四甲基硅烷燃烧制备气相法白炭黑的研究

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燃烧法制备粉体的工艺方法可以制备诸多具有优良形貌结构特性的纳米材料,有着过程连续化,生产规模化,后处理简易化等特点,在工业上有着广泛的应用。但是燃烧法合成存在产物颗粒尺寸形貌控制困难的问题。  为解决以上问题,搭建了一套由前驱体气化,扩散火焰燃烧器及收集装置组成的系统,以四甲基硅烷为前驱体,甲烷为伴烧燃料,氧气为氧化剂,氮气为载气在该系统中试验合成了超细纳米白炭黑,研究了燃烧合成气相二氧化硅纳米颗粒的主要影响因素。由于实验规模的限制,燃烧室内温度,流速,组分浓度均难以直接准确测量,本文对四甲基硅烷燃烧制备气相白炭黑的过程进行了Fluent建模模拟,将燃烧室内温度场,流场和组分浓度分布可视化。主要研究内容及结论如下:  (1)以四甲基硅烷为前驱体,采用气相燃烧工艺可以取代传统氢氧焰高温水解四氯化硅工艺制备理化特性优良的超细白炭黑。  (2)通过控制变量法,逐一考察了火焰构型、前驱体浓度、甲烷(伴烧燃料)流量、氧气(氧化剂)流量以及氮气(载气)流量对合成纳米二氧化硅的尺寸和结构的影响。研究发现双扩散火焰构型最有利于小颗粒的生成,颗粒粒径随前驱体浓度增大而近似线性的增大,尺寸分布变宽。颗粒粒径随着甲烷流量的增大而不断增大,但后半段增大变缓慢。颗粒粒径随氧气及载气氮气流量增大而逐渐减小。总结了影响燃烧合成纳米二氧化硅颗粒的主要因素有:前驱体浓度,火焰温度以及初级颗粒在高温区的停留时间。  (3)在扩散火焰燃烧器上,通过适当加大载气氮气的流量,颗粒粒径可以控制且尺寸分布更为均匀,成功制备了粒径大小为9.46nm的超细气相白炭黑。  (4)使用Fluent软件将难以直接精确测量的温度场、流场及组分浓度分布等数据化,模拟结果验证了实验的结论。
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