[发明专利]通过反应室等离子体反应器系统利用蒸发－冷凝过程制备纳米颗粒的方法

说明书

相关申请的交叉引用

交叉引用于2002年12月17日申请的美国临时申请No.60/434158，在此将其全文作为参考引入。

发明领域

本发明提供了利用高温过程控制合成纳米尺寸颗粒的方法和装置。本发明的反应器室包括高温加热装置如等离子体炬，和新颖的反应室。该反应室是反应器室的一部分，其在热气体入口和反应物入口之间具有一个区域(间隔区)以确保来自反应物入口的进料进入反应器室再循环区(由高温气体排放所产生)下游。在产生具有窄粒径分布的纳米颗粒的反应区中，这种反应气体与热载体气接触位置的移动提供了几乎一维的(仅在轴向发生变化)流量和浓度分布曲线。

发明背景

针对纳米结构的颗粒和材料的科学和技术问题是当前颇具吸引力的重要关注对象。纳米颗粒(通常用于表示小于100nm的颗粒)的小尺寸，相对于大块材料而言可给纳米颗粒和纳米结构的材料带来不同特性(电子的、光学的、电的、磁的、化学的和机械的)，使得其适用于新用途。已通过许多方法来合成纳米尺寸的粉末，包括胶体沉淀、机械研磨和气相成核与生长。大多数气相中的纳米颗粒合成方法都是基于气相中的均匀成核作用以及随后的冷凝与凝聚。从原则上讲，该气相合成流程(气溶胶流程)使其可从几乎无限种类的原始材料来产生新纳米颗粒和纳米结构的新材料。然而，为适用于各种用途，需要对通过气溶胶方法制备的纳米颗粒提出两个难题，即：(1)原始粒子的可控粒径分布，和(2)团聚度，其对分散性有直接影响。对于多数用途而言，当所用纳米颗粒的原始粒径分布广泛或高度团聚或两者皆是时，则很难获得理想特性。因此，重要的是控制工艺参数例如压力、温度和浓度，其有助于决定所得颗粒的特性。

射流膨胀是一种适宜的流体力学结构，用于通过气体-颗粒转换控制产生极细颗粒。可通过从固体或液体蒸发至喷射器气体上游而将可压缩蒸汽引入喷射器，或通过喷射器中的化学作用。该喷射器结构在经控制的温度和稀释条件下提供了高颗粒产量。Detering等的美国专利Nos.5935293和5749937教导了一种用于反应物热转换为预期终产品(例如固体颗粒)的快速骤冷反应器和方法。该快速骤冷是通过在收缩-膨胀喷嘴中气体的绝热和等熵膨胀而实现。通过收缩-膨胀其意思是喷嘴的面积在轴向变化，先减少(“收缩”)至最小(“狭口”)，然后增大(“膨胀”)。在足够高的压力梯度下，流速将随着轴向位置增加，在该狭口达到马赫数1并在膨胀部分增加至1以上。所提供的这种膨胀能够产生超过10¹⁰℃/s的冷却速率，因此保留了仅在高温下平衡的反应产物。Pirzada等的美国专利Nos.5788738和5851507教导了制备纳米尺寸粉末的相似方法：通过边界层收缩-膨胀喷嘴的高温蒸汽的超快速热量骤冷过程，其是绝热膨胀过程。以至少1000℃/s(优选大于10⁶℃/s)的速率快速骤冷该蒸汽流，从而抑制成核颗粒的持续生长并产生窄粒径分布的纳米尺寸粉末。Detering等和Pirzada等研究工作的共同特征是：利用具有收缩-膨胀形状的喷嘴的唯一目的是通过超音速喷嘴膨胀而获得骤冷，其至少大于1000℃/s，优选大于10⁶℃/s。

Rao等的美国专利No.5935293教导了一种制备纳米结构的材料的方法：使通过收缩喷嘴的颗粒-气体混合物超音速地膨胀并将所得喷射流体瞄准碰撞底物。记载了相似的工作，其中将通过相似形状的收缩喷嘴的载有气相前体的热等离子体亚音速地膨胀而产生具有窄粒径分布的纳米尺寸颗粒。

现有技术所教导的射流膨胀具有严重困难：这些技术需要巨大的压力梯度来加速流体；需要庞大且昂贵的泵。前述所有的喷嘴都在低于760torr(经常更低得多)的下游压力(离开喷嘴的气体压力)下操作。

此外，热气体排放进入开放区域，例如等离子体进入反应室，会导致将带走该区域流体的喷射流，产生再循环区域。如此被夹带入该再循环区域的任何反应气体或颗粒都将暴露(可能很多次)于高温气体。这可极大地加速颗粒的团聚、烧结和合并，所有这些通常都是不合需要的。尽管并非所有的反应气体和颗粒都会被带入热气体排放所产生的再循环区域，但在循环过程中形成的团聚体将通过Brownian和湍流碰撞而增强再循环区域下游的聚集形成。通过分隔载热气体与反应气体彼此接触的地点上游的反应物入口位置可获得令人惊喜的优势，使得接触点位于该区域再循环的下游。本领域现有专利文献并未教导这种新颖的工艺结果，其可通过本发明简单的喷嘴设计而获得。