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一文了解冷冻干燥法及其在纳米粉体制备中的应用


来源:中国粉体网   三昧

[导读]  一文了解冷冻干燥法及其在纳米粉体制备中的应用。

中国粉体网讯  冷冻干燥作为粉末制备技术,由F.J.Schnettler等人在1968年首次引进到陶瓷粉末制备中,用冷冻干燥方法制备出了均匀分布的陶瓷粉体。20世纪90年代,随着纳米科技(NST)的迅速崛起,冷冻干燥法制备纳米粉体在粉体颗粒尺寸和成分均匀性方面的特点引起人们广泛关注。国内外专家学者用真空冷冻干燥法制备出了Al2O3、ZrO2、TiO2、Ba2Cu3O7-8、Ba2Ti9O20、ErBaCu3O7-8等纳米粉体。


冷冻干燥法的原理是什么?


真空冷冻干燥就是将要干燥的物料预先降温直到物料冻结,然后在低温和低压的条件下,从冻结状态不经过液态而直接升华去除水分的一种干燥方法。具体就是首先将物料液体或含湿固体冷冻到其共晶点温度以下,使物料中的液体完全冻结,然后给冻结物料提供热量,在适当的压力条件下,使冻结物料中的湿分升华为蒸汽,再将蒸汽捕集或直接排空,从而获得千燥制品的技术。


冷冻干燥法的优势是什么?


大量文献和实验研究表明,采用冷冻干燥法制备纳米粉体,具有粉体形状规则、硬团聚少、粒径小且均匀、化学纯度高、化学均匀性好、烧结温度低、可制得高密度块体陶瓷以及制备方法可靠具有可操作性,重复性好等优点。溶液冷冻干燥法可制备成分复杂的粉体材料,适合用于生产具有特殊光、电、磁、热等性能的纳米功能材料,同时特别适于制备易燃、易爆、有毒、易氧化等特殊粉体材料。为此,冷冻干燥法制备的功能纳米粉体在航天、电子、军事、生物等领域展现出广阔的应用前景。


冷冻干燥法制备纳米粉体的工艺过程


冷冻干燥法属于制备纳米粉体液相法中的溶剂蒸发法。在制备纳米粉体方面应用时,其过程可简述如下将所期望制备粉体成分的或其前驱体成分的溶液或溶胶,在低温的环境下降温冻结成固溶体或制成凝胶,再使固溶体或凝胶处于低温并且低压的环境中。由于低压条件下可使固溶体或凝胶中的溶剂成分的蒸汽压升高,可在保持冻结状态而不经过液态的前提下,使冻结物中的溶剂升华,只留下难挥发的成分,从而得到干燥的粉体,必要时再通过热处理分解制得所期望成分的纳米粉体。


所以,一般采用冷冻干燥法制备纳米粉体要经过四个步骤,即制取前驱体溶液或溶胶、前驱体溶液或溶胶的冻结、冻结物的冷冻干燥和干燥物的热处理。


冷冻干燥法制备纳米粉体的部分应用


当前,利用真空冷冻干燥技术制备纳米粉体时,根据造粒过程以及被冷冻对象形态的不同,主要分为喷雾法和沉淀法两种具体方式。


E.Bemejo利用喷雾冷冻干燥法制备了粒度为30nm-50nm的超细铁粉Fe2O3。经氩气钝化后,铁粉在空气中能稳定存在,具有优异的磁性能;Yun ChanKang用喷雾冷冻干燥法制备了Y2O3;李阳兴等以乙酸锂和乙酸钴的混合溶液为前驱体,通过喷雾干燥法制备出LiCoO2超细粉;Tachiwaki等人使用通过碳酸盐共沉淀获得的悬浮液,对其进行真空冷冻干燥得到纳米粉体,从表征结果分析,冻干粉末是细小的、多孔的和均匀的;刘军以无机盐硫酸铝为原料,首次选取次醋酸铝为前驱体,采用真空冷冻干燥法制备出纳米氧化铝。此外,刘雪姣用真空冷冻干燥法制备纳米碳酸钙粉体。


真空冷冻干燥方法制备纳米碳酸钙工艺流程(真空蒸发冻结)


 

直接冷冻法制备纳米碳酸钙


小结


经过几十年的发展,真空冷冻干燥法制备纳米粉体技术已比较成熟,也有了广泛的应用。利用冷冻干燥技术的特点,并结合不同种类的功能材料,可以极大地丰富此技术的应用,同时推动新的研究热点。与此同时需要加大研制高效节能可适用产业化生产制备纳米粉体的喷雾冷冻干燥设备等,这也是冻干法制备纳米粉体得以推广应用的关键之一。


参考资料:

彭润玲等.真空冷冻干燥法制备无机纳米粉的研究现状

刘军.真空冷冻干燥法制备无机功能纳米粉体的研究

刘雪姣.真空冷冻干燥法制备纳米碳酸钙粉体实验研究


(中国粉体网编辑整理/三昧)

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