專利名稱：超臨界流體-共溶劑沉積法制備納米復(fù)合材料反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料制備技術(shù)與綠色過程裝備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超臨界流體-共溶劑沉積法制備納米復(fù)合材料反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
超臨界流體沉積(Supercritical Fluid Deposition, SFD)技術(shù)是近年來發(fā)展的一種制備 納米復(fù)合材料的新方法，與傳統(tǒng)制備方法相比，在控制顆粒尺寸、尺寸分布以及金屬負(fù) 載量方面有巨大的優(yōu)勢，是一種先進(jìn)的制備納米復(fù)合材料的方法，受到越來越多的重視。 與已有的納米復(fù)合材料制備方法相比，超臨界流體沉積法具備零表面張力、擴(kuò)散性好、 溶劑脫除簡便等優(yōu)點(diǎn)。
目前制備復(fù)合材料多采用將前驅(qū)物、溶劑、載體(基材)放置在反應(yīng)器中并采用攪拌以 便混合均勻，使用這樣的反應(yīng)器，無論是常壓還是高壓操作，都存在明顯的缺陷(1)制 備完成后載體需要復(fù)雜的表面清洗等后處理，以便將多余的溶劑、前驅(qū)物等除去；(2)為 了將少量殘留在載體孔道內(nèi)部的液體完全脫除，必須采用高溫焙燒或者冷凍干燥等方法 實(shí)現(xiàn)脫溶劑。實(shí)踐證明，這樣常會(huì)因?yàn)橐后w的表面張力和毛細(xì)管作用致使載體的納米微 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開裂、坍塌等缺陷或者破壞，給納米復(fù)合材料制備帶來嚴(yán)重困擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超臨界流體-共溶劑沉積法制備納米復(fù)合材料反應(yīng)器，該反 應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置一個(gè)特制的料筐，用于盛放載體、隔離載體和溶劑，并起到超臨界共溶劑 溶液可以和載體相互接觸而不影響其在載體微孔內(nèi)自由擴(kuò)散的作用，該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單， 便于加工制造，拆裝方便，高壓密封可靠。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下
超臨界流體-共溶劑沉積法制備納米復(fù)合材料反應(yīng)器主要由反應(yīng)器筒體1、載體料筐2、 料筐頂蓋3、進(jìn)料口和出料口 4、反應(yīng)器端蓋5和密封墊圈6組成在距反應(yīng)器底部3/7 2/3 高度位置處，設(shè)有用于放置載體料筐2的圓環(huán)形平臺(tái)，載體料筐2的底部支承板和頂部蓋板 上均開設(shè)多個(gè)小孔，料筐頂蓋3與筐體采用卡式快裝結(jié)構(gòu)連接，料筐底部鋪設(shè)濾紙、脫脂棉 或者高分子薄膜；反應(yīng)器筒體1的兩側(cè)壁上分別設(shè)有進(jìn)料口和出料口 4，進(jìn)料口和出料口 4 均位于載體料筐2的上方；反應(yīng)器底部為圓形平面結(jié)構(gòu)，反應(yīng)器筒體1的端部為環(huán)型槽狀結(jié) 構(gòu)，反應(yīng)器端蓋5與反應(yīng)器筒體1之間采用螺紋連接；密封墊圈6位于反應(yīng)器筒體1和反應(yīng) 器端蓋5之間，為O型圈自緊密封結(jié)構(gòu)。上述反應(yīng)器筒體1采用1Crl8Ni9Ti型號不銹鋼或316型號不銹鋼或316L型號不銹鋼或 304型號不銹鋼材料制成;所述反應(yīng)器端蓋5上設(shè)有一個(gè)外六角帽；所述密封墊圈6采用硅 橡膠或聚四氟乙烯材料制成。本發(fā)明的有益效果如下1) 從根本上克服了載體材料因直接接觸溶液而造成的溶劑污染、溶劑殘留量大、干燥過 程中致使結(jié)構(gòu)坍塌、開裂等破壞；2) 利用本發(fā)明的反應(yīng)器能夠制備出粒子尺寸小、尺寸分布窄、分散均勻的納米復(fù)合材料；3) 本發(fā)明的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡便，密封性能好，控制方便；4) 載體收集方便、無損失；5) 制造成本低。


圖1是本發(fā)明的反應(yīng)器總裝配圖。圖2是本發(fā)明的反應(yīng)器筒體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的反應(yīng)器筒體密封結(jié)構(gòu)I的局部放大圖。圖4是圖2的A-A向視圖。圖5是本發(fā)明的盛裝載體料筐組裝示意圖。圖6是本發(fā)明的料筐筐底結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本發(fā)明的料筐筐體結(jié)構(gòu)的主視圖。圖8是本發(fā)明的料筐筐體結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖中1、反應(yīng)器筒體，2、載體料筐，3、料筐頂蓋，4、進(jìn)料口和出料口， 5、反應(yīng) 器端蓋，6、密封墊圈，7、筐體，8、筐底板。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)地描述如圖1至圖8所示，本發(fā)明的超臨界流體-共溶劑沉積法制備納米復(fù)合材料反應(yīng)器主要 由反應(yīng)器筒體l、載體料筐2、料筐頂蓋3、進(jìn)料口和出料口4、反應(yīng)器端蓋5和密封墊圈6 組成；反應(yīng)器筒體1的兩側(cè)壁上分別設(shè)有進(jìn)料口和出料口 4;在距反應(yīng)器底部3/7 2/3以 上高度位置設(shè)計(jì)一個(gè)圓環(huán)形平臺(tái)，用以放置盛裝載體的料筐2;料筐2經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，底 部支承板和頂部蓋板上均開設(shè)一定數(shù)量的小孔，作為超臨界流體的擴(kuò)散通道；料筐頂蓋 3與筐體7采用卡式快裝結(jié)構(gòu)連接；料筐底部鋪設(shè)濾紙、脫脂棉或者高分子薄膜，以防 載體外露；反應(yīng)器底部設(shè)計(jì)成圓形平面結(jié)構(gòu)，便于磁攪拌子在反應(yīng)器中可以自由旋轉(zhuǎn)； 進(jìn)料口和出料口 4均設(shè)置在高壓筒體側(cè)壁位于料筐2的上方處；反應(yīng)器頂蓋5與筒體14之間采用螺紋連接，便于拆裝；密封墊圈6為O型圈自緊密封結(jié)構(gòu)，O型圈采用硅橡膠 或者聚四氟乙烯類材料；反應(yīng)器主體材料用不銹鋼制造'材料可選擇1Crl8Ni9Ti、 316、 316L、 304等；反應(yīng)器端蓋5上設(shè)置一個(gè)外六角帽，以便于用扳手可將端蓋旋緊。
實(shí)驗(yàn)時(shí)，載體放于料筐2中，前驅(qū)物放于反應(yīng)器底部，在設(shè)定溫度下，由進(jìn)料口通入C02 至某一壓力，密閉反應(yīng)器一段時(shí)間后，由另一端出料口泄壓，取出樣品經(jīng)后期處理，即可得 到所需的納米復(fù)合材料，該反應(yīng)器可在最高200°C、 50MPa的條件下至少連續(xù)工作24小時(shí)。
如圖1所示，其為本發(fā)明反應(yīng)器的總體構(gòu)造示意圖，H^70mm為料筐位置尺寸，用以確 定反應(yīng)器內(nèi)壁上用來支承料筐平臺(tái)的高度；H2=90mm為進(jìn)料口和出料口 4距反應(yīng)器底面高 度尺寸，用以確定進(jìn)出料口接管的位置，進(jìn)料口和出料口4均設(shè)置在高壓筒體側(cè)壁位于料筐 2的上方處，這樣布置可以避免進(jìn)料時(shí)造成沖擊以及泄壓時(shí)造成液體夾帶等問題，為了密封 可靠以及拆裝方便，可以設(shè)計(jì)成錐面密封、螺紋連接結(jié)構(gòu)，進(jìn)出料口接管插入高壓筒體并與 內(nèi)壁面平齊，外伸長度為接管端面至筒體外壁面20mm。 H3=150mm限定了反應(yīng)器安裝后的 實(shí)際空間高度，為反應(yīng)器的特征尺寸；Ll-20mm為接管伸出反應(yīng)器外壁面的長度尺寸； L2-30mmX26mm為端蓋5上六角形凸臺(tái)的輪廓尺寸，其高度H5=15mm，以便于用扳手可將 端蓋旋緊；H4=42mm為端蓋總體高度；d2=60mm，為端蓋外圓直徑，內(nèi)圓柱面上加工M52 X1.5的內(nèi)螺紋連接；dl=52mm為筒體外徑。
如圖2所示，其為反應(yīng)器筒體結(jié)構(gòu)簡圖。反應(yīng)器主體材料選用不銹鋼制造，材料可選擇 1Crl8Ni9Ti、 316、 316L、 304等；反應(yīng)器底部設(shè)計(jì)成圓形平面結(jié)構(gòu)，并采用rl=2mm的圓角 過渡，便于磁攪拌子在反應(yīng)器中可以自由旋轉(zhuǎn)；反應(yīng)器頂蓋與筒體之間采用螺紋連接，便于 拆裝，螺紋尺寸為M1=M52X1.5，長度H748mm;在距反應(yīng)器底部Hl=70mm處設(shè)計(jì)一個(gè) 圓環(huán)形平臺(tái)，用以放置盛裝載體的料筐；為了保證降低加工成本、減小應(yīng)力集中的影響，采 用rl=2mm的圓角過渡；d4=35mm， d5=30mm， H9=16mm， H10=36mm， Cl=l X45。C ， rl=2mm, 筒體總高H6=110mm;在H2=90mm處沿180°方向開設(shè)d3=8.5mm的孔2個(gè)，并在筒外壁面 深約L3=3mm范圍內(nèi)內(nèi)锪平成Hll=10mm的平臺(tái)，筒底厚度H8=8.5mm。
如圖3所示，其為筒體密封結(jié)構(gòu)簡圖。本密封結(jié)構(gòu)為高壓自緊式密封結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于 只要將高壓端蓋緊固后，則密封圈的密封效果非常穩(wěn)定且壓力越高效果越好；高壓密封為O 型圈自緊密封結(jié)構(gòu)，O型圈采用硅橡膠或者聚四氟乙烯類材料；在筒體上加工直徑d6=39mm， 深度H12=2mm的槽，槽底面粗糙度為C2=1.6;螺紋外緣倒角尺寸C1=1X45° ，槽寬 L4=4.5mm。
如圖4所示，其為圖2的A-A向視圖，在筒體上距離筒體底部高度為H9=16mm至 Hl(^36mm處加工兩個(gè)平面，使得兩平面間距離為L5=49mm，便于緊固時(shí)可以用扳手或者虎鉗類工具夾緊。
如圖5所示，其為料筐組裝圖，其作用為盛裝載體并將載體與反應(yīng)器底部的液體進(jìn)行隔 離；為此，料筐經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，底部支承板和頂部蓋板上均開設(shè)一定數(shù)量的小孔，作為超臨界 流體的擴(kuò)散通道；組裝后高度H1441mm，外徑L6=34mm，均由不銹鋼材質(zhì)制造，筐底與筐 體之間采用焊接連接，可以點(diǎn)焊也可以密封焊；料筐底部鋪設(shè)濾紙、脫脂棉或者高分子薄膜， 以防載體外漏，材料為不銹鋼薄板，可以防止物料被污染。
如圖6所示，其為料筐筐底結(jié)構(gòu)簡圖。板厚H13-2mm，在底板上按照正三角形布滿直徑 lmm、間隔L7:3mm的小孔，用來分布超臨界流體。
如圖7所示，其為料筐筐體簡圖。料筐頂蓋與筐體采用卡式快裝結(jié)構(gòu)連接，由9mm高不 銹鋼短圓筒制成，高度1115=8皿，底邊尺寸C14X45。，為方便與底板焊接而設(shè)計(jì)，快裝 卡式結(jié)構(gòu)尺寸H17-1腿，H16=2mm， d9=30mm， L6=34mm。
如圖8所示，其為筐體俯視圖。在上外緣處12(T間隔加工3個(gè)3=25°寬的凹槽，保證 尺寸d8:32mm,用來和料筐進(jìn)行快開連接。
本發(fā)明的超臨界流體-共溶劑沉積法制備納米復(fù)合材料反應(yīng)器， 一方面，可以克服載體和 前驅(qū)物以及溶劑的直接混合，方便載體收集、避免載體二次污染；另一方面，利用其制備納 米復(fù)合材料效率高，溶劑用超臨界二氧化碳或者超臨界二氧化碳加微量共溶劑，表面張力為 零、擴(kuò)散特性優(yōu)越；通過緩慢降壓即可簡單地實(shí)現(xiàn)溶劑與載體的分離，不必再進(jìn)行干燥處理， 不會(huì)對載體結(jié)構(gòu)造成任何影響。此外，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器的壓力、溫度、反應(yīng)時(shí)間、物料配比 等條件，就可以做到復(fù)合材料中金屬粒子的形貌、擔(dān)載量等主要技術(shù)指標(biāo)可選、可控。
權(quán)利要求
1、 超臨界流體-共溶劑沉積法制備納米復(fù)合材料反應(yīng)器，其特征在于，該反應(yīng)器主要由 反應(yīng)器筒體(1)、載體料筐(2)、料筐頂蓋(3)、進(jìn)料口和出料口 (4)、反應(yīng)器端蓋(5) 和密封墊圈(6)組成；在距反應(yīng)器底部3/7 2/3高度位置處，設(shè)有用于放置載體料筐(2) 的圓環(huán)形平臺(tái)，載體料筐(2)的底部支承板和頂部蓋板上均開設(shè)多個(gè)小孔，料筐頂蓋(3) 與筐體采用卡式快裝結(jié)構(gòu)連接，料筐底部鋪設(shè)濾紙、脫脂棉或者高分子薄膜；反應(yīng)器筒體(l) 的兩側(cè)壁上分別設(shè)有進(jìn)料口和出料口 (4)，進(jìn)料口和出料口 (4)均位于載體料筐(2)的上 方；反應(yīng)器底部為圓形平面結(jié)構(gòu)，反應(yīng)器筒體(1)的端部為環(huán)型槽狀結(jié)構(gòu)，反應(yīng)器端蓋(5) 與反應(yīng)器筒體(1)之間采用螺紋連接；密封墊圈(6)位于反應(yīng)器筒體(1)和反應(yīng)器端蓋(5) 之間，為O型圈自緊密封結(jié)構(gòu)。
2、 如權(quán)利要求1所述的超臨界流體-共溶劑沉積法制備納米復(fù)合材料反應(yīng)器，其特征在 于，所述反應(yīng)器筒體(1)采用1Crl8Ni9Ti型號不銹鋼或316型號不銹鋼或316L型號不銹鋼 或304型號不銹鋼材料制成。
3、 如權(quán)利要求1所述的超臨界流體-共溶劑沉積法制備納米復(fù)合材料反應(yīng)器，其特征在 于，所述反應(yīng)器端蓋(5)上設(shè)有一個(gè)外六角帽。
4、 如權(quán)利要求1所述的超臨界流體-共溶劑沉積法制備納米復(fù)合材料反應(yīng)器，其特征在 于，所述密封墊圈(6)采用硅橡膠或聚四氟乙烯材料制成。
全文摘要
一種超臨界流體-共溶劑沉積法制備納米復(fù)合材料反應(yīng)器主要由反應(yīng)器筒體、載體料筐、料筐頂蓋、進(jìn)料口和出料口、反應(yīng)器端蓋和密封墊圈組成；在距反應(yīng)器底部3/7～2/3高度位置處設(shè)有放置載體料筐的圓環(huán)形平臺(tái)，料筐底部支承板和頂部蓋板上均開設(shè)多個(gè)小孔，料筐頂蓋與筐體采用卡式快裝結(jié)構(gòu)連接，料筐底部鋪設(shè)濾紙、脫脂棉或者高分子薄膜；反應(yīng)器筒體兩側(cè)壁上分別設(shè)有進(jìn)料口和出料口，進(jìn)料口和出料口均位于載體料筐的上方；反應(yīng)器底部為圓形平面結(jié)構(gòu)，端部為環(huán)型槽狀結(jié)構(gòu)，端蓋與筒體之間采用螺紋連接；密封墊圈位于筒體和端蓋之間，為O型圈自緊密封結(jié)構(gòu)。本發(fā)明有益效果是載體和溶液不直接接觸，結(jié)構(gòu)簡單、便于加工制造，拆裝方便，高壓密封可靠。
文檔編號B01J19/00GK101310846SQ20081001037
公開日2008年11月26日 申請日期2008年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月3日
發(fā)明者張傳杰, 徐琴琴, 王愛琴, 銀建中 申請人:大連理工大學(xué);中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所