納米材料制備裝置及納米材料制備方法與流程

本發明涉及上轉換熒光納米材料的制備領域，尤其涉及一種上轉換熒光納米材料的制備裝置。

背景技術：

近年來，上轉換熒光納米材料以其特殊的性能和廣泛的用途成為研究的焦點，在固體激光、太陽能電池、光動力治療，特別是作為生物標記探針，熒光防偽方面有很大的潛在應用價值。與傳統的有機染料和半導體量子點相比，上轉換熒光納米材料作為生物標記的納米探針有許多優點，如窄帶發射，高的信噪比，抗光漂白，低毒性。過去十幾年中，科學工作者們對上轉換熒光納米材料的尺寸、相純、化學成分以及性質的操控進行了大量研究。

目前納米材料的制備，在沒有取得新的技術突破之前，主要采用化學方法生產。化學方法制備納米材料的規律不可回避的要使用酸、堿、鹽等物質，而且反應條件苛刻，會造成一定程度的環境污染，而且產物容易團聚。其過程如共沉淀法，制得的納米顆粒須通過高溫鍛燒來提高發光效率，而鍛燒步驟容易導致納米顆粒的團聚，使顆粒的粒徑增大；其過程如水/溶劑熱法，雖然反應條件溫和、反應活性高、合成的顆粒結晶度高，但是，實驗過程中需要較高反應溫度和較長反應時間，而且化學試劑殘渣不能重復使用，污染環境，而在此條件下，很容易導致納米顆粒的各向異性生長形成納米棒或者納米線，使納米顆粒的粒徑增大。

中國發明專利(201510357795.6：一種上轉換熒光材料及其制備方法)公開了一種上轉換納米材料的制備方法，其特征在于，將含有稀土元素的化合物與含有碲元素的化合物混合研磨，得到混合物，然后進行煅燒，得到上轉換熒光材料。在進行混合物煅燒之前，先將所述混合物進行預燒結。其中所述預燒結的溫度為300～850℃，所述預燒結的時間為1～10h，所述預燒結的次數為1～3次；所述煅燒的溫度為750～1050℃，所述煅燒的時間為1～20h。

上述發明公開的納米材料的制備設備加工成本高，反應條件苛刻，生產效率低，制備的納米材料種類有限。

技術實現要素：

本發明涉及上轉換熒光納米材料的制備領域，尤其涉及一種上轉換熒光納米材料的制備裝置。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種納米材料制備裝置，包括依次設置的原料配比混合模塊、壓片模塊、激光燒結模塊、激光消融模塊和納米材料收集模塊，其中，所述原料配比混合模塊包括原料輸送單元和混合攪拌單元；所述壓片模塊包括原料稱量單元和機械壓制單元；所述激光燒結模塊包括紅外傳感定時單元和激光燒結單元。

作為優選方案，所述激光消融模塊包括脈沖激光器、振鏡、透鏡、支架、高度調節桿、光纖、電腦和控制線，所述高度調節桿設置于支架的表面，所述激光器和電腦設置于支架內，所述振鏡和透鏡設置于高度調節桿上，所述透鏡設置于振鏡的底部，所述光纖連接在脈沖激光器和振鏡之間光路連接，所述控制線在電腦和振鏡之間電連接。

作為優選方案，所述激光燒結模塊包括激光燒結單元、紅外傳感定時單元和支架，所述激光燒結單元包括連續激光器、高度調節桿、透鏡組、耐高溫容器，所述高度調節桿設置于支架的表面，所述透鏡組設置于高度調節桿端面，所述耐高溫容器設置于透鏡組底部，所述連續激光器設置于支架內，且連續激光器與透鏡組通過光纖相連接，所述紅外傳感定時單元包括紅外測溫儀，所述紅外測溫儀與連續激光器電連接。

作為優選方案，所述原料配比混合模塊包括置粉容器、攪拌機、送粉導管、送粉噴嘴，支架，所述置粉容器設置于支架的表面，所述攪拌機設置于置粉容器的內部，所述送粉導管設置于置粉容器的側邊，且靠近置粉容器底部，所述送粉噴嘴設置于送粉導管外端。

作為優選方案，所述壓片模塊包括分析天平和機械壓片機，粉末經過分析天平稱量后，通過機械壓片機壓制成片型。

作為優選方案，所述脈沖激光器選自納秒激光器、皮秒激光器、飛秒激光器中的一種或者兩種及兩種以上的組合。

一種基于前述納米材料制備裝置的納米材料制備方法，其包括如下步驟：

將原料進行研磨和壓片后，通過激光燒結模塊進行燒結處理，得到燒結晶體；

將所述燒結晶體通過激光消融模塊進行消融處理，得到納米顆粒溶膠。

作為優選方案，所述燒結處理的步驟具體包括如下操作：

將壓片放置于耐高溫陶瓷容器中，并將輸出激光光斑覆蓋整個壓片表面；

調整激光器輸出功率，壓片表面會從中心處出現一個圓形光斑，并以環形從中心向外擴散直至壓片邊緣；

監測壓片表面溫度，達到設定溫度之后，停止激光照射。

作為優選方案，所述消融處理的步驟具體包括如下操作：

將燒結晶體置于燒杯中，加入液體溶劑和表面活性劑，使所述液體溶劑的液面略蓋過燒結晶體表面；

脈沖激光從脈沖激光器中出射后，通過反射鏡反射入振鏡系統中，再通過聚焦透鏡聚焦到放置于燒杯中的壓片表面，將燒杯中的燒結晶體消融成納米顆粒溶膠。

本方法普適性強，不但能合成上轉換熒光材料，還能合成實用半導體材料、鈣鈦礦等材料。將粉末混合激光燒結誘導化學反應，實現將難融，反應條件苛刻的化學合成反應簡易化。整個過程，無外加材料污染，是干凈的反應和制作方法；整套實驗裝置，設備簡單，加工成本低，操作安全有效。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

本發明基于研究綠色、簡單納米材料的合成工藝的思路，裝置簡單，容易加工獲取，且能夠高效率合成和生產納米材料，整個生產過程原料利用率高，無廢料產生，安全無污染。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為本發明制備納米材料裝置激光消融模塊簡圖；

圖2為本發明制備納米材料裝置激光燒結模塊簡圖；

圖3為本發明制備納米材料裝置原料配比混合模塊簡圖；

圖中：1、支架；2、高度調節桿；3、光纖；4、控制線；5、脈沖激光器；6、電腦；7、振鏡；8、透鏡；9、連續激光器；10、透鏡組；11、耐高溫容器；12、攪拌機；13、置粉容器；14、送粉導管；15、送粉噴嘴。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。

本發明提供的一種納米材料制備裝置，包括依次設置的原料配比混合模塊、壓片模塊、激光燒結模塊、激光消融模塊和納米材料收集模塊，其中，所述原料配比混合模塊包括原料輸送單元和混合攪拌單元；所述壓片模塊包括原料稱量單元和機械壓制單元；所述激光燒結模塊包括紅外傳感定時單元和激光燒結單元。

如圖1所示，激光消融模塊包括脈沖激光器5、振鏡7、透鏡8、支架1、高度調節桿2、光纖3、電腦6和控制線4，高度調節桿2設置于支架1的表面，脈沖激光器5和電腦6設置于支架1內，振鏡7和透鏡8設置于高度調節桿2上，透鏡8設置于振鏡7的底部，光纖3連接在脈沖激光器5和振鏡7之間光路連接，控制線4在電腦6和振鏡7之間電連接。

如圖2所示，激光燒結模塊包括激光燒結單元、紅外傳感定時單元和支架1，所述激光燒結單元包括連續激光器9、高度調節桿2、透鏡組10、耐高溫容器11，高度調節桿2設置于支架1的表面，透鏡組10設置于高度調節桿2端面，耐高溫容器11設置于透鏡組10底部，連續激光器9設置于支架1內，且連續激光器9與透鏡組10通過光纖3相連接，紅外傳感定時單元包括紅外測溫儀，所述紅外測溫儀(圖中未示)與連續激光器電連接。

作為優選方案，原料配比混合模塊包括置粉容器13、攪拌機12、送粉導管14、送粉噴嘴15，支架，置粉容器13設置于支架的表面，攪拌機12設置于置粉容器13的內部，送粉導管14設置于置粉容器13的側邊，且靠近置粉容器13底部，送粉噴嘴15設置于送粉導管14外端。

作為優選方案，所述壓片模塊包括分析天平和機械壓片機，粉末經過分析天平稱量后，通過機械壓片機壓制成片型。

作為優選方案，所述脈沖激光器選自納秒激光器、皮秒激光器、飛秒激光器中的一種或者兩種及兩種以上的組合。

一種基于前述納米材料制備裝置的納米材料制備方法，其包括如下步驟：

將原料進行研磨和壓片后，通過激光燒結模塊進行燒結處理，得到燒結晶體；

將所述燒結晶體通過激光消融模塊進行消融處理，得到納米顆粒溶膠。

作為優選方案，所述燒結處理的步驟具體包括如下操作：

將壓片放置于耐高溫陶瓷容器中，并將輸出激光光斑覆蓋整個壓片表面；

調整激光器輸出功率，壓片表面會從中心處出現一個圓形光斑，并以環形從中心向外擴散直至壓片邊緣；

監測壓片表面溫度，達到設定溫度之后，停止激光照射。

作為優選方案，所述消融處理的步驟具體包括如下操作：

將燒結晶體置于燒杯中，加入液體溶劑和表面活性劑，使所述液體溶劑的液面略蓋過燒結晶體表面；

脈沖激光從脈沖激光器中出射后，通過反射鏡反射入振鏡系統中，再通過聚焦透鏡聚焦到放置于燒杯中的壓片表面，將燒杯中的燒結晶體消融成納米顆粒溶膠。

實施例1

以四氟化釓鈉(化學式為nagdf4)為基質的上轉換熒光納米材料的制備。

按照摩爾比氟化鈉：氟化釓：氧化鉺：氧化鐿為1：1：0.01：0.1稱取該四種化合物粉末共5克，其中氟化鈉為0.7012g，氟化釓為3.5771g，氧化鉺為0.0639g，氧化鐿為0.6578g。將混合粉末放置于置粉容器中充分攪拌研磨，使得各化合物粉末混合均勻，通過送粉導管及送粉噴嘴輸送粉末然后稱量出2g混合粉末，用18mm直徑的鋼制模具壓片處理，壓力為6mpa，持續時間為6s。結束后即可得到成型的，擁有一定密度的壓片，其中直徑為18mm，厚度為1mm。

將得到的壓片放置在耐高溫容器中。激光器為連續光固體激光器，波長為980nm，輸出功率調至28w，激光照射在壓片表面，其中光斑大小與壓片大小一致。燒結持續25s，紅外測溫儀監測壓片表面溫度，當溫度達到設定值(1200℃)時，關閉激光器，此時壓片呈晶體狀。

再將壓片進行激光消融處理。將壓片置于50ml燒杯底部，加入5ml超純水。皮秒激光器輸出激光通過反射鏡后，輸入振鏡系統并聚焦在壓片表面上。持續40mins。其中皮秒激光器為光纖激光器，輸出波長為1064nm，單脈沖能量為6μj，重復頻率為200khz，一個周期內單脈沖數量為8。實驗結束后，將燒杯內容物通過過濾漏斗，濾除未消融完全的壓片和較大顆粒，得到的液體即為上轉換熒光納米顆粒溶膠。

將過濾得到的未消融完全的壓片和較大顆粒烘干，再次研磨成粉末。該粉末成分沒有發生改變，仍然可以再次利用，重復上述試驗。

本發明中，原料可以重復循環利用，不會產生浪費，所以說原料利用率高。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。