关于新型纳米/微米功能材料化工生产过程的探索

奚小艳 毕世青 高平强

摘 要：近年来，我国的化工行业有了很大进展，对纳米、微米材料的应用也越来越广泛。新型纳米/微米功能材料由于其独特的性质，在国民生活中的重要作用日益显著。基础研究的工业化难度较高，基础研究和工业化生产之间缺少工程研发放大的桥梁，工业化研发成本和生产成本高等原因限制了一部分先进纳米/微米功能材料的应用。纳米/微米功能材料的制备方法依据不同的分类方式有多种。在液相反应中，间歇反应过程在应用上有局限性。先进的连续流反应过程正逐渐取代间歇反应过程。其研发和设计要考虑安全性，无颗粒堵塞和堆积，对于关键部件和附属器件进行合理研究和设计等原则。

关键词：纳米/微米功能材料;化工生产过程;连续流微反应系统

纳米材料由大量晶体组成的尺寸在1～100nm范围中的一种固体性材料，主要分为晶态、非晶态的金属、陶瓷等材料。由于其大小同电子相干长度较为接近，并具有磁性、导热、光学、导电等特殊性质，成为了各领域重要的新技术材料，有力地推动了人类发展。

1 纳米技术

纳米技术是研究纳米材料的制备、结构表征、性能测试分析以及技术应用的科学技术。由于量子尺寸效应，纳米材料性能独特，在半导体行业、精密制造业、能源、化工、环境、医药和国防安全等领域发挥着重要作用。其中纳米/亚微米/微米材料的粒度在涂料、催化劑、材料和医药等领域具有重要影响，有较大的研究价值。随着纳米科技的快速发展，为确保产品质量的控制，对微/纳米材料粒度进行准确和标准化的测试的需求日益增多，纳米/亚微米/微米粒度标准物质作为纳米粒度测量标准化过程中的重要一环也得以快速发展，纳米粒度标准物质的研究也面临新的挑战和发展机遇。[1]

2 纳米/微米功能材料制备过程种类及划分

①根据是否发生化学反应可以分为物理制备的方法、化学制备的方法及物理化学相结合的方法。物理制备的方法包括：粉碎法，溅射法;化学制备的方法包括：化学气相沉积、溶胶凝胶法、水热合成法和共沉淀法等;物理和化学结合的方法：化学反应球磨法等;

②根据颗粒是由大变小还是由小长大可以分为自上而下的方法和自下而上的方法。例如，通过球磨的方式把大块颗粒打碎成为小颗粒是自上而下的方法，而晶体颗粒的水热生长是自下而上的方法;

③根据相态的分布可以划分为气相生产方法，液相生产方法和固相生产方法;

④根据生产过程间歇的特点，又可分为连续反应制备和间歇反应制备;

⑤如果引入模板，又可分为硬模板法和软模板法。在新能源领域，锂离子电池正极材料的性能至关重要。而其前驱体的生产目前是以液相生产方法--共沉淀法为主。液相生产方法又可以按照生产过程中产品是否可以连续产生和收集分为间歇反应过程和连续反应过程。

3 我国粒度标准物质研制研究进展

我国研究微/纳米级粒度标准物质的起步较晚，从上世纪80年代末才开始立项研究，截止到目前有几十种聚苯乙烯微球和二氧化硅国家粒度标准物质。1989年核工业北京化工冶金研究院研制了微粒标准物质GBW（E）120001～GBW（E）120008（粒径1.95～75μm），采用显微镜、库尔特微粒计和图像分析仪分析测量方法定值，现已停售。中国石油大学重质油国家重点实验室、中国计量科学研究院、中国科学院、核工业北京化工冶金研究院和海岸鸿蒙标准物质公司研制了多种纳米/亚微米/微米级粒度标准物质。粒度标准物质可溯源至我国长度基准，为建立并维护我国粒度测量溯源及传递体系、满足粒度仪检定校准需求提供了支撑。[2]我国金纳米粒度标准物质和二氧化铈微球粒度微球标准物质见表1。目前，我国的粒度标准物质的尺寸范围在60nm～100μm之间，60nm以下的国家粒度标准物质还相对较少。

4 纳米/微米材料液相生产连续流微反应系统

连续流微反应系统目前处于世界上最前沿的研究领域。其基本思想是令化学反应发生在一个小的区域。一般反应器体积为几立方厘米，最多几十立方厘米。由于其体积小的特点，反应参数更容易得到控制和分析。由于其单位时间内流过的液体体积较小，反应温度和压力可以向更有利于反应进行的方向提高，发生意外的情况下危害小，同时安全设计相较于间歇釜式反应系统简单易行。针对纳米/微米晶体生长需要的高温高压反应，反应时间可以由几天缩短至几分钟甚至几秒钟。其对反应速度的提升优势是惊人的。连续流微反应的工程放大相较于间歇釜式反应器要容易很多，最主要的是要控制平行反应的出口和入口条件的一致性。虽然目前该反应属于世界前沿，尚处于学术研究阶段，但是像每种有工业化潜力和需求的新技术的产生一样，连续流微反应系统是高温高压生产纳米/微米颗粒发展的必然趋势。连续流反应系统的研发和设计要遵循几个原则，首先要保证选材的安全性，要着眼于反应系统的体积（管径），温度，压力和溶剂特点（是否腐蚀等等）。其次要考虑晶体颗粒的生长和沉积，保证系统内无堵塞和堆积。再次要根据流体的特点计算设计流速，保证颗粒可以顺利被带出。最后关于反应器外的附属设计，例如泵，预热器，冷却器的选择要根据实际需求计算得出。

5 纳米材料发展趋势

接下来的几十年内，纳米材料便会逐渐运用于各个科学技术行业，并深刻影响着社会大众生产与生活观念，有力地提高生产力，促使经济社会可持续健康发展。

5.1 环境和能源

凭借纳米材料研发绿色能源与环境处理技术，控制污染，修复已经被破坏的环境;研究开发控制1nm的纳米孔材料，将其运用到催化剂中，对孔污染现象进行有效清理。

5.2 医学和生物领域

纳米材料运用于药物化学物质的数量成倍增加，研究出50～100nm尺寸的纳米颗粒有效治疗肿瘤部位，由于较大粒子难以穿过肿瘤上的各种小孔，纳米颗粒便可顺利融入到肿瘤内部，促使药物发挥最大功效;当癌症只有很少癌细胞时，借助纳米技术便可准确检出。

5.3 微电子和计算机

采取纳米结构的微处理器效率增加100万倍，且拥有兆比特的存储器，研究开发出量子计算机和光子计算机。

5.4 照明系统

对于发光二极管的半导体的制作，逐渐在纳米尺寸范围内完成，如此制作出的发光二极管的效率同目前可见光谱上白炽光相似，再凭借其低发热性、耐用性及精致小巧等优势广泛运用于汽车照明、展览、指示器中。[3]

6 结语

综上所述，随着社会需求的提升和现代科学技术的进步，社会对纳米/微米新型功能材料的需求也不断增长。在纳米/微米材料的不同制备方法和反应系统中，新型的液相连续流微反应过程具有非常广阔的发展空间。当前，新型反应过程有待进一步的研发和生产规模的放大，这些都需要科研工作者和工业界进行紧密合作，针对于材料的需求和化工生产反应的特点进行设计，验证和改良，有力推进纳米/微米新型功能材料的应用，造福社会。

参考文献：

[1]卢敬叁，朱虹.纳米计量技术的应用及其发展[J].工业计量，2003（6）：53-54.

[2]刘忍肖，高洁，葛广路.我国纳米标准样品研究进展[J].中国标准化，2012（10）：80-84.

[3]董鹏，陈胜利，赵俊颖，等.国内外亚微米/纳米级粒度标准物质现状[J].中国粉体技术，2007（5）：47-50.