离心机辅助的小尺寸纳米材料分离方法及装置

1.本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体涉及一种离心机辅助的小尺寸纳米材料分离方法及装置。

背景技术：

2.目前制备纳米催化材料的手段主要分为物理法和化学法。物理法主要包括物理气相法和机械球磨法。化学法主要包括化学气相法、沉淀法、溶胶凝胶法、水热法以及模板法。其物理气相法局限性大，一般只适合于合成熔点低、成分单一的纳米材料。化学法通常配比难以精确控制，成本高，对环境存在一定污染，还容易引入杂质，无法适应工业化生产。

3.机械球磨法相比于传统方法有着反应温度低、所需设备少、成本低、工艺简单、产量大、结构缺陷较少等优点，在催化剂制备中有着广泛应用。但是行星球磨机关于研磨机理的研究主要集中于运行机理探讨、介质运动规律研究、工艺参数优化和物料微观结构观察等四个方面。目前还没有形成一个完整理论体系，既缺乏较明确的机理研究，也缺乏定量分析影响参数与研磨后粒径之间关系函数的研究，更缺乏根据这一机理进行纳米材料研磨的应用技术。

4.现有技术中制备的纳米材料通常呈正态分布或大小不够均一，颗粒大小又与粉体材料性能密切相关，因此有必要提供一种可以较好的分离出超细纳米微粒的装置。现有分离装置通常采用电机驱动颗粒在筒体中高速运转，设置进料出料管道的分离手段，其装置复杂，成本高，难以实现及时分离纳米颗粒。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种离心机辅助的小尺寸纳米材料分离方法及装置，其根据斯托克斯沉降原理可以估计一定时间内，筛分出来固定的纳米微粒尺度范围。

6.为实现上述目的，本技术提出一种离心机辅助的小尺寸纳米材料分离方法，包括：

7.使用行星球磨机法获取纳米粉体；

8.通过理论计算得到离心参数；

9.按照所述离心参数，开启搅拌电机，带动搅拌桨旋转，设置搅拌电机转速为固定值；

10.将所述纳米粉体注入到高速旋转的水中；然后在离心力的作用下，纳米粉体逐渐被沉淀，并通过离心容器下方的第一收集瓶收集，到达分离时间时，换用第二收集瓶收集；

11.将第二收集瓶中的纳米粉体水溶液放置于干燥箱中，至完全烘干后，得到小粒径的纳米粉体。

12.进一步的，获取纳米粉体时分为两种情况：第一种是当实际粒径值大于等于标准粒径时，获取理论粒径值；第二种是当实际粒径值小于标准粒径时，考虑团聚现象后获取理论粒径值。

13.进一步的，实际粒径值大于等于标准粒径时，获取理论粒径值，具体为：

14.对行星式球磨机进行运动分析，得到以下公式：

[0015][0016][0017][0018]

其中，磨球是一个质量为mq的质点，单位为kg；s为离心式运动状态走过的路程，单位为m；t是离心状态所需的时间，单位为s；μ为球磨罐内壁的动摩擦因数，ω是球磨罐自转的转速，单位为r/min；r1为球磨罐内半径，单位为m；ω是公转的转速，单位为r/min；l为公转中心到磨球之间的距离，单位为m；β表示公转离心力与球磨罐切线方向的夹角，单位为

°

；t为球磨时间，单位为h；n’为颗粒粒径达到预设尺寸d时需要完成的研磨次数；a

研

为物料的研磨速率系数；nf为初始颗粒数目；n为离心力运动状态下能够研磨到的颗粒数；d为研磨后粒径颗粒，单位为m；df为初始粒径尺寸，单位为m；

[0019]

定义a

研

为球磨后的硬度与球磨前硬度的比值；根据研磨材料的不同，研磨速率系数a

研

会发生改变，与研磨材料自身的硬度有关，材料硬度越大，a

研

越小；df、s、nf、a

研

这四个参数在实验设计已定条件下都是确定量；根据式(1)、(2)和(3)可以得到研磨后的理论粒径值；上式在某一粒径以上范围内可以直接使用，误差小于5％。在某一粒径以下范围内，需要考虑团聚现象；这一粒径值为团聚水平为1时的粒径值，称为标准粒径。

[0020]

进一步的，实际粒径值小于标准粒径时，考虑团聚现象后获取理论粒径值，具体为：

[0021]

设实际粒径值与理论粒径值之比，为团聚水平t’；则有理论粒径值l’和团聚水平t’之间的关系为：

[0022]

t'＝1.22

×

104l'-1.653

+0.9178

???????

(4)

[0023]

故在标准粒径以下范围时，将理论粒径值按式(4)进行修正。

[0024]

进一步的，使用行星球磨机法获取纳米粉体，具体为：

[0025]

对机理影响因素进行正交分析，得到最佳制备参数球磨时间ah、球磨转速br/min和介质填充率c；

[0026]

称取基材粉末；

[0027]

选取多种不同直径大小的氧化锆磨球，将多种氧化锆磨球按照介质填充率c混合，并与所述基材粉末放到球磨罐中，加入无水乙醇至基材粉末呈现稠糊状，采用湿法研磨，设置最佳球磨时间ah和球磨转速br/min，得到球磨后的基材粉末；

[0028]

将球磨后的基材粉末连同氧化锆磨球从球磨罐中取出，将得到的基材粉末放入托盘中摊开，摊开后置于干燥箱中，无水乙醇完全挥发后得到纳米粉体。

[0029]

更进一步的，对机理影响因素进行正交分析，得到最佳制备参数球磨时间ah、球磨转速br/min和介质填充率c，具体为：

[0030]

设置球磨时间、球磨转速、介质填充率三个变化因素，在不考虑交互作用下，选用3因素4水平l16(43)的正交表，得到16次理论粒径；

[0031]

球磨时间水平设置范围为8～30h；球磨转速水平设置范围为400～550r/min；介质填充率设置范围为0.3～0.45；

[0032]

对正交获取的理论粒径进行极差分析和方差分析，得到球磨最佳制备参数为球磨时间ah、球磨转速br/min和介质填充率c。

[0033]

更进一步的，获取球磨后的基材粉末，具体方式为：

[0034]

选取四种不同直径大小的氧化锆磨球，将磨球按照比例2：3：3：2进行混合，并与所述基材粉末放到球磨罐体中；

[0035]

选择球料比为8:1，采用湿法研磨，加入无水乙醇至基材粉末呈现稠糊状，其中平均每克基材粉末加入1～2ml无水乙醇；加入的混合磨球、基材粉末以及无水乙醇占球磨机罐体体积的25％～45％；

[0036]

设置最佳球磨时间ah，转速br/min，收集得到球磨后的基材粉末。

[0037]

更进一步的，获取离心参数，具体方式为：

[0038]

利用斯托克斯沉降定律对离心装置进行运动分析，得到以下公式：

[0039][0040][0041]

其中，d是颗粒直径，单位为m；ρ是颗粒的密度，单位为kg/cm3；ρf是溶液的密度kg/cm3；ω是搅拌溶液的旋转角速度r/min；r是颗粒距圆心的距离，单位为m3；η是溶液粘度，单位为pa

·

s；q为液体流量，单位为m3/s；v为初始离心容器中加入的液体体积，单位为m3；t

流

为溶液流出时间，单位为s。

[0042]

其中ρ、ρf、η、v、是确定量，根据式(5)、(6)得到分离相应粒径下的时间值。

[0043]

本发明还提供一种用于实施上述方法的小尺寸纳米材料分离装置，包括搅拌电机、搅拌桨、离心容器，所述搅拌电机持续提供动力给搅拌浆，所述搅拌桨伸入到离心容器中，所述离心容器底部设有漏孔，该漏孔下方设有第一收集瓶或第二收集瓶。

[0044]

进一步的，所述搅拌桨的叶片为螺旋形式。

[0045]

上述方法及装置适用于各种可研磨的纳米催化材料，包括且不限于粉煤灰、氧化铝等。

[0046]

本发明采用的以上技术方案，与现有技术相比，具有的优点是：

[0047]

(1)根据斯托克斯沉降原理可以估计一定时间内，筛分出来固定的纳米微粒尺度范围，能够有效的从粒径大小不均的纳米粉体中分离出更细的纳米材料；采用电机驱动，搅拌叶片为螺旋形式，使得搅拌充分效果更好。

[0048]

(2)本发明解决了行星式球磨机法制备纳米材料需要进行大量正交实验，确定最佳制备参数的繁琐步骤问题，具有反应温度低、所需设备少、成本低、工艺简单的优点。通过最佳填充率，球磨速度和球磨时间，制得纳米材料；理论与实际误差在5％以内。

附图说明

[0049]

图1为实施例得到的纳米粉煤灰sem形貌图；

[0050]

图2为实施例得到的纳米粉煤灰xrd图；

[0051]

图3为离心装置结构示意图。

[0052]

图中序号说明：1.搅拌电机、2.搅拌桨、3.离心容器、4.第一收集瓶或第二收集瓶。

具体实施方式

[0053]

为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术，即所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0054]

本实施例提供一种离心机辅助的小尺寸纳米材料分离方法，其具体步骤可以为：

[0055]

步骤1，使用行星球磨机法获取纳米粉体，分为两种情况：

[0056]

第一种是：当实际粒径值大于等于标准粒径时，获取理论粒径值；对行星式球磨机进行运动分析，可以得到以下公式：

[0057][0058][0059][0060]

其中，磨球是一个质量为mq的质点，单位为kg；s为离心式运动状态走过的路程，单位为m；t是离心状态所需的时间，单位为s；μ为球磨罐内壁的动摩擦因数，ω是球磨罐自转的转速，单位为r/min；r1为球磨罐内半径，单位为m；ω是公转的转速，单位为r/min；l为公转中心到磨球之间的距离，单位为m；β表示公转离心力与球磨罐切线方向的夹角，单位为

°

；t为球磨时间，单位为h；n’为颗粒粒径达到预设尺寸d时需要完成的研磨次数；a

研

为物料的研磨速率系数；nf为初始颗粒数目；n为离心力运动状态下能够研磨到的颗粒数；d为研磨后粒径颗粒，单位为m；df为初始粒径尺寸，单位为m。

[0061]

第二种是：当实际粒径值小于标准粒径时，考虑团聚现象后获取理论粒径值；设实际粒径值与理论粒径值之比，为团聚水平t’；则有理论粒径值l’和团聚水平t’之间的关系为：

[0062]

t'＝1.22

×

104l'-1.653

+0.9178

????????????????????????

(4)

[0063]

在标准粒径以下的范围内，将理论粒径按式(4)进行修正，误差小于5％；

[0064]

在机理计算公式中，最大的影响因素是介质填充率、球磨转速和球磨时间，其中，3种因素影响的大小顺序依次为：介质填充率＞球磨转速＞球磨时间。故使用行星球磨机法获取纳米粉体，具体步骤为：

[0065]

步骤11、对机理影响因素进行正交分析，得到最佳制备参数球磨时间ah、球磨转速br/min和介质填充率c；

[0066]

具体的，由于其它参数在实验设计已定条件下都是确定量，对3种影响因素进行正交分析，可以得到最佳制备参数，具体步骤为：

[0067]

步骤11.1、设置球磨时间、球磨转速、介质填充率三个变化因素，在不考虑交互作用下，选用3因素4水平l16(43)的正交表，得到16次理论粒径；

[0068]

步骤11.2、球磨时间水平设置范围为8～30h；球磨转速水平设置范围为400～550r/min；介质填充率设置范围为0.3～0.45。

[0069]

步骤11.3、对正交得到的理论粒径进行极差分析和方差分析，得到球磨最佳制备参数为球磨时间ah、球磨转速br/min和介质填充率c。

[0070]

步骤12、称取基材粉末；

[0071]

步骤13、选取多种不同直径大小的氧化锆磨球，将多种氧化锆磨球按照介质填充率c混合，并与所述基材粉末放到球磨罐中，加入无水乙醇至基材粉末呈现稠糊状，采用湿法研磨，设置最佳球磨时间ah和球磨转速br/min，得到球磨后的基材粉末，具体按照如下步骤实施：

[0072]

步骤13.1、选取四种不同直径大小的氧化锆磨球，直径尺寸可以分别为20mm、10mm、6mm、4mm，将四种氧化锆磨球按照比例2：3：3：2混合，并与步骤4称取的基材粉末放到球磨罐中；

[0073]

步骤13.2、选择球料比8:1，采用湿法研磨，加入无水乙醇至基材粉末呈现稠糊状，其中平均每克基材粉末要加入1～2ml无水乙醇。加入的混合磨球、基材粉末以及无水乙醇占球磨罐体体积的25％～45％；

[0074]

步骤13.3、设置最佳球磨时间ah，转速br/min，收集得到球磨后的基材粉末；

[0075]

步骤14、将步骤12球磨后的基材粉末连同氧化锆磨球从球磨罐中取出，将得到的基材粉末放入托盘中摊开，摊开后置于干燥箱中，设置干燥温度为30～45℃，无水乙醇完全挥发后得到纳米粉体。

[0076]

步骤2、通过理论计算获取离心参数，具体的：

[0077]

利用斯托克斯沉降定律对分离装置进行运动分析，可以得到以下公式：

[0078][0079][0080]

其中，d是颗粒直径，单位为m；ρ是颗粒的密度，单位kg/cm3；ρf是溶液的密度kg/cm3；ω是搅拌溶液的旋转角速度r/min；r是颗粒距圆心的距离，单位为m3；η是溶液粘度，单位为pa

·

s；q为液体流量，单位为m3/s；v为初始离心容器中加入的液体体积，单位为m3；t

流

为溶液流出时间，单位为s。由于ρ、ρf、η、v、是确定量，根据式(5)、(6)可以得到分离相应粒径下的时间值。

[0081]

步骤3、按照所述离心参数，开启搅拌电机，带动搅拌桨旋转，设置搅拌电机转速为固定值，其可以为1500r/min。

[0082]

步骤4、将粒径为100～1000nm的纳米粉体，注入到高速旋转的水中；然后在离心力的作用下，纳米粉体逐渐被沉淀，并通过离心容器下方的第一收集瓶收集，到达分离时间的90％～95％时，换用第二收集瓶收集；

[0083]

因为大小不同的颗粒流出时间不同，通过记录流出的时间，可以预测出颗粒的大小。

[0084]

步骤5、将第二收集瓶中的纳米粉体水溶液放置于干燥箱中，设置干燥温度可以为40℃左右，至完全烘干后，得到粒径最小的5％～10％纳米粉体。

[0085]

实施例1(以粉煤灰为例)

[0086]

粉煤灰的莫氏硬度为5，标准粒径为1300nm，在1300nm以上的范围内可以直接使用公式，在1300nm以下的范围内，需要考虑团聚现象。理论计算得到的最佳参数为球磨时间24h，球磨转速550r/min，填充率为0.3，称取粉煤灰粉末20g，选取四种不同直径大小的氧化锆磨球(20mm，10mm，6mm，4mm)，将四种磨球按照比例2：3：3：2混合与称取的粉煤灰粉末放到球磨罐中，选择球料比8：1，采用湿法研磨，加入无水乙醇至粉煤灰呈现稠糊状，设置加入的混合磨球、粉煤灰粉末、以及无水乙醇占球磨机罐体体积的30％，按照球磨时间24h，球磨转速550r/min进行研磨，收集得到研磨后的粉煤灰粉体。将研磨后的粉煤灰粉体连同氧化锆磨球从罐中取出，将得到的粉煤灰粉体放入托盘中摊开，放置于干燥箱中，设置干燥温度40℃，至无水乙醇挥发完全后得到纳米粉煤灰粉体。

[0087]

得到的纳米材料sem图如图1所示，其xrd图如图2所示，其粒径为范围100nm～1200nm，大小不均，颗粒中径为544nm。

[0088]

实施例2

[0089]

在离心装置上进行纳米材料筛选，分离物料为实施例1中得到的粉煤灰粉末，以水作为离心液体。装入2l水至离心容器中，离心装置图如图3所示。开启上方搅拌电机，带动搅拌桨旋转，设置电机转速为1500r/min，随后将粉煤灰注入到高速旋转的液体中，在离心力的作用下，样品逐渐沉淀并离心至容器下方，被第一收集瓶收集。记录流出的时间，50min后换用第二收集瓶收集流出的溶液，将该溶液放置于干燥箱中，设置干燥温度40℃，至完全烘干，此时粒径中径122nm左右，粒径分布范围为100nm～150nm，较仅经过研磨的颗粒粒径有明显的改善。

[0090]

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。技术特征：

1.一种离心机辅助的小尺寸纳米材料分离方法，其特征在于，包括：使用行星球磨机法获取纳米粉体；通过理论计算得到离心参数；按照所述离心参数，开启搅拌电机，带动搅拌桨旋转，设置搅拌电机转速为固定值；将所述纳米粉体注入到高速旋转的水中；然后在离心力的作用下，纳米粉体逐渐被沉淀，并通过离心容器下方的第一收集瓶收集，到达分离时间时，换用第二收集瓶收集；将第二收集瓶中的纳米粉体水溶液放置于干燥箱中，至完全烘干后，得到小粒径的纳米粉体。2.根据权利要求1所述一种离心机辅助的小尺寸纳米材料分离方法，其特征在于，获取纳米粉体时分为两种情况：第一种是当实际粒径值大于等于标准粒径时，获取理论粒径值；第二种是当实际粒径值小于标准粒径时，考虑团聚现象后获取理论粒径值。3.根据权利要求2所述一种离心机辅助的小尺寸纳米材料分离方法，其特征在于，实际粒径值大于等于标准粒径时，获取理论粒径值，具体为：对行星式球磨机进行运动分析，得到以下公式：对行星式球磨机进行运动分析，得到以下公式：对行星式球磨机进行运动分析，得到以下公式：其中，磨球是一个质量为m

q

的质点，单位为kg；s为离心式运动状态走过的路程，单位为m；t是离心状态所需的时间，单位为s；μ为球磨罐内壁的动摩擦因数，ω是球磨罐自转的转速，单位为r/min；r1为球磨罐内半径，单位为m；ω是公转的转速，单位为r/min；l为公转中心到磨球之间的距离，单位为m；β表示公转离心力与球磨罐切线方向的夹角，单位为

°

；t为球磨时间，单位为h；n’为颗粒粒径达到预设尺寸d时需要完成的研磨次数；a

研

为物料的研磨速率系数；n

f

为初始颗粒数目；n为离心力运动状态下能够研磨到的颗粒数；d为研磨后粒径颗粒，单位为m；d

f

为初始粒径尺寸，单位为m。4.根据权利要求2所述一种离心机辅助的小尺寸纳米材料分离方法，其特征在于，实际粒径值小于标准粒径时，考虑团聚现象后获取理论粒径值，具体为：设实际粒径值与理论粒径值之比，为团聚水平t’；则有理论粒径值l’和团聚水平t’之间的关系为：t'＝1.22

×

104l'-1.653

+0.9178

?????????

(4)故在标准粒径以下范围时，将理论粒径值按式(4)进行修正。5.根据权利要求1所述一种离心机辅助的小尺寸纳米材料分离方法，其特征在于，使用行星球磨机法获取纳米粉体，具体为：对机理影响因素进行正交分析，得到最佳制备参数球磨时间ah、球磨转速br/min和介质填充率c；称取基材粉末；

选取多种不同直径大小的氧化锆磨球，将多种氧化锆磨球按照介质填充率c混合，并与所述基材粉末放到球磨罐中，加入无水乙醇至基材粉末呈现稠糊状，采用湿法研磨，设置最佳球磨时间ah和球磨转速br/min，得到球磨后的基材粉末；将球磨后的基材粉末连同氧化锆磨球从球磨罐中取出，将得到的基材粉末放入托盘中摊开，摊开后置于干燥箱中，无水乙醇完全挥发后得到纳米粉体。6.根据权利要求5所述一种离心机辅助的小尺寸纳米材料分离方法，其特征在于，对机理影响因素进行正交分析，得到最佳制备参数球磨时间ah、球磨转速br/min和介质填充率c，具体为：设置球磨时间、球磨转速、介质填充率三个变化因素，在不考虑交互作用下，选用3因素4水平l16(43)的正交表，得到16次理论粒径；球磨时间水平设置范围为8～30h；球磨转速水平设置范围为400～550r/min；介质填充率设置范围为0.3～0.45；对正交获取的理论粒径进行极差分析和方差分析，得到球磨最佳制备参数为球磨时间ah、球磨转速br/min和介质填充率c。7.根据权利要求5所述一种离心机辅助的小尺寸纳米材料分离方法，其特征在于，获取球磨后的基材粉末，具体方式为：选取四种不同直径大小的氧化锆磨球，将磨球按照比例2：3：3：2进行混合，并与所述基材粉末放到球磨罐体中；选择球料比为8:1，采用湿法研磨，加入无水乙醇至基材粉末呈现稠糊状，其中平均每克基材粉末加入1～2ml无水乙醇；加入的混合磨球、基材粉末以及无水乙醇占球磨机罐体体积的25％～45％；设置最佳球磨时间ah，转速br/min，收集得到球磨后的基材粉末。8.根据权利要求1所述一种离心机辅助的小尺寸纳米材料分离方法，其特征在于，获取离心参数，具体方式为：利用斯托克斯沉降定律对离心装置进行运动分析，得到以下公式：托克斯沉降定律对离心装置进行运动分析，得到以下公式：其中，d是颗粒直径，单位为m；ρ是颗粒的密度，单位kg/cm3；ρ

f

是溶液的密度kg/cm3；ω是搅拌溶液的旋转角速度r/min；r是颗粒距圆心的距离，单位为m3；η是溶液粘度，单位为pa

·

s；q为液体流量，单位为m3/s；v为初始离心容器中加入的液体体积，单位为m3；t

流

为溶液流出时间，单位为s；其中ρ、ρ

f

、η、v、是确定量，根据式(5)、(6)得到分离相应粒径下的时间值。9.一种离心机辅助的小尺寸纳米材料分离装置，其特征在于，包括搅拌电机、搅拌桨、离心容器，所述搅拌电机持续提供动力给搅拌浆，所述搅拌桨伸入到离心容器中，所述离心容器底部设有漏孔，该漏孔下方设有第一收集瓶或第二收集瓶。10.根据权利要求9所述一种离心机辅助的小尺寸纳米材料分离装置，其特征在于，所述搅拌桨的叶片为螺旋形式。

技术总结

本发明公开了一种离心机辅助的小尺寸纳米材料分离方法，包括：使用行星球磨机法获取纳米粉体；通过理论计算得到离心参数；按照所述离心参数，开启搅拌电机，带动搅拌桨旋转，设置搅拌电机转速为固定值；将所述纳米粉体注入到高速旋转的水中；然后在离心力的作用下，纳米粉体逐渐被沉淀，并通过离心容器下方的第一收集瓶收集，到达分离时间时，换用第二收集瓶收集；将第二收集瓶中的纳米粉体水溶液放置于干燥箱中，至完全烘干后，得到小粒径的米粉体。本发明根据斯托克斯沉降原理可以估计一定时间内，筛分出来固定的纳米微粒尺度范围，能够有效的从粒径大小不均的纳米粉体中分离出更细的纳米材料。细的纳米材料。细的纳米材料。

技术研发人员：亓占丰 王珍 赵心舒 郭秀丽

受保护的技术使用者：大连大学

技术研发日：2022.05.07

技术公布日：2022/7/1