第五部分——超臨界流體技術(shù)用于材料加工和制備

1、一百多年前的Hannay和Hogarth在首次報(bào)道固體溶解在SCF時(shí)就觀察到，當(dāng)SCF的壓力升高時(shí)，無機(jī)鹽如氯化鈷、碘化鉀等溶解在超臨界乙醇中，當(dāng)壓力降低時(shí)，物質(zhì)析出象“雪花”一樣。這就是當(dāng)時(shí)觀察到的均相成核結(jié)晶過程。1959年，Klgin和Weistock首次指出超臨界乙烯將有機(jī)物水溶液分離成水相和有機(jī)相，被稱作“超臨界流體鹽析”。1981年，Krukoni首次指出超臨界流體鹽析結(jié)晶將成為一種處理不易粉碎的有機(jī)物的新方法。并在這方面做了大量的工作。大量物質(zhì)如淄族化合物，染料和聚合物在超臨界流體中重結(jié)晶于83年和84年均有報(bào)導(dǎo)。 5.1 5.1 超臨界流體沉析制備納微顆粒材料超臨界流體沉析制備

2、納微顆粒材料兩個(gè)過程兩個(gè)過程 根據(jù)重結(jié)晶過程SCF作用的不同，超臨界流體沉析制備微細(xì)顆粒過程分為二種過程：（1）超臨界流體作萃取劑萃取，然后快速膨脹超臨界流體溶液過程（Rapid Expandion of Supercritical Solution,簡稱RESS過程）。此過程適用于物質(zhì)能直接溶解于SCF的體系。 （2）超臨界流體作稀釋劑（抗溶劑）重結(jié)晶過程（Gas Antisolvent Recrystallization，簡稱GAS重結(jié)晶過程）。此過程借助于第二種溶劑溶解物質(zhì)，適用于不溶于SCF體系物質(zhì)的重結(jié)晶。超臨界流體沉析過程與傳統(tǒng)方法比較最大的區(qū)別是產(chǎn)生過產(chǎn)生過飽和度的方法不同飽和度

3、的方法不同，后者利用溫度而前者則利用壓力，從而形成自己的特色。（1）快速傳遞擾動和高過飽和度結(jié)合是RESS過程的特點(diǎn)，前者導(dǎo)致介質(zhì)中組分均一，以形成顆粒尺寸分布窄的顆粒；后者導(dǎo)致顆粒微細(xì)化。（2）膨脹度（過飽和度）易于控制是GAS過程的特點(diǎn)之一。GAS過程適用于某些在SCF中難溶或不溶物系的顆粒微細(xì)化、均勻化或提純結(jié)晶等不同要求。（3）快速膨脹。超臨界流體沉析可在較短的時(shí)間內(nèi)完成溶液膨脹、溶質(zhì)沉析和溶劑分離等過程，因而可使某些物系的顆粒中心來不及增長而形成“非平衡態(tài)顆?！?，也可形成緊密結(jié)合的混合物細(xì)顆粒。 （4）由于在近常溫條件下進(jìn)行（例如選樣臨界溫度接近常溫的CO2作膨脹劑），因此超臨界流體

4、重結(jié)晶過程常用于熱敏性、氧化性、怕碰撞物系的顆粒微細(xì)化等。超臨界流體沉析超臨界流體沉析(重結(jié)晶重結(jié)晶)過程的特點(diǎn)過程的特點(diǎn)5.1.1.1 RESS5.1.1.1 RESS過程原理過程原理 RESS過程是在SCF用于萃取劑分離的基礎(chǔ)上的拓展。SCF萃取結(jié)合了液液萃?。ㄎ镔|(zhì)溶解度的差異）和蒸餾（物質(zhì)揮發(fā)度的差異）的特點(diǎn)，因此不同的溫度和壓力將影響物質(zhì)在SCF中的溶解度。一般情況下，非揮發(fā)性物質(zhì)在SCF中的溶解度比在相同溫度、壓力下的理想狀態(tài)氣體中的溶解度大幾個(gè)到幾十個(gè)數(shù)量級，因此當(dāng)溶有非揮發(fā)性物質(zhì)的SCF通過特定的方法在極短時(shí)間內(nèi) （10-810-5秒）快速膨脹至常壓甚至真空時(shí)，由于壓力的變化導(dǎo)致

5、了流體溶解能力的巨大變化而形成很大的過飽和度，物質(zhì)很快沉析。根據(jù)SCF中溶質(zhì)的濃度、預(yù)膨脹溫度、膨脹后的溫度、壓力、噴嘴結(jié)構(gòu)等條件的變化，便可按照不同的要求控制沉析物的形態(tài)、顆粒大小和粒度分布范圍等。5.1.1 RESS過程過程BZCaSmak E V NRTSexp() (ln )16332325.1.1.2 RESS5.1.1.2 RESS過程設(shè)備過程設(shè)備RESSRESSGASGAS結(jié)合結(jié)合RESSRESS影響因素影響因素（1）壓力、溫度影響過程的初始濃度或最終平衡濃度；（2）溶液膨脹速率。影響晶型、晶體增長和顆粒大小及分布；（3）噴嘴結(jié)構(gòu)。L/D越大，沉析的顆粒越細(xì)，L/D減小時(shí)，沉析的

6、產(chǎn)品其縱橫比增加而形成細(xì)絲狀。噴嘴孔徑大，形成的細(xì)絲直徑亦越大；（4）溶質(zhì)組分。如RESS過程中，硅不易形成附聚塊，但當(dāng)加入KI時(shí)，就形成高度附聚的產(chǎn)品。又如把胡蘿卜素的SCF乙烯直接膨脹至凝膠時(shí)制備的顆粒比膨脹至大氣中制備的顆粒更細(xì)，由1 m下降到0.3 m。 當(dāng)SCF與溶劑接觸時(shí)由于溶劑對SCF的吸收溶解而使其體積稀釋膨脹，從而改變?nèi)軇┑娜芙饽芰?。若溶有非揮發(fā)性固體的溶液中引入SCF后，因溶液體積膨脹而改變?nèi)軇┡c溶質(zhì)的作用力，降低溶劑的溶解力，使溶質(zhì)形成過飽和溶液而沉淀析出。通過過濾或SCF攜帶溶劑使固體顆粒與溶劑分離。在溫度相同的條件下，壓力越高，溶劑的膨脹程度越大，甚至變?yōu)閱蜗?。溫度?/p>

7、高，要達(dá)到相同膨脹度的所需的壓力增高。當(dāng)壓力、溫度、溶液初始濃度、溶液膨脹程度及SCF的引入速率等條件改變時(shí)，會引起過飽和度和產(chǎn)生過飽和度速率的變化，從而影響成核速率和晶核增長以控制沉析物質(zhì)的顆粒大小、粒度分布等不同要求。 5.1.2 GASS過程過程5.1.2.1 GASS過程原理過程原理過飽和度是成核析晶的推動力，晶體的生成需經(jīng)歷以下步驟： 在一定的過飽和條件下形成晶體所需要的總能量增加，用功函數(shù)值可表示為：=EsAc()mc = AcEs(mc/Ac)*().式中：EsAc為晶體的總表面能；()為恒溫、恒壓時(shí)構(gòu)筑晶體所需要的能量；mc為晶體所含的分子數(shù)。 把mc=Vc/Vm，Ac=KaL

8、2，Vc=LAc/6代入式得：=KaL2Es(LAc/6)*()由式、得：BZCaSmak E V NRTSexp() (ln )1633232式為成核速率與溶液過飽和度之間的關(guān)系式，由式可知對成核速率的影響最大的是位于指數(shù)項(xiàng)中的 LnS 項(xiàng)。2)ln(32316SRTmVsEaknBZZCnBCnaK TNRTexp()exp()根據(jù)化學(xué)動力學(xué)理論，成核速率為： 溶液含有過飽和量的溶質(zhì)，稱為過飽和溶液。在適當(dāng)條件下，人們可以相當(dāng)容易地制備過飽和溶液，這些條件為：溶液要純潔，未被雜質(zhì)或灰塵污染；溶液降溫時(shí)要緩慢；不使溶液受到攪拌、震蕩、超聲波等的擾動或刺激。溶液可以降低到飽和溫度以下不結(jié)晶。溶

9、液的過飽和度與結(jié)晶關(guān)系如圖所示。圖中 AB 線為普通的溶解度曲線，CD 線代表溶液過飽和而能自發(fā)地產(chǎn)生晶核的濃度曲線（超溶解度曲線） ，它與溶解度曲線大致平行。這兩根曲線將濃度-溫度圖分割成三個(gè)區(qū)域。在 AB 曲線以下為穩(wěn)定區(qū)，在此區(qū)中溶液尚未達(dá)到飽和，因此沒有結(jié)晶產(chǎn)生的可能。AB 線以上為過飽和溶液區(qū)，此區(qū)又分為兩個(gè)部分；在 AB 與 CD 線之間稱為介穩(wěn)區(qū)，在這個(gè)區(qū)域中，不會自發(fā)地產(chǎn)生晶核，但如果溶液中已有晶種，這些晶種就會長大。CD 線以上為不穩(wěn)區(qū)，在此區(qū)域中，溶液能自發(fā)地產(chǎn)生晶核。P / MPa C / mmol.L-1-100102030405060708002468100),(),

10、(),(%)oopTVpTVpTVVGASGAS過程影響因素過程影響因素（1） 壓力、溫度。影響溶液膨脹程度（2）溶液初始濃度。影響GAS過程成核壓力閾值（閾值是指出現(xiàn)某一現(xiàn)象的臨界值或點(diǎn)，初始濃度愈大，溶液愈接近飽和值，與之濃度就愈低）。（3）溶液膨脹速率。影響成核和顆粒增長聚己酸內(nèi)酯CHCLF310020.7110粉末聚己酸內(nèi)酯CHCLF310013.8110纖維聚己酸內(nèi)酯CHCLF310013.8145球形聚丁二酸乙烯酯CO24027.6805m 球形聚丁二酸乙烯酯CO24041.4805m 球形醋酸纖維素戊烷22517230直徑 0.8m 纖維聚乳酸CO2552082410m 球形或顆

11、粒聚乳酸CO2+丙酮55201001025m 顆粒聚乳酸CO2+丙酮5511.412010m 球形和顆粒聚乳酸CHCLF3551883220m 球形和顆粒聚乙醇酸CO25520821040m 橢圓形或針狀乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯CHCLF37510.7110纖維乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯CHCLF37517.2110粉末乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯CHCLF310017.2130纖維聚甲酸CO265322.58.1m 顆粒菲CO265281.66.6m 顆粒續(xù)表續(xù)表SiO2H2O260584501.0m 膜SiO2H2O300594700.10,5m 球形GeO2H2O25584750.5m 附聚塊GeO

12、2H2O25584450.51.3m 球形SiO2-KIH2O3855850020m 附聚塊ZrO(NO3)2乙醇17.53750.1m 顆粒-AL2O3H2O50030膜萘CO24522.11353050m 顆粒胡羅卜素乙烯70301m 顆粒聚苯乙烯-甲苯CO22513.4蜘蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聚苯乙烯-甲苯CO23016.4松軟的粉末聚苯乙烯-甲苯CO23519.41050m 附聚塊聚苯乙烯-甲苯CO2408.2膜聚苯乙烯-甲苯CO24022.51050m 附聚塊三次甲基三硝基胺-丙酮CO25015.920m三次甲基三硝基胺-丙酮CO26015.910m膽紅素-DMSOCO260251/0.5m 顆

13、粒胰島素-DMSOCO2358.614m 顆粒1、 a 表示試驗(yàn)時(shí)沒用高壓釜表示試驗(yàn)時(shí)沒用高壓釜2、 b 表示試驗(yàn)時(shí)改變噴嘴孔徑表示試驗(yàn)時(shí)改變噴嘴孔徑續(xù)表續(xù)表1. 含能材料顆粒納微化。提高爆速、能量釋放瞬間密度、溫度2. 含能材料怕撞擊和怕摩擦。顆粒微細(xì)化方法受限3. HMX、RDX等材料在超臨界CO2中的溶解度非常小，即使加入少量的夾帶劑對溶解度的影響也非常有限，故一般采用抗溶劑方法進(jìn)行。HMX的特點(diǎn)：分子量296.2；高能量；有四種晶型、其中型HMX最穩(wěn)定：耐熱，機(jī)械感度小應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例1 1 制備制備HMXHMX微細(xì)顆粒微細(xì)顆粒CH2NCH2NNNO2CH2NO2CH2NO2NNO2曲

14、線特點(diǎn)：1、HMX 溶液在極短的時(shí)間內(nèi)濃度發(fā)生巨大變化。在相同的壓力條件下，溫度增加，平衡濃度相應(yīng)有所提高。2、在前幾分鐘內(nèi)，溶液中 HMX 的含量迅速下降。如曲線 6，在 1 分鐘內(nèi)，溶質(zhì)HMX 的量小于原含量的四分之一。在 10分鐘后， 溶液中 HMX的量變化很小。HMXHMX丙酮溶液濃度膨脹丙酮溶液濃度膨脹GASGAS過程過程HMXHMX顆粒形態(tài)控制顆粒形態(tài)控制HMX 顆粒HMXHMX納微顆粒納微顆粒HMXHMX顆粒形態(tài)顆粒形態(tài)應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例2 2 洛瓦他汀的包裹洛瓦他汀的包裹應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例3 3 微膠囊化微膠囊化兩相流（兩相流（RESSRESS結(jié)合結(jié)合GASGAS）霧化包埋示意）霧

15、化包埋示意殼聚糖顆粒形貌包含香蘭素殼聚糖顆粒 包含薰衣草殼聚糖顆粒123456789時(shí)間,min2 天3周1個(gè)月4個(gè)月020040060080010001200時(shí)間,sec2周 5周7周5個(gè)月6個(gè)月藥物顆粒納微化。提高溶解速度、提高藥物利用 改變固型、物性 納微顆粒制劑。控制顆粒尺寸、結(jié)構(gòu)等，提供不同給藥途徑 硝苯地平 PCL：硝苯地平=2:1硝苯地平硝苯地平顆粒形貌顆粒形貌PCL：硝苯地平=1:9020406080100120024681012141618202224 硝苯 地平原料X/gX/gmLmL-1-1t/min 硝苯 地平納微顆粒 PCL-硝苯 地平納微顆粒 硝苯地平顆粒形貌與溶解

16、應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例6 6 超臨界流體重結(jié)晶提純膽紅素和微細(xì)化超臨界流體重結(jié)晶提純膽紅素和微細(xì)化 超臨界流體脫溶劑干燥的特點(diǎn)超臨界流體脫溶劑干燥的特點(diǎn) 溶膠溶膠- -凝膠法（凝膠法（Sol-gelSol-gel）、脫溶劑制備。凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)）、脫溶劑制備。凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)充滿著溶劑。構(gòu)充滿著溶劑。傳統(tǒng)的干燥方法：溶劑揮發(fā)時(shí)在凝膠網(wǎng)絡(luò)的毛細(xì)管內(nèi)形成彎傳統(tǒng)的干燥方法：溶劑揮發(fā)時(shí)在凝膠網(wǎng)絡(luò)的毛細(xì)管內(nèi)形成彎曲液面，產(chǎn)生附加壓力，使粒子相互擠壓、集聚，從而使得曲液面，產(chǎn)生附加壓力，使粒子相互擠壓、集聚，從而使得原有的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)塌陷。傳統(tǒng)的方法很難阻止凝膠的收縮原有的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)塌陷。傳統(tǒng)的方法很難阻止凝膠的收縮和

17、破裂。在宏觀上表現(xiàn)為原有的基礎(chǔ)粒子變大、空隙大量減和破裂。在宏觀上表現(xiàn)為原有的基礎(chǔ)粒子變大、空隙大量減少、比表面積大幅下降。少、比表面積大幅下降。超臨界流體干燥方法：由于超臨界流體能與溶劑混溶，無氣超臨界流體干燥方法：由于超臨界流體能與溶劑混溶，無氣液界面，無表面張力。在離開凝膠界面時(shí)無相變，因此制備液界面，無表面張力。在離開凝膠界面時(shí)無相變，因此制備的凝膠微結(jié)構(gòu)無塌陷。在宏觀上比表面大、納米微孔分布均的凝膠微結(jié)構(gòu)無塌陷。在宏觀上比表面大、納米微孔分布均勻、大孔容的氣凝膠。勻、大孔容的氣凝膠。氣凝膠的特點(diǎn)及應(yīng)用氣凝膠的特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)特點(diǎn)（1）重量超輕。像）重量超輕。像“凍結(jié)的煙凍結(jié)的煙”，體密

18、度在，體密度在0.003-0.500 g/cm-3范圍內(nèi)可調(diào)。范圍內(nèi)可調(diào)。 （例（例如密度小于如密度小于3kg/每立方米，不到空氣密度（每立方米，不到空氣密度（0.0129 g/cm-3）的）的2.5倍；干燥的倍；干燥的松木松木密度（密度（500千克每立方米）是它的千克每立方米）是它的150余倍余倍 ）。最高紀(jì)錄每立方厘米）。最高紀(jì)錄每立方厘米3毫克毫克 。（2）優(yōu)異的隔熱性能。氣凝膠中）優(yōu)異的隔熱性能。氣凝膠中80%以上是以上是空氣空氣（最高記錄（最高記錄99.8%），所以有非常），所以有非常好的隔熱效果，一寸厚的氣凝膠相當(dāng)好的隔熱效果，一寸厚的氣凝膠相當(dāng)39塊普通塊普通玻璃玻璃的隔熱功能。即使把氣凝膠放在的隔熱功能。即使把氣凝膠放在玫瑰與火焰之間，玫瑰也會絲毫無損。玫瑰與火焰之間，玫瑰也會絲毫無損。（3）低折射、高透光。）低折射、高透光。（4）堅(jiān)韌耐用?？梢猿惺芟喈?dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力）堅(jiān)韌耐用?？梢猿惺芟喈?dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力 應(yīng)用應(yīng)用 （1）航天。耐熱（硅凝膠可經(jīng)受）航天。耐熱（硅凝膠可經(jīng)受1400度）；隔熱材料（摻碳?xì)舛龋?；隔熱材料（摻碳?xì)?凝膠的熱導(dǎo)率可低達(dá)凝