粉體材料是新材料的重要組成部分,作為高新技術,世界各國已把它作為研究的重點,從粉體粒子的大小、制備的技術、特性、表面改性、表征到應用,逐步形成了超細顆粒材料和超細技術、超微粉體材料和超微細技術,特別是納米材料和納米技術已席卷全球。在中國,納米材料已形成了熱潮,從民用到工業,從食品到醫藥,都在迎接另一個工業革命的到來。為此,我國“九五”開始,就把超細、超微細和納米技術與精細化工相結合,以改造傳統的精細化工,向綠色高新精細化工的方向發展。
納米催化是綠色高新精細化工發展的根本
使精細化工的反應做到“原子經濟反應”是未來精細化工研究開發的方向。提高催化劑的活性,即提高其轉化率、選擇性和收率,使其接近或達到100%,是發展“綠色”精細化工的根本途徑。采用納米型催化劑,因其超微粒子粒徑小、比表面積大,表面能高,其催化活性可大提高,從而可達到發展“綠色”高新精細化工的目的。如在環辛二烯的加氫反應中,使用氣相沉積法制備的納米金屬鎳加氫催化劑,其催化活性為骨架鎳的2-7倍,選擇性要比骨架鎳高5-10倍。
導體納米TiO2光催化降解處理工業廢水是“綠色”高新精細化工發展的方向
這種高級氧化工藝和技術特別適合用于生化方法難以處理的體系。納米TiO2的粒徑小、比表面化積大、光催化效率高、反應活性高,這種超微粒子分散在介質中具有透明性,容易運用光學手段和方法來觀察界間的電荷轉移,同時也為光催化過程的能量傳輸提供了有利的條件,可有效地處理工業廢水。
超微粉涂層材料使傳統涂層材料實現功能飛躍
超微粉涂層材料的種類很多,包括金屬及合金超微粉涂層材料、無機非金屬材料與陶瓷超微粉涂層材料、塑料與高分子復合材料涂層等。由于添加了各種超微粉,可使傳統的涂層實現功能飛躍,性能大大提高。同時由于采用傳統的涂層技術,不需增加太大的成本,已使這些添加超微粉的復合體系涂層很快就在市場上展示出強勁的應用勢頭和實用價值。
納米磁性粉體使磁性記錄材料向高密度發展
信息用化學品是精細化工的重要門類,屬高新技術范疇。磁性記錄材料是信息用化學品中的重要門類,它隨著磁性Fe3O4粉體材料的粒徑變小而磁帶的性能和檔次不斷提高。
隨著磁記錄工業的迅猛發展,磁記錄密度急劇增長,特別是納米結構的巨磁電阻效應所制成的自旋閥型的高密度讀出磁頭的應用,使磁性記錄材料的性能滿足了這種要求。在顆粒型磁存儲介質中,磁性顆粒的尺寸已從微米、亞微米向納米尺度方向過渡,這種細微化的納米技術已為高密度磁存儲創造了條件。
另外,磁性納米粉體材料所制造的磁性液體,已廣泛應用于旋轉密封、揚聲器、復印、醫藥等領域。
電子用化學品是精細化工的重要門類,亦屬高新技術。作為計算機“五官”的傳感器的研究和應用已把小于100nm的納米級電阻型金屬氧化物和復合氧化物半導體氣體敏感材料(氣敏材料)推向了市場,這種有“嗅覺”功能的氣敏傳感器已在環境安全、環境衛生、工業過程的自動控制、促進農作物增產、石油和天然氣的勘探等多方面得到了廣泛的應用。
超微粉體使普通陶瓷向精細、結構和功能陶瓷發展
采用高純超細Al2O3粉體已制得性能優異的高級耐火、耐磨、耐蝕的氧化鋁結構陶瓷,以及電氣絕緣性高的功能陶瓷,廣泛應用于冶金、機械、化工及電子等工業領域,市場前景極為廣闊。
超微粉體材料作為助劑可生產出高性能和功能化塑料、橡膠和纖維
人們將分散相尺寸至少有一個維度在納米范圍內的聚合復合材料稱為聚合物基納米復合材料,它包括有機/有機型、有機/無機混雜物型和有機/無機粒子型復合材料。由于納米粒子粒徑小、比表面積大、表面活性高,從而使基體聚合物的力學性能顯著提高,如用納米CaCO3改性聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE),不介使拉伸強度大大提高,還大大提高了其缺口和無缺口的抗沖強度,有明顯的增韌作用;用納米TiO2、Al2O3、ZnO等超微粉體改性塑料,使塑料具有良好的抗紫外能力而不易老化;用納米Al2O3、SiO2、Sb2O3可制得具有阻燃效果優異并具有補強功能的高檔阻燃塑料;納米TiO2、ZnO和Ag等具有良好的殺菌作用,用它們改性塑料,制成抗菌內襯門把手、防霉菌封條、復合增強材料,使冰箱內食物貯存的環境得到極大改善,增強了冰箱的抑菌保鮮功能。
超微粉休材料使防曬化妝品備受歡迎
大氣臭氧層的破壞程度每增加1%,紫外線輻射的強度就會增強2%,而人類患皮膚癌的可能性就增加3%,為此,以納米級TiO2、ZnO、Fe2O3等粉體經過表面改性和復配制得的化妝品具有極好的抗紫外線功能,備受青睞。我國2000年化妝品行業有2500余家企業,年總產值達320億元左右,其中抗紫外線類化妝品占整個化妝品品種數的40%,占總產值的54%,而抗紫外線防護劑產值12億元,希望以納米材料為主體的紫外線屏蔽劑應超過30%。因此,有較好的市場前景。
超微粉體使造紙涂層材料能滿足引進造紙裝置的需要
我國從改革開放以來,已從國外引進了數十條造紙和涂層紙生產線,需要配套的超微細碳酸鈣數萬噸。利用我國自行開發的納米級CaCO3技術建設2萬噸/年生產裝置,投資約5000萬元,年產值可達4000萬元——1億元/年,有較好的經濟效益,并可提高涂層紙檔次。
納米材料可提高潤滑油脂減磨抗磨性能
將納米銅或銅合金粉末加入潤滑油中,可使潤滑油的潤滑性能提高10倍以上,并能顯著降低機器部件的磨損、提高烯油效率、改善動力性能、延長使用壽命。加入1%的超微聚四氟乙烯納米粉,可使潤滑油的摩擦系數下降16%以上,實驗鋼球的磨損量降低近30%。加入1%20-40nm的金剛石納米粉到石蠟油中,可使磨擦系數降低50%,磨擦劑的磨損量也大幅度降低。因此,納米材料可使潤滑油脂減磨抗磨劑提高到一個新的水平,對汽車、機械、航空、國防等工業區的發展以及減少環境污染、節約能源都極具現實意義。
超微粉體使醫學和保健食品步入新階段
納米CaCO3作為保健食品和藥物成分,可提高人體對鈣質的吸收和利用;納米花粉由于破壞了花粉的細胞壁而提高了人體對花粉中有效成分的吸收和利用;含納米羥基磷灰石的牙膏具有比氟更好的防齲齒功效;預計納米材料在21世紀將會作為生物醫用的核心材料,在細胞分離和細胞染色中發揮重要作用,將制成特殊藥物或新型抗體對人體進行局部定向治療;納米機器人將成為典型的醫療納米裝置為人類醫療服務。
納米催化是綠色高新精細化工發展的根本
使精細化工的反應做到“原子經濟反應”是未來精細化工研究開發的方向。提高催化劑的活性,即提高其轉化率、選擇性和收率,使其接近或達到100%,是發展“綠色”精細化工的根本途徑。采用納米型催化劑,因其超微粒子粒徑小、比表面積大,表面能高,其催化活性可大提高,從而可達到發展“綠色”高新精細化工的目的。如在環辛二烯的加氫反應中,使用氣相沉積法制備的納米金屬鎳加氫催化劑,其催化活性為骨架鎳的2-7倍,選擇性要比骨架鎳高5-10倍。
導體納米TiO2光催化降解處理工業廢水是“綠色”高新精細化工發展的方向
這種高級氧化工藝和技術特別適合用于生化方法難以處理的體系。納米TiO2的粒徑小、比表面化積大、光催化效率高、反應活性高,這種超微粒子分散在介質中具有透明性,容易運用光學手段和方法來觀察界間的電荷轉移,同時也為光催化過程的能量傳輸提供了有利的條件,可有效地處理工業廢水。
超微粉涂層材料使傳統涂層材料實現功能飛躍
超微粉涂層材料的種類很多,包括金屬及合金超微粉涂層材料、無機非金屬材料與陶瓷超微粉涂層材料、塑料與高分子復合材料涂層等。由于添加了各種超微粉,可使傳統的涂層實現功能飛躍,性能大大提高。同時由于采用傳統的涂層技術,不需增加太大的成本,已使這些添加超微粉的復合體系涂層很快就在市場上展示出強勁的應用勢頭和實用價值。
納米磁性粉體使磁性記錄材料向高密度發展
信息用化學品是精細化工的重要門類,屬高新技術范疇。磁性記錄材料是信息用化學品中的重要門類,它隨著磁性Fe3O4粉體材料的粒徑變小而磁帶的性能和檔次不斷提高。
隨著磁記錄工業的迅猛發展,磁記錄密度急劇增長,特別是納米結構的巨磁電阻效應所制成的自旋閥型的高密度讀出磁頭的應用,使磁性記錄材料的性能滿足了這種要求。在顆粒型磁存儲介質中,磁性顆粒的尺寸已從微米、亞微米向納米尺度方向過渡,這種細微化的納米技術已為高密度磁存儲創造了條件。
另外,磁性納米粉體材料所制造的磁性液體,已廣泛應用于旋轉密封、揚聲器、復印、醫藥等領域。
電子用化學品是精細化工的重要門類,亦屬高新技術。作為計算機“五官”的傳感器的研究和應用已把小于100nm的納米級電阻型金屬氧化物和復合氧化物半導體氣體敏感材料(氣敏材料)推向了市場,這種有“嗅覺”功能的氣敏傳感器已在環境安全、環境衛生、工業過程的自動控制、促進農作物增產、石油和天然氣的勘探等多方面得到了廣泛的應用。
超微粉體使普通陶瓷向精細、結構和功能陶瓷發展
采用高純超細Al2O3粉體已制得性能優異的高級耐火、耐磨、耐蝕的氧化鋁結構陶瓷,以及電氣絕緣性高的功能陶瓷,廣泛應用于冶金、機械、化工及電子等工業領域,市場前景極為廣闊。
超微粉體材料作為助劑可生產出高性能和功能化塑料、橡膠和纖維
人們將分散相尺寸至少有一個維度在納米范圍內的聚合復合材料稱為聚合物基納米復合材料,它包括有機/有機型、有機/無機混雜物型和有機/無機粒子型復合材料。由于納米粒子粒徑小、比表面積大、表面活性高,從而使基體聚合物的力學性能顯著提高,如用納米CaCO3改性聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE),不介使拉伸強度大大提高,還大大提高了其缺口和無缺口的抗沖強度,有明顯的增韌作用;用納米TiO2、Al2O3、ZnO等超微粉體改性塑料,使塑料具有良好的抗紫外能力而不易老化;用納米Al2O3、SiO2、Sb2O3可制得具有阻燃效果優異并具有補強功能的高檔阻燃塑料;納米TiO2、ZnO和Ag等具有良好的殺菌作用,用它們改性塑料,制成抗菌內襯門把手、防霉菌封條、復合增強材料,使冰箱內食物貯存的環境得到極大改善,增強了冰箱的抑菌保鮮功能。
超微粉休材料使防曬化妝品備受歡迎
大氣臭氧層的破壞程度每增加1%,紫外線輻射的強度就會增強2%,而人類患皮膚癌的可能性就增加3%,為此,以納米級TiO2、ZnO、Fe2O3等粉體經過表面改性和復配制得的化妝品具有極好的抗紫外線功能,備受青睞。我國2000年化妝品行業有2500余家企業,年總產值達320億元左右,其中抗紫外線類化妝品占整個化妝品品種數的40%,占總產值的54%,而抗紫外線防護劑產值12億元,希望以納米材料為主體的紫外線屏蔽劑應超過30%。因此,有較好的市場前景。
超微粉體使造紙涂層材料能滿足引進造紙裝置的需要
我國從改革開放以來,已從國外引進了數十條造紙和涂層紙生產線,需要配套的超微細碳酸鈣數萬噸。利用我國自行開發的納米級CaCO3技術建設2萬噸/年生產裝置,投資約5000萬元,年產值可達4000萬元——1億元/年,有較好的經濟效益,并可提高涂層紙檔次。
納米材料可提高潤滑油脂減磨抗磨性能
將納米銅或銅合金粉末加入潤滑油中,可使潤滑油的潤滑性能提高10倍以上,并能顯著降低機器部件的磨損、提高烯油效率、改善動力性能、延長使用壽命。加入1%的超微聚四氟乙烯納米粉,可使潤滑油的摩擦系數下降16%以上,實驗鋼球的磨損量降低近30%。加入1%20-40nm的金剛石納米粉到石蠟油中,可使磨擦系數降低50%,磨擦劑的磨損量也大幅度降低。因此,納米材料可使潤滑油脂減磨抗磨劑提高到一個新的水平,對汽車、機械、航空、國防等工業區的發展以及減少環境污染、節約能源都極具現實意義。
超微粉體使醫學和保健食品步入新階段
納米CaCO3作為保健食品和藥物成分,可提高人體對鈣質的吸收和利用;納米花粉由于破壞了花粉的細胞壁而提高了人體對花粉中有效成分的吸收和利用;含納米羥基磷灰石的牙膏具有比氟更好的防齲齒功效;預計納米材料在21世紀將會作為生物醫用的核心材料,在細胞分離和細胞染色中發揮重要作用,將制成特殊藥物或新型抗體對人體進行局部定向治療;納米機器人將成為典型的醫療納米裝置為人類醫療服務。