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| 干燥技术在纳米粉体制备中的应用 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2014-12-24 09:09:17 浏览次数： |
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（中国粉体技术网/远志）纳米粉体是指粒径尺寸在1nm到100nm之间介于宏观物质与微观原子、分子的中间区的超细微粒。由于其本身具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应等，使其在光、电、磁、力学及催化等方面表现出不同于常规材料的奇异性能，被认为是21世纪的新材料，在化工、电子、冶金、宇航、生物和医学等领域展现出广阔的应用前景。
制备纳米粉体的方法有许多，其中液相合成法是合成纳米粉体常用的方法，但该法制备纳米粉体的整个工艺过程中，从化学反应成核、晶粒生长到前驱体的洗涤、干燥以及粉体的焙烧，每一个阶段均可能使粉体产生团聚。在粉体的干燥阶段，一方面是由于固液界面的存在及液体表面张力作用产生羟基架桥效应，使颗粒聚集和长大而使粉体发生团聚；另一方面是由于粒子越小表面能越大也易使粉体发生团聚。因此，为了减少由此过程产生的团聚采用适宜的干燥技术和工艺条件是十分重要的。
根据目前的研究现状，新提出的干燥方法主要有微波干燥法、超临界干燥法、冷冻干燥法、共沸蒸馏法、喷雾干燥法等。
1 微波干燥法
微波是频率在300M—300GHz之间的电磁波，其方向和大小随时间作周期性变化，是一种具有穿透特性的电磁波。在微波作用下，物料中的极性分子（ 如水）的极性取向随着微波场极性的快速变化而急剧变化，致使分子急剧摩擦、碰撞，使物料产生热化和膨化等一系列过程而达到微波加热目的。
微波干燥利用的是介质损耗原理，由于水是强烈吸收微波的物，因而水的损耗因素比干物质大得多，能大量吸收微波能并转化为热能。因此，物料的升温和蒸发是在整个物体中同时进行的。由于微波与物料的作用是内外同时产生的，而物料表面的散热条件又好于中心部，则中心部温度高于表面，同时由于物料内部产生热量，以致于内部蒸汽迅速产生，形成压力梯度，因而物料的温度梯度方向与水汽的排出方向是一致的，从而大大改善了干燥过程中的水分迁移条件。物料初始含水率越高，压力梯度对水分排除的影响越大，驱使水分流向表面，加快干燥速度。
同时由于压力迁移动力的存在，使微波干燥具有由内向外的干燥特点，即对物料整体而言，将是物料内层首先干燥。这就克服了在常规干燥中因物料外层首先干燥而形成硬壳板结阻碍内部水分继续外移的缺点，减小了物料颗粒长大和团聚的可能性，从而更易得到颗粒均匀的细小粉体。
用该法制备纳米粉体的优点是干燥速度快、加热均匀、生产的产品质量高、生产效率高、可连续生产、安全无害。
2 超临界干燥法
超临界流体干燥技术是近年来制备纳米材料的一种新技术和新方法，它是在干燥介质临界温度和临界压力条件下进行的干燥。当干燥介质处于超临界状态时，物质以一种既非液体也非气体，但兼具气液性质的超临界流体形式存在。此时干燥介质气液界面消失，表面张力为零，因而可以避免物料在干燥过程中的收缩和碎裂，从而保持物料原有的结构和状态，防止初级纳米粒子的团聚。
该技术制得的粉体具有良好的热稳定性，且具有收集性好、制样量大、溶剂回收率高和样品纯等特点。缺点是由于超临界流体干燥一般都在较高压力下进行，所涉及的体系也比较复杂，对设备的要求较高，需要进行工业放大过程的工艺和相平衡研究才能保证提供工业规模生产的优化。
3 冷冻干燥法
冷冻干燥法是先将经处理后的物料冻结，然后在一定负压下对物料加热，使物料中的水分从固态直接升华为气态，从而排除湿物料中的水分，获得干燥制品的干燥方法。
冷冻干燥法充分利用了水的特性和表面能与温度的关系，当水冻成冰时，其体积膨胀，使得原先彼此相互靠近的粒子适当分开，且颗粒间的“ 液桥”已被冻成“ 固桥”，颗粒间的相对位置已经被固定下来而不能相互靠近。又因固态水分子与颗粒之间的界面张力远小于液态水分子与颗粒间的界面张力，从而防止了微粒在干燥过程中的聚集，有效地避免因“ 液桥”引起的严重的团聚现象。
4 共沸蒸馏法
共沸蒸馏的原理是：当有机溶剂与水蒸气气压之和等于大气压时，二相混合物开始共沸，随着蒸馏的进行，混合物中水的含量不断减少；随着这种混合物组分的变化，混合物的共沸点不断升高，直到等于有机溶剂的沸点；共沸蒸馏的目的是使胶体内包裹的水分以共沸物的形式最大限度地被除去，从而防止硬团聚的形成。
由于有机溶剂的表面张力较低，可减小毛细管力作用，同时也可消除水分子氢键的架桥效应，从而降低聚集作用；另一方面由于有些有机分子可与微粒表面的羟基反应，有机基团代替表面羟基基团，可消除粒子间形成化学键的可能性，阻止聚集作用的发生。因此共沸蒸馏的第一步就是要选择一种合适的有机溶剂，使它与水形成的二元共沸体系中水的含量最大，这就最有效地将胶体中的水取出来。
5 喷雾干燥法
喷雾干燥是将一定配比的离子混合液以一定压力喷射成雾状并与高温热源接触，小液滴内水分被迅速加热蒸发，从而使之得以干燥。干料不需要球磨工序，经一定温度煅烧即得到超细、组分均匀的粉体，这是一种适合工业大规模生产超细粉体的有效方法。
用这种方法制备的粉体颗粒具有许多优良的性质，如颗粒分布均匀和高温退火后有较好的球状形态等。
在纳米粉体制备过程中，干燥技术和工艺条件对颗粒大小及聚集状态等产生显著的影响，特别是工业化生产更是如此。但就目前文献报道，有关纳米粉体干燥的研究远不如纳米粉体合成反应的研究进行得深入和详尽。因此，对纳米粉体的各种干燥方法进行研究以及对干燥工艺所需生产装置的进一步的研究和改进，以提高微粒的产率、产量，并降低成本，从中找出与制备方法相适应的干燥方法，从而得到性能优良且适于工业化生产的纳米粉体，对推进纳米粉体干燥技术的深入研究，推动纳米技术的工业化都有着极其重要的意义。
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