,破殼、空洞現象減少,球形納米粉體增多。當前驅體的濃度快達到飽和時,內外同時形成核,避免了空洞現象的出現。
前驅體pH值的影響:
前軀體的pH對粉末的形貌和粒徑有一定的影響。pH較低時,前驅體分子間的力較大,粉末緊密結合,形成的粉體表面光滑。隨pH的增加,降低了成核數量,提高了晶體生長速率,粉體表面變得粗糙,粒徑減小。
熱解溫度的影響:
從氣溶膠到粉體經歷蒸發階段、反應過程、致密階段3個過程,當溫度較低時因沒有達到熱解溫度,液滴只發生溶劑蒸發;隨著溫度的增加,開始產生熱解反應;最后通過溫度控制晶粒大小。粒徑分布受蒸發階段的影響最大。隨溫度的增加,蒸發率升高,溶質達到飽和時間減少,表面溶劑揮發大于里面溶劑的揮發速率,使溶質快速形成殼狀結構,由于殼內外壓力差導致顆粒出現空心或者破殼的可能性較大,溫度越高破殼情況出現越多。熱解溫度較低時,前驅體未能全部發生熱解反應,粉體的結晶度差,表面光滑,粒徑分布較窄;熱解溫度過高時,蒸發速率變大,粉體晶粒變大,表面粗糙度增加,容易發生團聚。
超聲頻率的影響:
超聲波的頻率決定氣溶膠的大小。隨著頻率的增加,氣溶膠的粒徑逐漸減小,導致粉體的粒徑減小。當前驅體的濃度較低時,超聲波的頻率對粒度分布具有更大的影響。
載氣速率的影響:
載氣速率決定氣溶膠的熱解時間。載氣速率較低時,導致氣溶膠在腔體內的密度降低,從而減少氣溶膠的碰撞和二次凝聚,使形成粉體的粒徑減小,粉體粒徑分布比較均勻。當載氣速率較大時,熱解時間較短,液滴表面溶劑揮發形成殼狀,而在液滴內部的溶劑還不能完全揮發,球體內外的壓力差變大,在燒結階段就會形成空洞或不規則形狀。
離心—超聲霧化:熔體以一定流量經過流嘴時,通過渦流離心腔的導流作用,使流出的金屬液成空心錐結構,其螺旋形的流動軌跡加快了金屬液在振動面上的鋪展,促進了液體沿周向的鋪展和薄液膜的形成,提高了金屬液在整個震動面鋪展的均勻性。
恒載超聲霧化:該裝置采用等離子弧作為高溫熱源,并且借鑒旋轉電極離心霧化法的物料加熱方式,將待制粉末金屬棒料作為一個第高子用極,如故地交旅超L生聚能器上,在高壓作用下,與等離子槍內部電極之間形成氬弧等離子體,金屬棒料端面超聲換能器在高溫等離子轟擊下逐層融化。然后融化的金屬液被超聲振動所霧化。
超聲張力波—超聲氣霧化雙重超聲霧化:該方法將兩種超聲霧化方法有機結合,克服了各自的局限性。裝置分兩步擊碎液態金屬,從而解決了熔體流量不能過大的問題。液態金屬首先導向由超聲頻率激發的管狀共振器的內壁,熔態金屬潤濕這種振動基體,通過張力波霧化被擊碎。同時在進入同一管中的惰性氣體產生非穩態沖擊波,這種壓力脈沖進一步擊碎張力波霧化的溶液,從而使最終獲得細微粉末。這種方法適合制備20μm以下的粉末。
當前,大功率高頻率超聲波的不斷發展,正推動著超聲霧化技術的不斷深入研究。同時,超細粉體研究也隨之更上一個臺階。