奚小艷 畢世青 高平強(qiáng)

摘 要：近年來(lái)，我國(guó)的化工行業(yè)有了很大進(jìn)展，對(duì)納米、微米材料的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。新型納米/微米功能材料由于其獨(dú)特的性質(zhì)，在國(guó)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(jìn)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(guò)程在應(yīng)用上有局限性。先進(jìn)的連續(xù)流反應(yīng)過(guò)程正逐漸取代間歇反應(yīng)過(guò)程。其研發(fā)和設(shè)計(jì)要考慮安全性，無(wú)顆粒堵塞和堆積，對(duì)于關(guān)鍵部件和附屬器件進(jìn)行合理研究和設(shè)計(jì)等原則。

關(guān)鍵詞：納米/微米功能材料;化工生產(chǎn)過(guò)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(zhǎng)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(dòng)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(cè)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(dú)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(guó)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?jī)r(jià)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(duì)微/納米材料粒度進(jìn)行準(zhǔn)確和標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試的需求日益增多，納米/亞微米/微米粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為納米粒度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中的重要一環(huán)也得以快速發(fā)展，納米粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研究也面臨新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇。[1]

2 納米/微米功能材料制備過(guò)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(zhǎng)大可以分為自上而下的方法和自下而上的方法。例如，通過(guò)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(zhǎng)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(guò)程間歇的特點(diǎn)，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(guò)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(guò)程和連續(xù)反應(yīng)過(guò)程。

3 我國(guó)粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制研究進(jìn)展

我國(guó)研究微/納米級(jí)粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的起步較晚，從上世紀(jì)80年代末才開(kāi)始立項(xiàng)研究，截止到目前有幾十種聚苯乙烯微球和二氧化硅國(guó)家粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。1989年核工業(yè)北京化工冶金研究院研制了微粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW（E）120001～GBW（E）120008（粒徑1.95～75μm），采用顯微鏡、庫(kù)爾特微粒計(jì)和圖像分析儀分析測(cè)量方法定值，現(xiàn)已停售。中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)院、核工業(yè)北京化工冶金研究院和海岸鴻蒙標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)公司研制了多種納米/亞微米/微米級(jí)粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可溯源至我國(guó)長(zhǎng)度基準(zhǔn)，為建立并維護(hù)我國(guó)粒度測(cè)量溯源及傳遞體系、滿足粒度儀檢定校準(zhǔn)需求提供了支撐。[2]我國(guó)金納米粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和二氧化鈰微球粒度微球標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)見(jiàn)表1。目前，我國(guó)的粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的尺寸范圍在60nm～100μm之間，60nm以下的國(guó)家粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)還相對(duì)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(gè)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(diǎn)，反應(yīng)參數(shù)更容易得到控制和分析。由于其單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)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(jìn)行的方向提高，發(fā)生意外的情況下危害小，同時(shí)安全設(shè)計(jì)相較于間歇釜式反應(yīng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行。針對(duì)納米/微米晶體生長(zhǎng)需要的高溫高壓反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間可以由幾天縮短至幾分鐘甚至幾秒鐘。其對(duì)反應(yīng)速度的提升優(yōu)勢(shì)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(shì)。連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計(jì)要遵循幾個(gè)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(diǎn)（是否腐蝕等等）。其次要考慮晶體顆粒的生長(zhǎng)和沉積，保證系統(tǒng)內(nèi)無(wú)堵塞和堆積。再次要根據(jù)流體的特點(diǎn)計(jì)算設(shè)計(jì)流速，保證顆?？梢皂樌粠С觥Ｗ詈箨P(guān)于反應(yīng)器外的附屬設(shè)計(jì)，例如泵，預(yù)熱器，冷卻器的選擇要根據(jù)實(shí)際需求計(jì)算得出。

5 納米材料發(fā)展趨勢(shì)

接下來(lái)的幾十年內(nèi)，納米材料便會(huì)逐漸運(yùn)用于各個(gè)科學(xué)技術(shù)行業(yè)，并深刻影響著社會(huì)大眾生產(chǎn)與生活觀念，有力地提高生產(chǎn)力，促使經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(kāi)發(fā)控制1nm的納米孔材料，將其運(yùn)用到催化劑中，對(duì)孔污染現(xiàn)象進(jìn)行有效清理。

5.2 醫(yī)學(xué)和生物領(lǐng)域

納米材料運(yùn)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(guò)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(xì)胞時(shí)，借助納米技術(shù)便可準(zhǔn)確檢出。

5.3 微電子和計(jì)算機(jī)

采取納米結(jié)構(gòu)的微處理器效率增加100萬(wàn)倍，且擁有兆比特的存儲(chǔ)器，研究開(kāi)發(fā)出量子計(jì)算機(jī)和光子計(jì)算機(jī)。

5.4 照明系統(tǒng)

對(duì)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(jiàn)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(shì)廣泛運(yùn)用于汽車照明、展覽、指示器中。[3]

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著社會(huì)需求的提升和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，社會(huì)對(duì)納米/微米新型功能材料的需求也不斷增長(zhǎng)。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(guò)程具有非常廣闊的發(fā)展空間。當(dāng)前，新型反應(yīng)過(guò)程有待進(jìn)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(jìn)行緊密合作，針對(duì)于材料的需求和化工生產(chǎn)反應(yīng)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，驗(yàn)證和改良，有力推進(jìn)納米/微米新型功能材料的應(yīng)用，造福社會(huì)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]劉忍肖，高潔，葛廣路.我國(guó)納米標(biāo)準(zhǔn)樣品研究進(jìn)展[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化，2012（10）：80-84.

[3]董鵬，陳勝利，趙俊穎，等.國(guó)內(nèi)外亞微米/納米級(jí)粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)現(xiàn)狀[J].中國(guó)粉體技術(shù)，2007（5）：47-50.