真空冷凍干燥法制備無(wú)機(jī)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(dāng)今材料科學(xué)領(lǐng)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(xué)成分純、粒子間無(wú)硬團(tuán)聚、分散性好等特點(diǎn)，而受到關(guān)注。無(wú)機(jī)功能納米粉體材料具有優(yōu)秀的物理、化學(xué)等方面的特殊功能，作為高技術(shù)、高性能、高產(chǎn)值、高效益產(chǎn)品，而成為眾多科研人員競(jìng)相研究開(kāi)發(fā)的對(duì)象。所以本文選擇采用真空冷凍干燥法制備無(wú)機(jī)功能納米粉體作為研究主題。 本文以制備高品質(zhì)無(wú)機(jī)功能納米粉體為目標(biāo)，從理論和實(shí)驗(yàn)

2、兩方面開(kāi)展了溶液冷凍干燥法制備納米粉體技術(shù)研究。文中對(duì)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(jié)和凍結(jié)物冷凍干燥進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索和詳細(xì)的理論分析。 文中總結(jié)了溶液冷凍干燥法制備納米粉體所使用的前驅(qū)體應(yīng)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(duì)以氨絡(luò)合物為前驅(qū)體制備納米粉體的所需工藝條件進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)

3、驗(yàn)證。文中還通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(luò)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(wú)機(jī)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(guò)程中涉及到的化學(xué)反應(yīng)原理。 對(duì)所制備的各種粉體進(jìn)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(cè)，對(duì)銀納米粉體還進(jìn)行了細(xì)菌滅活

4、實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。結(jié)果表明：所制備的粉體是顆粒細(xì)小、粒徑均勻、團(tuán)聚少、化學(xué)成分準(zhǔn)確而純凈的納米級(jí)粉體。 在實(shí)驗(yàn)中采用了適合于制備納米粉體的前驅(qū)體溶液凍結(jié)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(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論了前驅(qū)體溶液濃度、三種凍結(jié)方式等工藝條件對(duì)所制備粉體的顆粒尺度與分散程度等品質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，冷凍干燥法所制備的納米粉體都是非晶體。 在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，深入分析了溶液凍結(jié)階段和冷凍干燥階段的相變熱力學(xué)過(guò)程與

5、相變機(jī)制；針對(duì)溶質(zhì)離析問(wèn)題開(kāi)展了傳質(zhì)理論研究，提出溶液凍結(jié)速率是影響造粒過(guò)程的最主要因素；依據(jù)熱質(zhì)傳遞理論，對(duì)三種冷凍方式分別建立了數(shù)學(xué)模型，求解得到了冰界移動(dòng)速率、完成凍結(jié)所需時(shí)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(dòng)速率大于溶質(zhì)的臨界擴(kuò)散速率，計(jì)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(guò)程的熱力學(xué)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(shí)驗(yàn)研究；建模計(jì)算了真空蒸發(fā)冷

6、凍過(guò)程中溶液的質(zhì)量和溫度變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及凍結(jié)過(guò)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(guān)系；給出了控制溶液爆沸的量化條件。 結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察現(xiàn)象，對(duì)稀溶液凍結(jié)物冷凍干燥過(guò)程中的特殊傳熱傳質(zhì)模式進(jìn)行了分析，認(rèn)為已干粉體對(duì)傳熱傳質(zhì)的阻力作用與其他種類(lèi)物料有明顯區(qū)別，并依此完成了針對(duì)凍結(jié)層的傳熱計(jì)算。 開(kāi)展了溶液冷凍干燥法制粉技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的探索，計(jì)算得到了大型冷凍干燥機(jī)內(nèi)部水蒸氣壓力分布規(guī)律；提出通過(guò)合理布