關(guān)于新型納米/微米功能材料化工生產(chǎn)過程的探索

奚小艷 畢世青 高平強

摘 要：近年來，我國的化工行業(yè)有了很大進展，對納米、微米材料的應(yīng)用也越來越廣泛。新型納米/微米功能材料由于其獨特的性質(zhì)，在國民生活中的重要作用日益顯著。基礎(chǔ)研究的工業(yè)化難度較高，基礎(chǔ)研究和工業(yè)化生產(chǎn)之間缺少工程研發(fā)放大的橋梁，工業(yè)化研發(fā)成本和生產(chǎn)成本高等原因限制了一部分先進納米/微米功能材料的應(yīng)用。納米/微米功能材料的制備方法依據(jù)不同的分類方式有多種。在液相反應(yīng)中，間歇反應(yīng)過程在應(yīng)用上有局限性。先進的連續(xù)流反應(yīng)過程正逐漸取代間歇反應(yīng)過程。其研發(fā)和設(shè)計要考慮安全性，無顆粒堵塞和堆積，對于關(guān)鍵部件和附屬器件進行合理研究和設(shè)計等原則。

關(guān)鍵詞：納米/微米功能材料;化工生產(chǎn)過程;連續(xù)流微反應(yīng)系統(tǒng)

納米材料由大量晶體組成的尺寸在1～100nm范圍中的一種固體性材料，主要分為晶態(tài)、非晶態(tài)的金屬、陶瓷等材料。由于其大小同電子相干長度較為接近，并具有磁性、導(dǎo)熱、光學(xué)、導(dǎo)電等特殊性質(zhì)，成為了各領(lǐng)域重要的新技術(shù)材料，有力地推動了人類發(fā)展。

1 納米技術(shù)

納米技術(shù)是研究納米材料的制備、結(jié)構(gòu)表征、性能測試分析以及技術(shù)應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)。由于量子尺寸效應(yīng)，納米材料性能獨特，在半導(dǎo)體行業(yè)、精密制造業(yè)、能源、化工、環(huán)境、醫(yī)藥和國防安全等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。其中納米/亞微米/微米材料的粒度在涂料、催化劑、材料和醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要影響，有較大的研究價值。隨著納米科技的快速發(fā)展，為確保產(chǎn)品質(zhì)量的控制，對微/納米材料粒度進行準確和標準化的測試的需求日益增多，納米/亞微米/微米粒度標準物質(zhì)作為納米粒度測量標準化過程中的重要一環(huán)也得以快速發(fā)展，納米粒度標準物質(zhì)的研究也面臨新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機遇。[1]

2 納米/微米功能材料制備過程種類及劃分

①根據(jù)是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)可以分為物理制備的方法、化學(xué)制備的方法及物理化學(xué)相結(jié)合的方法。物理制備的方法包括：粉碎法，濺射法;化學(xué)制備的方法包括：化學(xué)氣相沉積、溶膠凝膠法、水熱合成法和共沉淀法等;物理和化學(xué)結(jié)合的方法：化學(xué)反應(yīng)球磨法等;

②根據(jù)顆粒是由大變小還是由小長大可以分為自上而下的方法和自下而上的方法。例如，通過球磨的方式把大塊顆粒打碎成為小顆粒是自上而下的方法，而晶體顆粒的水熱生長是自下而上的方法;

③根據(jù)相態(tài)的分布可以劃分為氣相生產(chǎn)方法，液相生產(chǎn)方法和固相生產(chǎn)方法;

④根據(jù)生產(chǎn)過程間歇的特點，又可分為連續(xù)反應(yīng)制備和間歇反應(yīng)制備;

⑤如果引入模板，又可分為硬模板法和軟模板法。在新能源領(lǐng)域，鋰離子電池正極材料的性能至關(guān)重要。而其前驅(qū)體的生產(chǎn)目前是以液相生產(chǎn)方法--共沉淀法為主。液相生產(chǎn)方法又可以按照生產(chǎn)過程中產(chǎn)品是否可以連續(xù)產(chǎn)生和收集分為間歇反應(yīng)過程和連續(xù)反應(yīng)過程。

3 我國粒度標準物質(zhì)研制研究進展

我國研究微/納米級粒度標準物質(zhì)的起步較晚，從上世紀80年代末才開始立項研究，截止到目前有幾十種聚苯乙烯微球和二氧化硅國家粒度標準物質(zhì)。1989年核工業(yè)北京化工冶金研究院研制了微粒標準物質(zhì)GBW（E）120001～GBW（E）120008（粒徑1.95～75μm），采用顯微鏡、庫爾特微粒計和圖像分析儀分析測量方法定值，現(xiàn)已停售。中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點實驗室、中國計量科學(xué)研究院、中國科學(xué)院、核工業(yè)北京化工冶金研究院和海岸鴻蒙標準物質(zhì)公司研制了多種納米/亞微米/微米級粒度標準物質(zhì)。粒度標準物質(zhì)可溯源至我國長度基準，為建立并維護我國粒度測量溯源及傳遞體系、滿足粒度儀檢定校準需求提供了支撐。[2]我國金納米粒度標準物質(zhì)和二氧化鈰微球粒度微球標準物質(zhì)見表1。目前，我國的粒度標準物質(zhì)的尺寸范圍在60nm～100μm之間，60nm以下的國家粒度標準物質(zhì)還相對較少。

4 納米/微米材料液相生產(chǎn)連續(xù)流微反應(yīng)系統(tǒng)

連續(xù)流微反應(yīng)系統(tǒng)目前處于世界上最前沿的研究領(lǐng)域。其基本思想是令化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在一個小的區(qū)域。一般反應(yīng)器體積為幾立方厘米，最多幾十立方厘米。由于其體積小的特點，反應(yīng)參數(shù)更容易得到控制和分析。由于其單位時間內(nèi)流過的液體體積較小，反應(yīng)溫度和壓力可以向更有利于反應(yīng)進行的方向提高，發(fā)生意外的情況下危害小，同時安全設(shè)計相較于間歇釜式反應(yīng)系統(tǒng)簡單易行。針對納米/微米晶體生長需要的高溫高壓反應(yīng)，反應(yīng)時間可以由幾天縮短至幾分鐘甚至幾秒鐘。其對反應(yīng)速度的提升優(yōu)勢是驚人的。連續(xù)流微反應(yīng)的工程放大相較于間歇釜式反應(yīng)器要容易很多，最主要的是要控制平行反應(yīng)的出口和入口條件的一致性。雖然目前該反應(yīng)屬于世界前沿，尚處于學(xué)術(shù)研究階段，但是像每種有工業(yè)化潛力和需求的新技術(shù)的產(chǎn)生一樣，連續(xù)流微反應(yīng)系統(tǒng)是高溫高壓生產(chǎn)納米/微米顆粒發(fā)展的必然趨勢。連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計要遵循幾個原則，首先要保證選材的安全性，要著眼于反應(yīng)系統(tǒng)的體積（管徑），溫度，壓力和溶劑特點（是否腐蝕等等）。其次要考慮晶體顆粒的生長和沉積，保證系統(tǒng)內(nèi)無堵塞和堆積。再次要根據(jù)流體的特點計算設(shè)計流速，保證顆粒可以順利被帶出。最后關(guān)于反應(yīng)器外的附屬設(shè)計，例如泵，預(yù)熱器，冷卻器的選擇要根據(jù)實際需求計算得出。

5 納米材料發(fā)展趨勢

接下來的幾十年內(nèi)，納米材料便會逐漸運用于各個科學(xué)技術(shù)行業(yè)，并深刻影響著社會大眾生產(chǎn)與生活觀念，有力地提高生產(chǎn)力，促使經(jīng)濟社會可持續(xù)健康發(fā)展。

5.1 環(huán)境和能源

憑借納米材料研發(fā)綠色能源與環(huán)境處理技術(shù)，控制污染，修復(fù)已經(jīng)被破壞的環(huán)境;研究開發(fā)控制1nm的納米孔材料，將其運用到催化劑中，對孔污染現(xiàn)象進行有效清理。

5.2 醫(yī)學(xué)和生物領(lǐng)域

納米材料運用于藥物化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量成倍增加，研究出50～100nm尺寸的納米顆粒有效治療腫瘤部位，由于較大粒子難以穿過腫瘤上的各種小孔，納米顆粒便可順利融入到腫瘤內(nèi)部，促使藥物發(fā)揮最大功效;當(dāng)癌癥只有很少癌細胞時，借助納米技術(shù)便可準確檢出。

5.3 微電子和計算機

采取納米結(jié)構(gòu)的微處理器效率增加100萬倍，且擁有兆比特的存儲器，研究開發(fā)出量子計算機和光子計算機。

5.4 照明系統(tǒng)

對于發(fā)光二極管的半導(dǎo)體的制作，逐漸在納米尺寸范圍內(nèi)完成，如此制作出的發(fā)光二極管的效率同目前可見光譜上白熾光相似，再憑借其低發(fā)熱性、耐用性及精致小巧等優(yōu)勢廣泛運用于汽車照明、展覽、指示器中。[3]

6 結(jié)語

綜上所述，隨著社會需求的提升和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步，社會對納米/微米新型功能材料的需求也不斷增長。在納米/微米材料的不同制備方法和反應(yīng)系統(tǒng)中，新型的液相連續(xù)流微反應(yīng)過程具有非常廣闊的發(fā)展空間。當(dāng)前，新型反應(yīng)過程有待進一步的研發(fā)和生產(chǎn)規(guī)模的放大，這些都需要科研工作者和工業(yè)界進行緊密合作，針對于材料的需求和化工生產(chǎn)反應(yīng)的特點進行設(shè)計，驗證和改良，有力推進納米/微米新型功能材料的應(yīng)用，造福社會。

參考文獻：

[1]盧敬叁，朱虹.納米計量技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展[J].工業(yè)計量，2003（6）：53-54.

[2]劉忍肖，高潔，葛廣路.我國納米標準樣品研究進展[J].中國標準化，2012（10）：80-84.

[3]董鵬，陳勝利，趙俊穎，等.國內(nèi)外亞微米/納米級粒度標準物質(zhì)現(xiàn)狀[J].中國粉體技術(shù)，2007（5）：47-50.