“超重力+”法可控制备透明纳米分散体及应用
发布时间：2021-01-05 12:30
纳米颗粒的分散是纳米材料应用的核心难题之一。新一代纳米材料——单分散纳米颗粒材料分散在溶剂中可形成具有良好透明性或明显丁达尔效应的纳米分散体,较传统纳米粉体材料更易于分散,展现出更优异的纳米效应及应用性能,是国际前沿研究方向。其中,低成本规模化可控制备高固含量、高稳定、高透明的纳米分散体仍面临巨大挑战。针对此问题,本文作者课题组面向终端工程应用需求,提出基于颗粒表面主动设计和修饰调控表面特性,利用超重力强化分子混合结晶过程的方法,有机耦合表面改性-分离过程,率先提出了超重力反应结晶-改性分离耦合的新方法,即"超重力+"法制备透明纳米分散体。本文总结了近年来本文作者课题组在透明纳米分散体"超重力+"法可控制备与应用方面的成果,并对下一步研究方向进行了展望。
【文章来源】：化工进展. 2020年12期 北大核心
【文章页数】：19 页
【部分图文】：
反应两大类型tM与tR的关系
图1 反应两大类型tM与tR的关系近年来，本文作者课题组研究发现，超重力技术作为一种强化分子混合和传质过程的技术手段，可实现液相反应结晶沉淀过程的强化，进而获得尺寸小且分布窄的纳米颗粒。所谓超重力指的是在比地球重力加速度（9.8m/s2）大得多的环境下物质所受到的力。超重力技术通常可通过旋转填充床（rotating packed bed,RPB）产生的离心力来实现。在超重力环境下，不同大小分子间的分子扩散和相间传质过程均比常规重力场下的要快得多，高速旋转的多孔填料产生的巨大剪切力将液体撕裂成微米至纳米级的膜、丝和液滴，从而产生巨大和快速更新的相界面，分子混合和传质过程由此得到极大强化，分子混合特征时间可达到0.1ms甚至更小，小于分子本征反应时间（或成核诱导期时间），颗粒成核生长过程在微观均匀的理想环境中进行，非常适合于制备粒径小且分布窄的纳米颗粒[11-13]。
“超重力+”一步法即超重力反应原位改性分离法，是指在纳米颗粒的制备过程中，将表面活性剂与反应原料同时加入含油和水两种完全不互溶的体系中，在超重力环境中形成微乳液体系，反应成核过程在内核相进行，生成的纳米颗粒迅速被另一相中的表面改性剂包覆，进而实现改性转相，去除内核相后即形成纳米分散体。此方法实现了纳米颗粒制备和改性过程的同时进行。图3是以纳米碳酸钙（Ca CO3）分散体为例的“超重力+”一步法制备原理。将Ca(OH)2、微量水和磺酸盐类表面改性剂加入油相介质中，在超重力强化分子混合和传质过程的作用下，形成W/O的微乳液，同时通入CO2气体。反应在水相中进行，生成的纳米Ca CO3颗粒被油相中的表面活性剂包覆，原位萃取转移至油相介质中，再经分离后，形成纳米Ca CO3油相分散体[14-16]。纳米Ca CO3油相分散体作为一种油品清洁剂，Ca CO3为无定形，颗粒小，可良好分散于油中。碱值是鉴别油品清洁剂性能的关键参数，其高低主要取决于清洁剂中碱性组分的含量。研究发现，通过调变水的添加量、超重力水平、进料流速和比例、反应温度等因素，可调控纳米颗粒成核、生长与分散以及原位改性分离环境，从而实现对透明纳米分散体颗粒尺寸和分布、分散性、固含量等的可控。图4为添加不同水量的分散体TEM图以及水的添加量对产品碱值、钙含量的影响。由图可知，随着水添加量从0增加到3g时，纳米Ca CO3的平均粒径明显增加，由6.4nm增至10.3nm，但不添加水时，纳米Ca CO3的分散性相对较差，因此，较优的水添加量为1～2g。此外，随着水添加量的增加，分散体的碱值和钙含量先增加后下降；当水量为1.5g时，碱值最高，可达416mg KOH/g[15]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Transparent flexible ZnO/MWCNTs/PBMA ternary nanocomposite film with enhanced mechanical properties[J]. Xingwei Han,Xiaofei Zeng,Jiexin Wang,Dejia Kong,N.R.Foster,Jianfeng Chen. Science China（Chemistry）. 2016(08)
[2]纳米颗粒透明分散体及其高性能有机无机复合材料[J]. 曾晓飞,王琦安,王洁欣,沈志刚,陈建峰. 中国科学:化学. 2013(06)
[3]A Novel Route to Prepare Nanocomposites in Larger Scale[J]. Wei WU, Lailong LUO Guangwen CHU, Shengjun BAI, Haikui ZOU and Jianfeng CHEN Key Lab for Nanomaterials, Ministry of Education, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China Research Center of the Ministry of Education for High Gravity Engineering and Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China Petrochemical Research Institute of PetroChina Karamay Petrochemical Company, Xinjiang Karamay, Xinjiang 834000, China. Journal of Materials Science & Technology. 2007(03)
[4]纳米材料的表面修饰与应用[J]. 张万忠,乔学亮,陈建国,王洪水. 化工进展. 2004(10)
博士论文
[1]氢氧化镁透明分散体及其聚合物基阻燃材料的制备和性能研究[D]. 王淼.北京化工大学 2016
本文编号：2958667
【文章来源】：化工进展. 2020年12期 北大核心
【文章页数】：19 页
【部分图文】：
反应两大类型tM与tR的关系
图1 反应两大类型tM与tR的关系近年来，本文作者课题组研究发现，超重力技术作为一种强化分子混合和传质过程的技术手段，可实现液相反应结晶沉淀过程的强化，进而获得尺寸小且分布窄的纳米颗粒。所谓超重力指的是在比地球重力加速度（9.8m/s2）大得多的环境下物质所受到的力。超重力技术通常可通过旋转填充床（rotating packed bed,RPB）产生的离心力来实现。在超重力环境下，不同大小分子间的分子扩散和相间传质过程均比常规重力场下的要快得多，高速旋转的多孔填料产生的巨大剪切力将液体撕裂成微米至纳米级的膜、丝和液滴，从而产生巨大和快速更新的相界面，分子混合和传质过程由此得到极大强化，分子混合特征时间可达到0.1ms甚至更小，小于分子本征反应时间（或成核诱导期时间），颗粒成核生长过程在微观均匀的理想环境中进行，非常适合于制备粒径小且分布窄的纳米颗粒[11-13]。
“超重力+”一步法即超重力反应原位改性分离法，是指在纳米颗粒的制备过程中，将表面活性剂与反应原料同时加入含油和水两种完全不互溶的体系中，在超重力环境中形成微乳液体系，反应成核过程在内核相进行，生成的纳米颗粒迅速被另一相中的表面改性剂包覆，进而实现改性转相，去除内核相后即形成纳米分散体。此方法实现了纳米颗粒制备和改性过程的同时进行。图3是以纳米碳酸钙（Ca CO3）分散体为例的“超重力+”一步法制备原理。将Ca(OH)2、微量水和磺酸盐类表面改性剂加入油相介质中，在超重力强化分子混合和传质过程的作用下，形成W/O的微乳液，同时通入CO2气体。反应在水相中进行，生成的纳米Ca CO3颗粒被油相中的表面活性剂包覆，原位萃取转移至油相介质中，再经分离后，形成纳米Ca CO3油相分散体[14-16]。纳米Ca CO3油相分散体作为一种油品清洁剂，Ca CO3为无定形，颗粒小，可良好分散于油中。碱值是鉴别油品清洁剂性能的关键参数，其高低主要取决于清洁剂中碱性组分的含量。研究发现，通过调变水的添加量、超重力水平、进料流速和比例、反应温度等因素，可调控纳米颗粒成核、生长与分散以及原位改性分离环境，从而实现对透明纳米分散体颗粒尺寸和分布、分散性、固含量等的可控。图4为添加不同水量的分散体TEM图以及水的添加量对产品碱值、钙含量的影响。由图可知，随着水添加量从0增加到3g时，纳米Ca CO3的平均粒径明显增加，由6.4nm增至10.3nm，但不添加水时，纳米Ca CO3的分散性相对较差，因此，较优的水添加量为1～2g。此外，随着水添加量的增加，分散体的碱值和钙含量先增加后下降；当水量为1.5g时，碱值最高，可达416mg KOH/g[15]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Transparent flexible ZnO/MWCNTs/PBMA ternary nanocomposite film with enhanced mechanical properties[J]. Xingwei Han,Xiaofei Zeng,Jiexin Wang,Dejia Kong,N.R.Foster,Jianfeng Chen. Science China（Chemistry）. 2016(08)
[2]纳米颗粒透明分散体及其高性能有机无机复合材料[J]. 曾晓飞,王琦安,王洁欣,沈志刚,陈建峰. 中国科学:化学. 2013(06)
[3]A Novel Route to Prepare Nanocomposites in Larger Scale[J]. Wei WU, Lailong LUO Guangwen CHU, Shengjun BAI, Haikui ZOU and Jianfeng CHEN Key Lab for Nanomaterials, Ministry of Education, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China Research Center of the Ministry of Education for High Gravity Engineering and Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China Petrochemical Research Institute of PetroChina Karamay Petrochemical Company, Xinjiang Karamay, Xinjiang 834000, China. Journal of Materials Science & Technology. 2007(03)
[4]纳米材料的表面修饰与应用[J]. 张万忠,乔学亮,陈建国,王洪水. 化工进展. 2004(10)
博士论文
[1]氢氧化镁透明分散体及其聚合物基阻燃材料的制备和性能研究[D]. 王淼.北京化工大学 2016
本文编号：2958667
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