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| 干燥技術(shù)在納米粉體制備中的應(yīng)用 |
| 來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2014-12-24 09:09:17 瀏覽次數(shù)： |
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（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/遠(yuǎn)志）納米粉體是指粒徑尺寸在1nm到100nm之間介于宏觀物質(zhì)與微觀原子、分子的中間區(qū)的超細(xì)微粒。由于其本身具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀隧道效應(yīng)等，使其在光、電、磁、力學(xué)及催化等方面表現(xiàn)出不同于常規(guī)材料的奇異性能，被認(rèn)為是21世紀(jì)的新材料，在化工、電子、冶金、宇航、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
制備納米粉體的方法有許多，其中液相合成法是合成納米粉體常用的方法，但該法制備納米粉體的整個(gè)工藝過程中，從化學(xué)反應(yīng)成核、晶粒生長到前驅(qū)體的洗滌、干燥以及粉體的焙燒，每一個(gè)階段均可能使粉體產(chǎn)生團(tuán)聚。在粉體的干燥階段，一方面是由于固液界面的存在及液體表面張力作用產(chǎn)生羥基架橋效應(yīng)，使顆粒聚集和長大而使粉體發(fā)生團(tuán)聚；另一方面是由于粒子越小表面能越大也易使粉體發(fā)生團(tuán)聚。因此，為了減少由此過程產(chǎn)生的團(tuán)聚采用適宜的干燥技術(shù)和工藝條件是十分重要的。
根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，新提出的干燥方法主要有微波干燥法、超臨界干燥法、冷凍干燥法、共沸蒸餾法、噴霧干燥法等。
1 微波干燥法
微波是頻率在300M—300GHz之間的電磁波，其方向和大小隨時(shí)間作周期性變化，是一種具有穿透特性的電磁波。在微波作用下，物料中的極性分子（ 如水）的極性取向隨著微波場(chǎng)極性的快速變化而急劇變化，致使分子急劇摩擦、碰撞，使物料產(chǎn)生熱化和膨化等一系列過程而達(dá)到微波加熱目的。
微波干燥利用的是介質(zhì)損耗原理，由于水是強(qiáng)烈吸收微波的物，因而水的損耗因素比干物質(zhì)大得多，能大量吸收微波能并轉(zhuǎn)化為熱能。因此，物料的升溫和蒸發(fā)是在整個(gè)物體中同時(shí)進(jìn)行的。由于微波與物料的作用是內(nèi)外同時(shí)產(chǎn)生的，而物料表面的散熱條件又好于中心部，則中心部溫度高于表面，同時(shí)由于物料內(nèi)部產(chǎn)生熱量，以致于內(nèi)部蒸汽迅速產(chǎn)生，形成壓力梯度，因而物料的溫度梯度方向與水汽的排出方向是一致的，從而大大改善了干燥過程中的水分遷移條件。物料初始含水率越高，壓力梯度對(duì)水分排除的影響越大，驅(qū)使水分流向表面，加快干燥速度。
同時(shí)由于壓力遷移動(dòng)力的存在，使微波干燥具有由內(nèi)向外的干燥特點(diǎn)，即對(duì)物料整體而言，將是物料內(nèi)層首先干燥。這就克服了在常規(guī)干燥中因物料外層首先干燥而形成硬殼板結(jié)阻礙內(nèi)部水分繼續(xù)外移的缺點(diǎn)，減小了物料顆粒長大和團(tuán)聚的可能性，從而更易得到顆粒均勻的細(xì)小粉體。
用該法制備納米粉體的優(yōu)點(diǎn)是干燥速度快、加熱均勻、生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量高、生產(chǎn)效率高、可連續(xù)生產(chǎn)、安全無害。
2 超臨界干燥法
超臨界流體干燥技術(shù)是近年來制備納米材料的一種新技術(shù)和新方法，它是在干燥介質(zhì)臨界溫度和臨界壓力條件下進(jìn)行的干燥。當(dāng)干燥介質(zhì)處于超臨界狀態(tài)時(shí)，物質(zhì)以一種既非液體也非氣體，但兼具氣液性質(zhì)的超臨界流體形式存在。此時(shí)干燥介質(zhì)氣液界面消失，表面張力為零，因而可以避免物料在干燥過程中的收縮和碎裂，從而保持物料原有的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，防止初級(jí)納米粒子的團(tuán)聚。
該技術(shù)制得的粉體具有良好的熱穩(wěn)定性，且具有收集性好、制樣量大、溶劑回收率高和樣品純等特點(diǎn)。缺點(diǎn)是由于超臨界流體干燥一般都在較高壓力下進(jìn)行，所涉及的體系也比較復(fù)雜，對(duì)設(shè)備的要求較高，需要進(jìn)行工業(yè)放大過程的工藝和相平衡研究才能保證提供工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)化。
3 冷凍干燥法
冷凍干燥法是先將經(jīng)處理后的物料凍結(jié)，然后在一定負(fù)壓下對(duì)物料加熱，使物料中的水分從固態(tài)直接升華為氣態(tài)，從而排除濕物料中的水分，獲得干燥制品的干燥方法。
冷凍干燥法充分利用了水的特性和表面能與溫度的關(guān)系，當(dāng)水凍成冰時(shí)，其體積膨脹，使得原先彼此相互靠近的粒子適當(dāng)分開，且顆粒間的“ 液橋”已被凍成“ 固橋”，顆粒間的相對(duì)位置已經(jīng)被固定下來而不能相互靠近。又因固態(tài)水分子與顆粒之間的界面張力遠(yuǎn)小于液態(tài)水分子與顆粒間的界面張力，從而防止了微粒在干燥過程中的聚集，有效地避免因“ 液橋”引起的嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象。
4 共沸蒸餾法
共沸蒸餾的原理是：當(dāng)有機(jī)溶劑與水蒸氣氣壓之和等于大氣壓時(shí)，二相混合物開始共沸，隨著蒸餾的進(jìn)行，混合物中水的含量不斷減少；隨著這種混合物組分的變化，混合物的共沸點(diǎn)不斷升高，直到等于有機(jī)溶劑的沸點(diǎn)；共沸蒸餾的目的是使膠體內(nèi)包裹的水分以共沸物的形式最大限度地被除去，從而防止硬團(tuán)聚的形成。
由于有機(jī)溶劑的表面張力較低，可減小毛細(xì)管力作用，同時(shí)也可消除水分子氫鍵的架橋效應(yīng)，從而降低聚集作用；另一方面由于有些有機(jī)分子可與微粒表面的羥基反應(yīng)，有機(jī)基團(tuán)代替表面羥基基團(tuán)，可消除粒子間形成化學(xué)鍵的可能性，阻止聚集作用的發(fā)生。因此共沸蒸餾的第一步就是要選擇一種合適的有機(jī)溶劑，使它與水形成的二元共沸體系中水的含量最大，這就最有效地將膠體中的水取出來。
5 噴霧干燥法
噴霧干燥是將一定配比的離子混合液以一定壓力噴射成霧狀并與高溫?zé)嵩唇佑|，小液滴內(nèi)水分被迅速加熱蒸發(fā)，從而使之得以干燥。干料不需要球磨工序，經(jīng)一定溫度煅燒即得到超細(xì)、組分均勻的粉體，這是一種適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)超細(xì)粉體的有效方法。
用這種方法制備的粉體顆粒具有許多優(yōu)良的性質(zhì)，如顆粒分布均勻和高溫退火后有較好的球狀形態(tài)等。
在納米粉體制備過程中，干燥技術(shù)和工藝條件對(duì)顆粒大小及聚集狀態(tài)等產(chǎn)生顯著的影響，特別是工業(yè)化生產(chǎn)更是如此。但就目前文獻(xiàn)報(bào)道，有關(guān)納米粉體干燥的研究遠(yuǎn)不如納米粉體合成反應(yīng)的研究進(jìn)行得深入和詳盡。因此，對(duì)納米粉體的各種干燥方法進(jìn)行研究以及對(duì)干燥工藝所需生產(chǎn)裝置的進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，以提高微粒的產(chǎn)率、產(chǎn)量，并降低成本，從中找出與制備方法相適應(yīng)的干燥方法，從而得到性能優(yōu)良且適于工業(yè)化生產(chǎn)的納米粉體，對(duì)推進(jìn)納米粉體干燥技術(shù)的深入研究，推動(dòng)納米技術(shù)的工業(yè)化都有著極其重要的意義。
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