真空冷凍干燥法制備無機功能納米粉體的研究.pdf

1、真空冷凍干燥法制備納米粉體是當今材料科學領域的前沿性課題之一，因其所制得的粉體具有微粒形狀規(guī)則、粒徑小而均勻、粒度分布窄、化學成分純、粒子間無硬團聚、分散性好等特點，而受到關注。無機功能納米粉體材料具有優(yōu)秀的物理、化學等方面的特殊功能，作為高技術、高性能、高產(chǎn)值、高效益產(chǎn)品，而成為眾多科研人員競相研究開發(fā)的對象。所以本文選擇采用真空冷凍干燥法制備無機功能納米粉體作為研究主題。 本文以制備高品質(zhì)無機功能納米粉體為目標，從理論和實驗

2、兩方面開展了溶液冷凍干燥法制備納米粉體技術研究。文中對溶液冷凍干燥制備納米粉體的重要步驟：前驅(qū)體溶液制取、溶液凍結和凍結物冷凍干燥進行了實驗探索和詳細的理論分析。 文中總結了溶液冷凍干燥法制備納米粉體所使用的前驅(qū)體應具有的性能，從保證所制備粉體的品質(zhì)、降低成本以及防止產(chǎn)生污染等角度出發(fā)，為所制備的氧化鋁、氫氧化鎳、氫氧化銅、氧化銅和銀納米粉體確定了理想的前驅(qū)體，并對以氨絡合物為前驅(qū)體制備納米粉體的所需工藝條件進行了理論計算和實驗

3、驗證。文中還通過實驗摸索出用于冷凍干燥制備納米粉體的合適的前驅(qū)體溶液濃度，進而提出了選擇前驅(qū)體的原則。 文中選擇次醋酸鋁和金屬氨絡合物為前驅(qū)體，采用冷凍干燥法制備出了氧化鋁、氫氧化鎳、氫氧化銅、氧化銅和銀等無機功能納米粉體材料，給出了制備粉體的具體操作方法、工藝參數(shù)和制備過程中涉及到的化學反應原理。 對所制備的各種粉體進行了X射線衍射分析、X射線能譜分析、差熱和熱重分析以及電鏡觀察等性能檢測，對銀納米粉體還進行了細菌滅活

4、實驗檢測。結果表明：所制備的粉體是顆粒細小、粒徑均勻、團聚少、化學成分準確而純凈的納米級粉體。 在實驗中采用了適合于制備納米粉體的前驅(qū)體溶液凍結的三種冷凍方式，即直接冷凍、真空蒸發(fā)冷凍和噴霧冷凍。結合實驗結果，討論了前驅(qū)體溶液濃度、三種凍結方式等工藝條件對所制備粉體的顆粒尺度與分散程度等品質(zhì)的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，冷凍干燥法所制備的納米粉體都是非晶體。 在實驗研究的基礎上，深入分析了溶液凍結階段和冷凍干燥階段的相變熱力學過程與

5、相變機制；針對溶質(zhì)離析問題開展了傳質(zhì)理論研究，提出溶液凍結速率是影響造粒過程的最主要因素；依據(jù)熱質(zhì)傳遞理論，對三種冷凍方式分別建立了數(shù)學模型，求解得到了冰界移動速率、完成凍結所需時間等重要工藝數(shù)據(jù)；確定了溶質(zhì)不離析的條件是：冰界面移動速率大于溶質(zhì)的臨界擴散速率，計算得到了直接冷凍方式保證溶質(zhì)不離析的溶液盛裝臨界厚度。 依據(jù)真空蒸發(fā)過程的熱力學原理，本文提出并完成了前驅(qū)體溶液的真空蒸發(fā)冷凍方法的理論與實驗研究；建模計算了真空蒸發(fā)冷

6、凍過程中溶液的質(zhì)量和溫度變化的對應關系，以及凍結過程的溶劑損失比例；得出了降溫速率與真空系統(tǒng)抽氣速率間的定量關系；給出了控制溶液爆沸的量化條件。 結合實驗觀察現(xiàn)象，對稀溶液凍結物冷凍干燥過程中的特殊傳熱傳質(zhì)模式進行了分析，認為已干粉體對傳熱傳質(zhì)的阻力作用與其他種類物料有明顯區(qū)別，并依此完成了針對凍結層的傳熱計算。 開展了溶液冷凍干燥法制粉技術工業(yè)化應用的探索，計算得到了大型冷凍干燥機內(nèi)部水蒸氣壓力分布規(guī)律；提出通過合理布