第五部分——超临界流体技术用于材料加工和制备

1、一百多年前的Hannay和Hogarth在首次报道固体溶解在SCF时就观察到，当SCF的压力升高时，无机盐如氯化钴、碘化钾等溶解在超临界乙醇中，当压力降低时，物质析出象“雪花”一样。这就是当时观察到的均相成核结晶过程。1959年，Klgin和Weistock首次指出超临界乙烯将有机物水溶液分离成水相和有机相，被称作“超临界流体盐析”。1981年，Krukoni首次指出超临界流体盐析结晶将成为一种处理不易粉碎的有机物的新方法。并在这方面做了大量的工作。大量物质如淄族化合物，染料和聚合物在超临界流体中重结晶于83年和84年均有报导。 5.1 5.1 超临界流体沉析制备纳微颗粒材料超临界流体沉析制备

2、纳微颗粒材料两个过程两个过程 根据重结晶过程SCF作用的不同，超临界流体沉析制备微细颗粒过程分为二种过程：（1）超临界流体作萃取剂萃取，然后快速膨胀超临界流体溶液过程（Rapid Expandion of Supercritical Solution,简称RESS过程）。此过程适用于物质能直接溶解于SCF的体系。 （2）超临界流体作稀释剂（抗溶剂）重结晶过程（Gas Antisolvent Recrystallization，简称GAS重结晶过程）。此过程借助于第二种溶剂溶解物质，适用于不溶于SCF体系物质的重结晶。超临界流体沉析过程与传统方法比较最大的区别是产生过产生过饱和度的方法不同饱和度

3、的方法不同，后者利用温度而前者则利用压力，从而形成自己的特色。（1）快速传递扰动和高过饱和度结合是RESS过程的特点，前者导致介质中组分均一，以形成颗粒尺寸分布窄的颗粒；后者导致颗粒微细化。（2）膨胀度（过饱和度）易于控制是GAS过程的特点之一。GAS过程适用于某些在SCF中难溶或不溶物系的颗粒微细化、均匀化或提纯结晶等不同要求。（3）快速膨胀。超临界流体沉析可在较短的时间内完成溶液膨胀、溶质沉析和溶剂分离等过程，因而可使某些物系的颗粒中心来不及增长而形成“非平衡态颗粒”，也可形成紧密结合的混合物细颗粒。 （4）由于在近常温条件下进行（例如选样临界温度接近常温的CO2作膨胀剂），因此超临界流体

4、重结晶过程常用于热敏性、氧化性、怕碰撞物系的颗粒微细化等。超临界流体沉析超临界流体沉析(重结晶重结晶)过程的特点过程的特点5.1.1.1 RESS5.1.1.1 RESS过程原理过程原理 RESS过程是在SCF用于萃取剂分离的基础上的拓展。SCF萃取结合了液液萃取（物质溶解度的差异）和蒸馏（物质挥发度的差异）的特点，因此不同的温度和压力将影响物质在SCF中的溶解度。一般情况下，非挥发性物质在SCF中的溶解度比在相同温度、压力下的理想状态气体中的溶解度大几个到几十个数量级，因此当溶有非挥发性物质的SCF通过特定的方法在极短时间内 （10-810-5秒）快速膨胀至常压甚至真空时，由于压力的变化导致

5、了流体溶解能力的巨大变化而形成很大的过饱和度，物质很快沉析。根据SCF中溶质的浓度、预膨胀温度、膨胀后的温度、压力、喷嘴结构等条件的变化，便可按照不同的要求控制沉析物的形态、颗粒大小和粒度分布范围等。5.1.1 RESS过程过程BZCaSmak E V NRTSexp() (ln )16332325.1.1.2 RESS5.1.1.2 RESS过程设备过程设备RESSRESSGASGAS结合结合RESSRESS影响因素影响因素（1）压力、温度影响过程的初始浓度或最终平衡浓度；（2）溶液膨胀速率。影响晶型、晶体增长和颗粒大小及分布；（3）喷嘴结构。L/D越大，沉析的颗粒越细，L/D减小时，沉析的

6、产品其纵横比增加而形成细丝状。喷嘴孔径大，形成的细丝直径亦越大；（4）溶质组分。如RESS过程中，硅不易形成附聚块，但当加入KI时，就形成高度附聚的产品。又如把胡萝卜素的SCF乙烯直接膨胀至凝胶时制备的颗粒比膨胀至大气中制备的颗粒更细，由1 m下降到0.3 m。 当SCF与溶剂接触时由于溶剂对SCF的吸收溶解而使其体积稀释膨胀，从而改变溶剂的溶解能力。若溶有非挥发性固体的溶液中引入SCF后，因溶液体积膨胀而改变溶剂与溶质的作用力，降低溶剂的溶解力，使溶质形成过饱和溶液而沉淀析出。通过过滤或SCF携带溶剂使固体颗粒与溶剂分离。在温度相同的条件下，压力越高，溶剂的膨胀程度越大，甚至变为单相。温度升

7、高，要达到相同膨胀度的所需的压力增高。当压力、温度、溶液初始浓度、溶液膨胀程度及SCF的引入速率等条件改变时，会引起过饱和度和产生过饱和度速率的变化，从而影响成核速率和晶核增长以控制沉析物质的颗粒大小、粒度分布等不同要求。 5.1.2 GASS过程过程5.1.2.1 GASS过程原理过程原理过饱和度是成核析晶的推动力，晶体的生成需经历以下步骤： 在一定的过饱和条件下形成晶体所需要的总能量增加，用功函数值可表示为：=EsAc()mc = AcEs(mc/Ac)*().式中：EsAc为晶体的总表面能；()为恒温、恒压时构筑晶体所需要的能量；mc为晶体所含的分子数。 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式为成核速率与溶液过饱和度之间的关系式，由式可知对成核速率的影响最大的是位于指数项中的 LnS 项。2)ln(32316SRTmVsEaknBZZCnBCnaK TNRTexp()exp()根据化学动力学理论，成核速率为： 溶液含有过饱和量的溶质，称为过饱和溶液。在适当条件下，人们可以相当容易地制备过饱和溶液，这些条件为：溶液要纯洁，未被杂质或灰尘污染；溶液降温时要缓慢；不使溶液受到搅拌、震荡、超声波等的扰动或刺激。溶液可以降低到饱和温度以下不结晶。溶

9、液的过饱和度与结晶关系如图所示。图中 AB 线为普通的溶解度曲线，CD 线代表溶液过饱和而能自发地产生晶核的浓度曲线（超溶解度曲线） ，它与溶解度曲线大致平行。这两根曲线将浓度-温度图分割成三个区域。在 AB 曲线以下为稳定区，在此区中溶液尚未达到饱和，因此没有结晶产生的可能。AB 线以上为过饱和溶液区，此区又分为两个部分；在 AB 与 CD 线之间称为介稳区，在这个区域中，不会自发地产生晶核，但如果溶液中已有晶种，这些晶种就会长大。CD 线以上为不稳区，在此区域中，溶液能自发地产生晶核。P / MPa C / mmol.L-1-100102030405060708002468100),(),

10、(),(%)oopTVpTVpTVVGASGAS过程影响因素过程影响因素（1） 压力、温度。影响溶液膨胀程度（2）溶液初始浓度。影响GAS过程成核压力阈值（阈值是指出现某一现象的临界值或点，初始浓度愈大，溶液愈接近饱和值，与之浓度就愈低）。（3）溶液膨胀速率。影响成核和颗粒增长聚己酸内酯CHCLF310020.7110粉末聚己酸内酯CHCLF310013.8110纤维聚己酸内酯CHCLF310013.8145球形聚丁二酸乙烯酯CO24027.6805m 球形聚丁二酸乙烯酯CO24041.4805m 球形醋酸纤维素戊烷22517230直径 0.8m 纤维聚乳酸CO2552082410m 球形或颗

11、粒聚乳酸CO2+丙酮55201001025m 颗粒聚乳酸CO2+丙酮5511.412010m 球形和颗粒聚乳酸CHCLF3551883220m 球形和颗粒聚乙醇酸CO25520821040m 椭圆形或针状乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯CHCLF37510.7110纤维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纤维聚甲酸CO265322.58.1m 颗粒菲CO265281.66.6m 颗粒续表续表SiO2H2O260584501.0m 膜SiO2H2O300594700.10,5m 球形GeO2H2O25584750.5m 附聚块GeO

12、2H2O25584450.51.3m 球形SiO2-KIH2O3855850020m 附聚块ZrO(NO3)2乙醇17.53750.1m 颗粒-AL2O3H2O50030膜萘CO24522.11353050m 颗粒胡罗卜素乙烯70301m 颗粒聚苯乙烯-甲苯CO22513.4蜘蛛网状结构聚苯乙烯-甲苯CO23016.4松软的粉末聚苯乙烯-甲苯CO23519.41050m 附聚块聚苯乙烯-甲苯CO2408.2膜聚苯乙烯-甲苯CO24022.51050m 附聚块三次甲基三硝基胺-丙酮CO25015.920m三次甲基三硝基胺-丙酮CO26015.910m胆红素-DMSOCO260251/0.5m 颗

13、粒胰岛素-DMSOCO2358.614m 颗粒1、 a 表示试验时没用高压釜表示试验时没用高压釜2、 b 表示试验时改变喷嘴孔径表示试验时改变喷嘴孔径续表续表1. 含能材料颗粒纳微化。提高爆速、能量释放瞬间密度、温度2. 含能材料怕撞击和怕摩擦。颗粒微细化方法受限3. HMX、RDX等材料在超临界CO2中的溶解度非常小，即使加入少量的夹带剂对溶解度的影响也非常有限，故一般采用抗溶剂方法进行。HMX的特点：分子量296.2；高能量；有四种晶型、其中型HMX最稳定：耐热，机械感度小应用实例应用实例1 1 制备制备HMXHMX微细颗粒微细颗粒CH2NCH2NNNO2CH2NO2CH2NO2NNO2曲

14、线特点：1、HMX 溶液在极短的时间内浓度发生巨大变化。在相同的压力条件下，温度增加，平衡浓度相应有所提高。2、在前几分钟内，溶液中 HMX 的含量迅速下降。如曲线 6，在 1 分钟内，溶质HMX 的量小于原含量的四分之一。在 10分钟后， 溶液中 HMX的量变化很小。HMXHMX丙酮溶液浓度膨胀丙酮溶液浓度膨胀GASGAS过程过程HMXHMX颗粒形态控制颗粒形态控制HMX 颗粒HMXHMX纳微颗粒纳微颗粒HMXHMX颗粒形态颗粒形态应用实例应用实例2 2 洛瓦他汀的包裹洛瓦他汀的包裹应用实例应用实例3 3 微胶囊化微胶囊化两相流（两相流（RESSRESS结合结合GASGAS）雾化包埋示意）雾

15、化包埋示意壳聚糖颗粒形貌包含香兰素壳聚糖颗粒 包含薰衣草壳聚糖颗粒123456789时间,min2 天3周1个月4个月020040060080010001200时间,sec2周 5周7周5个月6个月药物颗粒纳微化。提高溶解速度、提高药物利用 改变固型、物性 纳微颗粒制剂。控制颗粒尺寸、结构等，提供不同给药途径 硝苯地平 PCL：硝苯地平=2:1硝苯地平硝苯地平颗粒形貌颗粒形貌PCL：硝苯地平=1:9020406080100120024681012141618202224 硝苯 地平原料X/gX/gmLmL-1-1t/min 硝苯 地平纳微颗粒 PCL-硝苯 地平纳微颗粒 硝苯地平颗粒形貌与溶解

16、应用实例应用实例6 6 超临界流体重结晶提纯胆红素和微细化超临界流体重结晶提纯胆红素和微细化 超临界流体脱溶剂干燥的特点超临界流体脱溶剂干燥的特点 溶胶溶胶- -凝胶法（凝胶法（Sol-gelSol-gel）、脱溶剂制备。凝胶网络结）、脱溶剂制备。凝胶网络结构充满着溶剂。构充满着溶剂。传统的干燥方法：溶剂挥发时在凝胶网络的毛细管内形成弯传统的干燥方法：溶剂挥发时在凝胶网络的毛细管内形成弯曲液面，产生附加压力，使粒子相互挤压、集聚，从而使得曲液面，产生附加压力，使粒子相互挤压、集聚，从而使得原有的凝胶网络结构塌陷。传统的方法很难阻止凝胶的收缩原有的凝胶网络结构塌陷。传统的方法很难阻止凝胶的收缩和

17、破裂。在宏观上表现为原有的基础粒子变大、空隙大量减和破裂。在宏观上表现为原有的基础粒子变大、空隙大量减少、比表面积大幅下降。少、比表面积大幅下降。超临界流体干燥方法：由于超临界流体能与溶剂混溶，无气超临界流体干燥方法：由于超临界流体能与溶剂混溶，无气液界面，无表面张力。在离开凝胶界面时无相变，因此制备液界面，无表面张力。在离开凝胶界面时无相变，因此制备的凝胶微结构无塌陷。在宏观上比表面大、纳米微孔分布均的凝胶微结构无塌陷。在宏观上比表面大、纳米微孔分布均匀、大孔容的气凝胶。匀、大孔容的气凝胶。气凝胶的特点及应用气凝胶的特点及应用特点特点（1）重量超轻。像）重量超轻。像“冻结的烟冻结的烟”，体密

18、度在，体密度在0.003-0.500 g/cm-3范围内可调。范围内可调。 （例（例如密度小于如密度小于3kg/每立方米，不到空气密度（每立方米，不到空气密度（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 ）。最高纪录每立方厘米）。最高纪录每立方厘米3毫克毫克 。（2）优异的隔热性能。气凝胶中）优异的隔热性能。气凝胶中80%以上是以上是空气空气（最高记录（最高记录99.8%），所以有非常），所以有非常好的隔热效果，一寸厚的气凝胶相当好的隔热效果，一寸厚的气凝胶相当39块普通块普通玻璃玻璃的隔热功能。即使把气凝胶放在的隔热功能。即使把气凝胶放在玫瑰与火焰之间，玫瑰也会丝毫无损。玫瑰与火焰之间，玫瑰也会丝毫无损。（3）低折射、高透光。）低折射、高透光。（4）坚韧耐用。可以承受相当于自身质量几千倍的压力）坚韧耐用。可以承受相当于自身质量几千倍的压力 应用应用 （1）航天。耐热（硅凝胶可经受）航天。耐热（硅凝胶可经受1400度）；隔热材料（掺碳气度）；隔热材料（掺碳气 凝胶的热导率可低达凝