[发明专利]一种制备纳米金属粉体的设备及方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米颗粒制备技术领域，涉及一种制备纳米金属粉体的设备及方法。

背景技术

纳米金属粉体由于粒径小儿具有很大的表面效应、体积效应及量子效应，在磁、光、电、热、力、催化等独特的物理化学特性，使得纳米金属及其复合材料在冶金、机械、化工、电子、国防、核技术、航空航天等研究领域呈现出极其重要的应用价值。纳米金属粉体的制备技术是当前研究的前沿课题之一。

目前，纳米金属粉体的制备方法可分为物理方法和化学方法，物理方法有机械粉碎法、蒸发-冷凝法、溅射法、等离子体法、高压雾化法；化学方法包括还原法、电解法、热分解法等。机械粉碎法包括气流粉碎法、高能球磨法等(CN102139375A)，能批量生产、产量大，但存在的缺点是产品粒度分布不均匀、形貌难以控制，而且易于氧化，引入其他杂质；蒸发-冷凝法制备的金属粉具有球形度高，抗氧化性能好等优点，但该法需要加热到非常高的温度使金属铁、镍气化，对设备要求高，耗能大；等离子体法、高压雾化法制备的纳米铁粉产品粒度小、分布均匀、纯度高，但能耗高、设备投资大是其推广应用的瓶颈。还原法包括气相还原、液相还原和固相还原三种：(1)气相还原法(US6596052)将NiCl₂加热到1200℃气化，与氢气接触反应被还原为具有球形的镍粉，已经工业化生产，但该法产生的HCl对设备腐蚀严重，成本高；(2)液相还原法(CN104001934A，CN103769599A，CN1280044A，CN 1597198A)在三价或二价铁盐溶液中加入硼氢化物、多元醇、水合肼、醛类等还原剂，通过氧化还原反应来制取纳米铁粉，工艺简单、生产成本较低、投资少，粒度形貌等易控制等优点，但多停留在实验室研究阶段；(3)固相还原法(CN103920886A)以活性炭或CO为还原剂在转炉内高温下(500～800oC)还原氧化铁1-3h制得1～30um的树枝状超细铁粉，该方法需要较高温度，反应速率慢。电解法在工业中应用广泛，产品纯度高，粒度小，但缺点是设备腐蚀严重、耗能高。热分解法主要分为羰基金属分解法和金属的草酸盐分解法。羰基金属热分解法的缺点是颗粒易于团聚烧结，金川集团(CN1947901A、CN101138793A)公开了CO还原羰基铁制备出粒径为1～500nm的超细铁粉，但说明书中没有说明超细铁粉的纯度和反应器的结构。中南大学张传福公布的草酸镍分解法(CN 1600479A，CN 1600480A)可制备出纤维状的超细镍粉，但并没有给出反应器的形式，其工业化生产有待于进一步研究。中南大学金胜明(CN 1876291A)公开一种液相流态化还原制备纳米镍粉的方法，该方法利用硝酸镍或硫酸镍在表面活性剂作用下，制备出氢氧化镍浆料，然后在氯化钯或氯化银催化剂的作用下，以NaBH₄或N₂H₄·H₂O为还原剂，在60～100℃下制备出纳米镍粉，但该方法所用催化剂费用昂贵，反应步骤复杂。

气固流态化技术在粉体制备和应用方面发挥了重要作用。上海宝山钢铁股份有限公司公布了一种在流化床中利用煤气将红土镍矿还原为镍铁合金的工艺(CN 101845530A)，还原温度为650～900℃，其所用颗粒粒径为小于3mm的矿粉。武汉钢铁集团公司公布了一种搅拌流化床中还原铁红制备超细铁粉的工艺装置(CN102699339A，CN102728844A)，还原温度为400-500℃，产品颗粒粒度为500nm左右，纯度较低仅为95％。可以看出，以上两个专利采用气固流化床所处理镍矿的粒径较大(毫米级)，而且其还原程度较低。