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超声雾化法:制备超细粉体的首选?


来源:中国粉体网   平安

[导读]  采用超声雾化法制备的纳米粉体粒径分布均匀、比表面积大、颗粒间组分相同、团聚少 ,在超声的同时能够活化反应体系 ,粉体具有更好的性能 ,但是在放大规模上  仍存在一定的难度。

中国粉体网讯  近日 ,中国粉体网编辑在2019年发表的一篇论文中发现了这样一段话 ,“超声雾化法设备简单 ,能连续快速地制备超细粉体 ,且能良好地控制超细粉体的粒径、形貌、结晶度等性能。因 此 ,目前超声雾化法成为制备超细粉体的首选。”

在笔者看来 ,一种并不常见的超细粉体制备技术成为“制备超细粉体的首选” ,这是一个有待了解的问题。众所周知 ,超细粉体具有一系列良好的性能 ,如电学、光学、催化、气敏性等等 ,因 此在光学材 料、催化剂、医学、电子、冶金、航天等领域有着广泛的应用。

超细粉体独特的特征取决于其粒径、形貌、表面组成等特性 ,控制超细粉体的形貌和粒径的大小非常重要。工业上  制备超细粉体的方法有溶胶-凝胶、水热法、固相法等 ,它们或多或少都还存在一些问题没有解决 ,如晶粒的大小和晶体的形貌不易控制 ,粒径分布较大 ,生产成本高等问题。

为了解决上  述这些问题 ,有研究者就将超声波技术引用到材 料合成中 ,其中超声雾化技术开始逐渐在超细粉体研究领域得到应用。到目前为止 ,超声雾化法已经在空气加湿器、医用超声雾化、表面涂层、喷油燃烧器等领域得到了比较广泛的应用。

超声雾化技术的原理

超声雾化是通过超声波(20kHz以上  )机械震动液体 ,使得溶液从液相雾化形成纳米级的小液滴 ,雾化后的小液滴又称为气溶胶。对于超声雾化的原理主要存在两种解释:一种是表面张力波理论 ,这种理论是指在超声波的作用下 ,在气液界面处出现不稳定的表面张力波 ,当表面张力波大到一定值时 ,在波峰处的小液滴脱离形成小雾滴;第二种是微激波理论 ,即用超声波使液体出现空化现象 ,产生微激波 ,从而出现雾化现象。



超声雾化法喷嘴

超声雾化法制备粉体过程是利用超声波振动将前躯体雾化成小液滴 ,雾化后的小液滴又称为气溶胶;利用载气将小液滴运输到反应腔内 ,在高温条件下进行热解反应 ,最后通过收集器收集粉体。

超声雾化技术的影响因 素

超声雾化法的影响因 素包括前躯体和过程参数等。前驱体溶液中除了表面张力、密度和粘度等对粉体有影响外 ,前驱体溶液的浓度、pH和来源对粉体的粒度、形貌等也有着重要的影响。在制备过程中 ,热解温度是最重要的影响因 素 ,超声波频率和载气速率的影响也不可忽视。粉体的成核和结晶两个步骤都高度依赖于温度和时间。而前驱体浓度、气溶胶液滴大小、温度、气体流量以及相对湿度等决定了蒸发和扩散速率。

超声雾化技术的研究现状

在材 料制备方面 ,以超声雾化为代表的气溶胶制备技术 ,如喷雾干燥、喷雾热分解、液相气相化学沉淀以及熔融液滴沉积等 ,日益引起人们的关注。在实验一室中 ,采用超声雾化为基础的材 料制备技术已制备出包括粉体、薄膜、涂层、纤维和纳米复合材 料在内的各种组分和形态的材 料。利用超声雾化制取超细粉体不仅具备流体雾化的优势 ,而且由于超声的作用活化了反应体系 ,制备的粉体具备更好的性能。

随着超声技术的发展 ,利用超声波的高能分散空化作用将液体雾化成微细液滴来制备纳米粉体的研究越来越多。当超声雾化器通电后 ,电流通过时高频电子振荡可以转化成接触到超声雾化器液体的机械振荡 ,电能转化为动能 ,使液体克服张力破碎成为细小的液滴。当雾化后的液滴发生化学反应时 ,形成类似于微反应器的反应微滴 ,使得溶液中的离子与沉淀剂在微小的结构内接触发生反应 ,进行物质与能量的交换。由于微反应器结构精密微小 ,具有很高的传热、传质、反应效率 ,在化学领域中被广泛应用 ,尤其在均相反应与多相反应中更高效。
 

小结

采用超声雾化法制备的纳米粉体粒径分布均匀、比表面积大、颗粒间组分相同、团聚少 ,在超声的同时能够活化反应体系 ,粉体具有更好的性能 ,但是在放大规模上  仍存在一定的难度。正如本文开篇所提到的论文作者也指出:目前超声雾化理论和超声雾化技术制备超细粉体都仍处于研究阶段 ,还仅是针对中低熔点的金属粉体进行研究。超声雾化的工艺参数对粉体的粒径、形貌、性能的控制的研究还不成熟 ,对于超声雾化机理目前还没有一个明确的解释。随着大功率高频率超声波的不断发展 ,超声雾化技术的研究将会不断地深入下去。

参考资料:

刘洋等:超声雾化法制备超细粉体的研究进展 ,昆明理工大学

张玮等:气体雾化法制备粉体方法概述 ,昆明冶金研究院

邵美苓:超声雾化法制备超细纳米粉体 ,大学

李晓蕾:超声雾化共沉淀法制备纳米YAG粉体 ,清华大学

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