專(zhuān)利名稱(chēng)：將納米顆粒充電的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將納米顆粒充電的設(shè)備，且特別涉及根據(jù)權(quán)利要求I前序部分所述的設(shè)備。本發(fā)明還涉及將納米顆粒充電的方法，且特別涉及根據(jù)權(quán)利要求12前序部分所述的方法。
背景技術(shù)：
納米顆粒(nanoparticles),即具有I至1000納米尺寸的顆粒，已被發(fā)現(xiàn)在エ業(yè)中具有許多重要的應(yīng)用，例如在玻璃エ業(yè)中用以產(chǎn)生催化表面、自清潔及抗菌的產(chǎn)品、玻璃染色、以及光學(xué)元件如光纖的制造，等等。能夠產(chǎn)生納米顆粒對(duì)于這些應(yīng)用的可行使用是重要因素。納米顆粒需要具有相對(duì)狹窄的尺寸分布(單分散性)、抗聚集(ant i-agglomeration)、以及均質(zhì)性(homogeneity)。納米顆粒的生產(chǎn)應(yīng)易于從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)變到エ業(yè)規(guī) 模生產(chǎn)。在エ業(yè)規(guī)模中，常常通過(guò)氣相エ藝(vapour phase processes)來(lái)產(chǎn)生納米顆粒。氣相エ藝，也稱(chēng)為氣溶膠反應(yīng)器エ藝(aerosol reactorprocesses),包括火焰反應(yīng)器、熱壁反應(yīng)器、等離子體反應(yīng)器、氣體冷凝方法、激光燒蝕、以及噴霧熱解(spray pyrolysis)等。當(dāng)納米顆粒用于エ業(yè)應(yīng)用時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題在于難以控制エ業(yè)中所使用的納米顆粒。例如，將納米顆粒沉積在基底上，用以在基底上提供涂層或者調(diào)整基底的表面特性。由于納米顆粒的尺寸小，因此難以將它們均勻地沉積。因此產(chǎn)生納米顆粒的非均勻通量(flux)。非均勻通量是由于難以控制和引導(dǎo)所產(chǎn)生的納米顆粒。此外，現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)是材料效率(material efficiency)相當(dāng)?shù)?、并且難以在必要時(shí)控制和調(diào)節(jié)沉積。所述問(wèn)題的一種解決方案是使納米顆粒充電并且利用電カ來(lái)控制及沉積帶電的納米顆粒。然而，對(duì)納米顆粒充電非常困難，并且其不能以エ業(yè)規(guī)模使用任何已知的現(xiàn)有技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。納米顆粒的小尺寸使得納米顆粒的充電無(wú)效。發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提供將納米顆粒充電的設(shè)備以及將納米顆粒充電的方法，以便克服上述的問(wèn)題。通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求I的特征部分的用于將納米顆粒充電的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的。通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求12的特征部分的用于將納米顆粒充電的方法進(jìn)ー步實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的。從屬權(quán)利要求中公開(kāi)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。本發(fā)明是基于以間接方式將納米顆粒充電的思想。根據(jù)本發(fā)明，首先，利用ー個(gè)或多個(gè)霧化器將ー種或多種液體原料氣化成微滴。在霧化期間或之后，將所產(chǎn)生的微滴進(jìn)一步充電，并將帶電的微滴引導(dǎo)至蒸發(fā)腔室，在該蒸發(fā)腔室中通過(guò)從微滴氣化液體材料來(lái)從液體微滴產(chǎn)生納米顆粒。所述納米顆?？杀贿M(jìn)ー步沉積于基底上。根據(jù)本發(fā)明，在將液體微滴引導(dǎo)至蒸發(fā)腔室之前并且在將微滴的液體材料氣化之前，于霧化期間或之后將液體微滴充電。當(dāng)微滴的液體材料氣化時(shí)，微滴的電荷轉(zhuǎn)移到微滴中存在的納米顆粒，或者在微滴的液體材料氣化期間形成微滴的電荷。因此，當(dāng)微滴的電荷轉(zhuǎn)移到納米顆粒中時(shí)，便產(chǎn)生帶電的納米顆粒?？衫靡粋€(gè)或多個(gè)電場(chǎng)將帶電的納米顆粒引導(dǎo)或沉積在基底上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)納米顆粒的液體材料氣化時(shí)，隨著液體微滴的電荷轉(zhuǎn)移到納米顆粒，將微滴充電還使得所產(chǎn)生的納米顆粒也被充電。根據(jù)本發(fā)明使用間接方式將納米顆粒充電，這提供了一種用以將納米顆粒充電的有效且エ業(yè)上適用的方案。此外，由于帶電的納米顆粒的互斥電力，納米顆粒的電荷使得納米顆粒的通量更加均勻。換而言之，帶電的納米顆粒因?yàn)殡姾啥舜嘶コ?，使得納米顆粒的通量或分布變得更加均勻。納米顆粒的電荷還使得能夠利用一個(gè)或多個(gè)電場(chǎng)有效地控制或引導(dǎo)納米顆粒。因此，可利用電場(chǎng)來(lái)控制和引導(dǎo)帶電納米顆粒，使得可將帶電納米顆粒有效地沉積在基底上。附圖
簡(jiǎn)述接下來(lái)將通過(guò)優(yōu)選實(shí)施方案參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖IA示意顯示了用以產(chǎn)生納米顆粒的器件；圖IB示意顯示了用以產(chǎn)生帶電的納米顆粒并將帶電的納米顆粒沉積于基底上的 本發(fā)明ー個(gè)實(shí)施方案；和圖IC及圖ID顯示了用于產(chǎn)生帶電的納米顆粒的替代性方法。發(fā)明詳述圖IA示出用以產(chǎn)生納米顆粒30的器件10。器件10包括用于在腔室5中將ー種或多種液體原料霧化成微滴31的霧化器(atomizer) 11。優(yōu)選利用雙流體(two-fluid)霧化器11來(lái)將液體原料霧化，其中，將ー種或多種霧化氣體提供至雙流體霧化器11，用以將液體原料霧化成微滴31。將所形成的微滴31進(jìn)ー步引導(dǎo)至借助燃料氣體及氧化性氣體所產(chǎn)生的火焰12。優(yōu)選利用雙流體霧化器11提供火焰12，通過(guò)由霧化器11提供燃料氣體及氧化性氣體，由此使微滴31與火焰12在同一器件之中形成。燃料氣體和/或氧化性氣體還可作為霧化氣體用以形成微滴31，或者它們可獨(dú)立于霧化氣體而被提供。微滴31以液體形式進(jìn)入火焰12，并且在火焰12中液體原料被轉(zhuǎn)變成納米顆粒30，所述納米顆粒的組成可不同于液體原料的組成。通過(guò)以已知方式成核來(lái)形成納米顆粒30。產(chǎn)生納米顆粒30的上述方式是現(xiàn)有技木。因此，應(yīng)當(dāng)注意的是，也可以用ー些其他已知方式來(lái)產(chǎn)生納米顆粒30。用來(lái)產(chǎn)生納米顆粒30的器件10優(yōu)選產(chǎn)生納米顆粒30及水蒸汽。將納米顆粒30和水蒸汽進(jìn)一歩凝結(jié)成為包含納米顆粒30的液體原料。也可以用ー些其他方式將所形成的納米顆粒30混入液體材料中，用以提供具有納米顆粒30的液體原料。然而，應(yīng)注意的是，可以用任何其他已知方法來(lái)提供包含納米顆粒30的液體原料。包含納米顆粒30的這種液體原料可為包含ー種或多種液體材料和固體納米顆粒30的任何膠體溶液(colloidalsolution)或分散體idispersion)。圖IB示出了用于將納米顆粒30充電、或者產(chǎn)生帶電的納米顆粒30并將帶電的納米顆粒30沉積于基底15上的設(shè)備。首先，在雙流體霧化器2中將包含納米顆粒30的ー種或多種液體原料霧化成微滴3。也可使用其他類(lèi)型的霧化器。所述液體原料優(yōu)選被霧化成直徑為10 μ m或更小、更優(yōu)選為3 μ m或更小的微滴3。在霧化期間或之后，將形成的微滴3充電。圖IB示出了在霧化腔室4中將形成的微滴3充電的方案，通過(guò)利用噴吹充電器(blowcharger) 60將帶電氣體供應(yīng)至霧化腔室中。帶電的氣體將微滴3充電。也可以用任何其他已知方式將微滴3充電。例如，霧化器2可為雙流體霧化器，并且其可包含充電裝置(未示出)，諸如電暈電極(corona electrode),其被配置成將雙流體霧化器2中所使用的至少一部分氣體充電，用以將微滴3充電。作為替代，充電裝置包括ー個(gè)或多個(gè)電暈電極，用以在霧化之后將微滴3充電。電暈電極可被提供至霧化腔室4。將帶電微滴3進(jìn)ー步引導(dǎo)至蒸發(fā)腔室6，用以產(chǎn)生帶電的納米顆粒30。配置蒸發(fā)腔室6以便使ー種或多種液體材料從帶電微滴3氣化，用以從微滴3中的固體納米顆粒30產(chǎn)生帶電的納米顆粒30。在帶電微滴3的液體材料氣化期間，微滴3的電荷轉(zhuǎn)移到微滴3中存在的納米顆粒30中，從而形成帶電的納米顆粒30。納米顆粒30不包含任何液體材料,或者，與納米顆粒30中的固體材料的質(zhì)量相比，納米顆粒30中的液體材料的量或質(zhì)量較小。蒸發(fā)腔室6可包括ー個(gè)或多個(gè)熱區(qū)，用以使微滴3中ー種或多種液體材料的氣化增強(qiáng)?？赏ㄟ^(guò)氣體或者利用加熱裝置來(lái)提供熱區(qū)，例如熱輻射器(heat radiator)、電阻器(electric resistor),或用以提供熱區(qū)的ー些其他方式。熱區(qū)的高溫會(huì)增強(qiáng)并加速液體材料從微滴3的蒸發(fā)。如圖IC及ID所示，液體微滴3能夠至少以兩種可選方式來(lái)形成納米顆粒30。圖IC示出了用于從包含固體納米顆粒65的液體原料64來(lái)產(chǎn)生帶電納米顆粒30上述方法的原理。固體納米顆粒65的平均直徑優(yōu)選為約IOOnm或更小。此類(lèi)具有固體納米顆粒65的原料64可為膠體溶液或分散體。首先，通過(guò)霧化器2將具有固體顆粒65的液體原料64霧化成微滴3。此時(shí)，固體顆粒65處于微滴3中。將微滴3進(jìn)ー步充電并引導(dǎo)至蒸發(fā)腔室6，在該蒸發(fā)腔室中使微滴3的液體材料氣化，從而微滴3的電荷被轉(zhuǎn)移到形成的納米顆粒30。液體原料可包含一種或多種膠態(tài)納米顆粒，從而產(chǎn)生一種或多種帶電的納米顆粒30。圖ID中示出了產(chǎn)生帶電納米顆粒30的一種替代方式。液體原料64可包含ー種或多種溶劑以及溶解在所述溶劑中的ー種或多種固體物質(zhì)。所述固體物質(zhì)可包括一種或多種鹽等等。將包含溶劑和溶解固體物質(zhì)的液體原料64以上述相同方式霧化成微滴，并且進(jìn)一歩如上所述將微滴3充電。將帶電微滴3進(jìn)ー步引導(dǎo)至蒸發(fā)腔室6，在所述蒸發(fā)腔室中當(dāng)微滴3干燥或者當(dāng)液體原料64的溶劑氣化時(shí)，溶劑氣化并且溶解的固體材料形成納米顆粒30。如圖ID中所形成的納米顆粒30通常是中空(hollow)納米顆粒30。根據(jù)上述，通過(guò)如下方式產(chǎn)生帶電的納米顆粒30 :將ー種或多種液體原料64霧化成微滴3，在霧化期間或之后將微滴3充電，以及使微滴3的ー種或多種液體材料氣化從而由液體微滴3產(chǎn)生納米顆粒30，使得微滴3的電荷轉(zhuǎn)移到納米顆粒30中從而產(chǎn)生帶電的納米顆粒30。圖IB示出了將納米顆粒30沉積在基底15上的一個(gè)實(shí)施方案。圖IB的機(jī)器包括霧化器2，用以從ー種或多種液體原料產(chǎn)生微滴3。利用一個(gè)或多個(gè)噴吹充電器60將所產(chǎn)生的微滴3充電，所述噴吹充電器60提供帶電氣體，該帶電氣體進(jìn)而將微滴3充電。也可以用上述的任何其他方式將微滴3充電。例如，霧化器2可為雙流體霧化器，并且配置充電裝置以便將雙流體霧化器2中所用氣體的至少一部分充電，從而將微滴3充電。作為替代，充電裝置包含一個(gè)或多個(gè)電暈電極，用以在霧化之后將微滴3充電?？蓪姶党潆娖?0或電暈電極提供至霧化腔室4或蒸發(fā)腔室6，或者提供至蒸發(fā)腔室6上游的獨(dú)立充電腔室，或者提供在蒸發(fā)腔室6上游的其他位置。將帶電微滴3進(jìn)ー步引導(dǎo)至蒸發(fā)腔室6，在該實(shí)施方案中所述蒸發(fā)腔室也充當(dāng)沉積腔室，用以產(chǎn)生帶電的納米顆粒30。如上文結(jié)合圖IC和ID所述，液體微滴3能夠至少以兩種可選方式形成納米顆粒30。將帶電微滴3從霧化腔室4引導(dǎo)至沉積腔室6。如圖IB所示，沉積腔室6提供有電場(chǎng)61用以將帶電微滴3導(dǎo)向玻璃基底15，和/或?qū)щ娂{米顆粒30沉積在基底15上。在納米顆粒30的移動(dòng)方向上，蒸發(fā)腔室6可包括兩個(gè)或多個(gè)鄰近和/或連續(xù)配置的電場(chǎng)61。這些鄰近和/或連續(xù)電場(chǎng)61中的至少ー些可具有相同或不同的電場(chǎng)強(qiáng)度，用以調(diào)節(jié)帶電的納米顆粒30或微滴的分布。如前所述，蒸發(fā)腔室可提供有一個(gè)或多個(gè)熱區(qū)(未顯示)，用以增強(qiáng)和加速微滴3的液體材料的蒸發(fā)和干燥?；?5還可處于高溫下，使得通過(guò)提供熱能，基底本身在接近基底15的表面處形成熱區(qū)，用以增強(qiáng)微滴3的氣化或干燥。具有納米顆粒30沉積于其上的玻璃基底15然后被引導(dǎo)至熱處理62，可利用鼓風(fēng)機(jī)(gas blower)、燃燒器(burner)、熱福射器、烘箱、激光等來(lái)進(jìn)行所述熱處理。本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚，隨著技術(shù)發(fā)展，能夠以不同方式來(lái)實(shí)施本發(fā)明的概念。本發(fā)明及其實(shí)施方案不限于上述實(shí)施例，而是可在權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)變化。
權(quán)利要求
1.ー種用于將納米顆粒(30)充電的設(shè)備，其特征在干，該設(shè)備包括 -至少ー個(gè)霧化器(2)，用以將ー種或多種液體原料霧化成微滴(3); -充電器件(60 )，用以在霧化期間或之后將所述微滴(3 )充電；以及 -蒸發(fā)腔室(6)，其被配置用以使微滴(3)的ー種或多種液體原料氣化，以便由所述液體微滴(3)產(chǎn)生納米顆粒(30)，使得所述微滴(3)的電荷轉(zhuǎn)移到所述納米顆粒(30)中，以產(chǎn)生帶電的納米顆粒(30)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其特征在于，該霧化器(2)是雙流體霧化器，并且該充電器件被配置為將該雙流體霧化器(2)中所使用氣體的至少一部分充電，用以將所述微滴(3)充電。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在干，該充電器件包括ー個(gè)或多個(gè)電暈電極，用以將該雙流體霧化器(2)中所用氣體的至少一部分充電，用以將所述微滴(3)充電。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其特征在干，該充電器件包括ー個(gè)或多個(gè)電暈電極，用以將所述微滴(3)充電，或者所述充電裝置包含ー個(gè)或多個(gè)噴吹充電器，所述ー個(gè)或多個(gè)噴吹充電器供應(yīng)帶電氣體用以將所述微滴(3)充電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在干，該ー種或多種液體原料包括膠體溶液或分散體，所述膠體溶液或分散體包含ー種或多種液體材料和固體納米顆粒(30)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在干，該ー種或多種液體原料包含ー種或多種溶劑以及溶解在所述溶劑中的ー種或多種固體物質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，所述固體物質(zhì)是ー種或多種鹽。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在干，該蒸發(fā)腔室(6)被配置為將所述ー種或多種液體材料從所述帶電微滴(3)氣化，用以形成帶電的納米顆粒(30)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的設(shè)備，其特征在干，該蒸發(fā)腔室(6)被配置為將所述ー種或多種溶劑從所述帶電微滴(3)氣化，用以從溶解在所述ー種或多種溶劑中的所述固體物質(zhì)或鹽產(chǎn)生帶電的納米顆粒(30)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在干，該蒸發(fā)腔室(6)包括ー個(gè)或多個(gè)熱區(qū)，用以增強(qiáng)所述微滴(3)的所述ー種或多種液體材料的氣化。
11.根據(jù)權(quán)利要求ι- ο中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備用在具有ー個(gè)或多個(gè)電場(chǎng)的沉積機(jī)器中，用以將所述帶電的納米顆粒(30)沉積在基底(15)上。
12.—種將納米顆粒(30)充電的方法，其特征在于，該方法包括 -將ー種或多種液體原料霧化成微滴(3)； -在霧化期間或之后，將所述微滴(3)充電；以及 -氣化所述微滴(3)的所述ー種或多種液體材料，用以從所述液體微滴(3)產(chǎn)生納米顆粒(30)，使得所述微滴(3)的電荷轉(zhuǎn)移到所述納米顆粒(30)中，以產(chǎn)生帶電的納米顆粒(30)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，通過(guò)雙流體霧化器(2)來(lái)將所述ー種或多種液體原料霧化，并且將該雙流體霧化器(2)中所用氣體的至少一部分充電，用以將所述微滴(3)充電。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，在霧化之后，通過(guò)ー個(gè)或多個(gè)電暈電極或者通過(guò)ー個(gè)或多個(gè)噴吹充電器將所述微滴(3)充電，所述ー個(gè)或多個(gè)噴吹充電器供應(yīng)帶電氣體用以將所述微滴(3 )充電。
15.根據(jù)權(quán)利要求12-14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述ー種或多種液體原料包括膠體溶液或分散體，所述膠體溶液或分散體包含ー種或多種液體材料以及固體納米顆粒(30)。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述ー種或多種液體原料包含ー種或多種溶劑以及溶解在所述溶劑中的ー種或多種固體物質(zhì)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述固體物質(zhì)是ー種或多種鹽。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在干，從所述帶電微滴(3)氣化所述ー種或多種液體材料，用以形成帶電的納米顆粒(30 )。
19.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的方法，其特征在干，從所述帶電微滴(3)氣化所述ー種或多種溶劑，用以從溶解在所述ー種或多種溶劑中的所述固體物質(zhì)或鹽來(lái)產(chǎn)生帶電的納米顆粒(30)。
20.根據(jù)權(quán)利要求12至19中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，加熱微滴(3)，用以增強(qiáng)所述微滴(3)的所述ー種或多種液體材料的氣化。
21.根據(jù)權(quán)利要求12至20中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，利用所述方法，以ー個(gè)或多個(gè)電場(chǎng)將納米顆粒(30)沉積在基底(15)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及將納米顆粒(30)充電的設(shè)備和方法。本發(fā)明包括將一種或多種液體原料霧化成微滴(3)，在霧化期間或之后將微滴(3)充電，以及將微滴(3)中的一種或多種液體材料氣化以便從液體微滴(3)產(chǎn)生納米顆粒(30)，使得微滴(3)的電荷轉(zhuǎn)移到納米顆粒(30)中，從而產(chǎn)生帶電的納米顆粒(30)。
文檔編號(hào)B03C3/38GK102985186SQ201080067782
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2010年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者M·拉加拉, K·占卡, S·考皮南 申請(qǐng)人:Beneq有限公司