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干燥技術在納米粉體制備中的應用 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2014-12-24 09:09:17 瀏覽次數: |
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(中國粉體技術網/遠志)納米粉體是指粒徑尺寸在1nm到100nm之間介于宏觀物質與微觀原子、分子的中間區的超細微粒。由于其本身具有表面效應、體積效應、量子尺寸效應和宏觀隧道效應等,使其在光、電、磁、力學及催化等方面表現出不同于常規材料的奇異性能,被認為是21世紀的新材料,在化工、電子、冶金、宇航、生物和醫學等領域展現出廣闊的應用前景。
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工藝過程中,從化學反應成核、晶粒生長到前驅體的洗滌、干燥以及粉體的焙燒,每一個階段均可能使粉體產生團聚。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生羥基架橋效應,使顆粒聚集和長大而使粉體發生團聚;另一方面是由于粒子越小表面能越大也易使粉體發生團聚。因此,為了減少由此過程產生的團聚采用適宜的干燥技術和工藝條件是十分重要的。
根據目前的研究現狀,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,使物料產生熱化和膨化等一系列過程而達到微波加熱目的。
微波干燥利用的是介質損耗原理,由于水是強烈吸收微波的物,因而水的損耗因素比干物質大得多,能大量吸收微波能并轉化為熱能。因此,物料的升溫和蒸發是在整個物體中同時進行的。由于微波與物料的作用是內外同時產生的,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,同時由于物料內部產生熱量,以致于內部蒸汽迅速產生,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,壓力梯度對水分排除的影響越大,驅使水分流向表面,加快干燥速度。
同時由于壓力遷移動力的存在,使微波干燥具有由內向外的干燥特點,即對物料整體而言,將是物料內層首先干燥。這就克服了在常規干燥中因物料外層首先干燥而形成硬殼板結阻礙內部水分繼續外移的缺點,減小了物料顆粒長大和團聚的可能性,從而更易得到顆粒均勻的細小粉體。
用該法制備納米粉體的優點是干燥速度快、加熱均勻、生產的產品質量高、生產效率高、可連續生產、安全無害。
2 超臨界干燥法
超臨界流體干燥技術是近年來制備納米材料的一種新技術和新方法,它是在干燥介質臨界溫度和臨界壓力條件下進行的干燥。當干燥介質處于超臨界狀態時,物質以一種既非液體也非氣體,但兼具氣液性質的超臨界流體形式存在。此時干燥介質氣液界面消失,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構和狀態,防止初級納米粒子的團聚。
該技術制得的粉體具有良好的熱穩定性,且具有收集性好、制樣量大、溶劑回收率高和樣品純等特點。缺點是由于超臨界流體干燥一般都在較高壓力下進行,所涉及的體系也比較復雜,對設備的要求較高,需要進行工業放大過程的工藝和相平衡研究才能保證提供工業規模生產的優化。
3 冷凍干燥法
冷凍干燥法是先將經處理后的物料凍結,然后在一定負壓下對物料加熱,使物料中的水分從固態直接升華為氣態,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系,當水凍成冰時,其體積膨脹,使得原先彼此相互靠近的粒子適當分開,且顆粒間的“ 液橋”已被凍成“ 固橋”,顆粒間的相對位置已經被固定下來而不能相互靠近。又因固態水分子與顆粒之間的界面張力遠小于液態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”引起的嚴重的團聚現象。
4 共沸蒸餾法
共沸蒸餾的原理是:當有機溶劑與水蒸氣氣壓之和等于大氣壓時,二相混合物開始共沸,隨著蒸餾的進行,混合物中水的含量不斷減少;隨著這種混合物組分的變化,混合物的共沸點不斷升高,直到等于有機溶劑的沸點;共沸蒸餾的目的是使膠體內包裹的水分以共沸物的形式最大限度地被除去,從而防止硬團聚的形成。
由于有機溶劑的表面張力較低,可減小毛細管力作用,同時也可消除水分子氫鍵的架橋效應,從而降低聚集作用;另一方面由于有些有機分子可與微粒表面的羥基反應,有機基團代替表面羥基基團,可消除粒子間形成化學鍵的可能性,阻止聚集作用的發生。因此共沸蒸餾的第一步就是要選擇一種合適的有機溶劑,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熱源接觸,小液滴內水分被迅速加熱蒸發,從而使之得以干燥。干料不需要球磨工序,經一定溫度煅燒即得到超細、組分均勻的粉體,這是一種適合工業大規模生產超細粉體的有效方法。
用這種方法制備的粉體顆粒具有許多優良的性質,如顆粒分布均勻和高溫退火后有較好的球狀形態等。
在納米粉體制備過程中,干燥技術和工藝條件對顆粒大小及聚集狀態等產生顯著的影響,特別是工業化生產更是如此。但就目前文獻報道,有關納米粉體干燥的研究遠不如納米粉體合成反應的研究進行得深入和詳盡。因此,對納米粉體的各種干燥方法進行研究以及對干燥工藝所需生產裝置的進一步的研究和改進,以提高微粒的產率、產量,并降低成本,從中找出與制備方法相適應的干燥方法,從而得到性能優良且適于工業化生產的納米粉體,對推進納米粉體干燥技術的深入研究,推動納米技術的工業化都有著極其重要的意義。
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