第五部分——超臨界流體技術用于材料加工和制備

1、一百多年前的Hannay和Hogarth在首次報道固體溶解在SCF時就觀察到，當SCF的壓力升高時，無機鹽如氯化鈷、碘化鉀等溶解在超臨界乙醇中，當壓力降低時，物質(zhì)析出象“雪花”一樣。這就是當時觀察到的均相成核結晶過程。1959年，Klgin和Weistock首次指出超臨界乙烯將有機物水溶液分離成水相和有機相，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晶將成為一種處理不易粉碎的有機物的新方法。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晶于83年和84年均有報導。 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、納微顆粒材料兩個過程兩個過程 根據(jù)重結晶過程SCF作用的不同，超臨界流體沉析制備微細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）重結晶過程（Gas Antisolvent Recrystallization，簡稱GAS重結晶過程）。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合是RESS過程的特點，前者導致介質(zhì)中組分均一，以形成顆粒尺寸分布窄的顆粒；后者導致顆粒微細化。（2）膨脹度（過飽和度）易于控制是GAS過程的特點之一。GAS過程適用于某些在SCF中難溶或不溶物系的顆粒微細化、均勻化或提純結晶等不同要求。（3）快速膨脹。超臨界流體沉析可在較短的時間內(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?！?，也可形成緊密結合的混合物細顆粒。 （4）由于在近常溫條件下進行（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、重結晶過程常用于熱敏性、氧化性、怕碰撞物系的顆粒微細化等。超臨界流體沉析超臨界流體沉析(重結晶重結晶)過程的特點過程的特點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上的拓展。SCF萃取結合了液液萃?。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，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到幾十個數(shù)量級，因此當溶有非揮發(fā)性物質(zhì)的SCF通過特定的方法在極短時間內(nèi) （10-810-5秒）快速膨脹至常壓甚至真空時，由于壓力的變化導致

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、預膨脹溫度、膨脹后的溫度、壓力、噴嘴結構等條件的變化，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過程設備過程設備RESSRESSGASGAS結合結合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）噴嘴結構。L/D越大，沉析的顆粒越細，L/D減小時，沉析的

6、產(chǎn)品其縱橫比增加而形成細絲狀。噴嘴孔徑大，形成的細絲直徑亦越大；（4）溶質(zhì)組分。如RESS過程中，硅不易形成附聚塊，但當加入KI時，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制備的顆粒比膨脹至大氣中制備的顆粒更細，由1 m下降到0.3 m。 當SCF與溶劑接觸時由于溶劑對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)閱蜗唷囟壬?/p>

7、高，要達到相同膨脹度的所需的壓力增高。當壓力、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，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、恒壓時構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系式，由式可知對成核速率的影響最大的是位于指數(shù)項中的 LnS 項。2)ln(32316SRTmVsEaknBZZCnBCnaK TNRTexp()exp()根據(jù)化學動力學理論，成核速率為： 溶液含有過飽和量的溶質(zhì)，稱為過飽和溶液。在適當條件下，人們可以相當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晶。溶

9、液的過飽和度與結晶關系如圖所示。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)中溶液尚未達到飽和，因此沒有結晶產(chǎn)生的可能。AB 線以上為過飽和溶液區(qū)，此區(qū)又分為兩個部分；在 AB 與 CD 線之間稱為介穩(wěn)區(qū)，在這個區(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，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)狀結構聚苯乙烯-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 表示試驗時沒用高壓釜表示試驗時沒用高壓釜2、 b 表示試驗時改變噴嘴孔徑表示試驗時改變噴嘴孔徑續(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行。HMX的特點：分子量296.2；高能量；有四種晶型、其中型HMX最穩(wěn)定：耐熱，機械感度小應用實例應用實例1 1 制備制備HMXHMX微細顆粒微細顆粒CH2NCH2NNNO2CH2NO2CH2NO2NNO2曲

14、線特點：1、HMX 溶液在極短的時間內(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)應用實例應用實例2 2 洛瓦他汀的包裹洛瓦他汀的包裹應用實例應用實例3 3 微膠囊化微膠囊化兩相流（兩相流（RESSRESS結合結合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時間,min2 天3周1個月4個月020040060080010001200時間,sec2周 5周7周5個月6個月藥物顆粒納微化。提高溶解速度、提高藥物利用 改變固型、物性 納微顆粒制劑?？刂祁w粒尺寸、結構等，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、應用實例應用實例6 6 超臨界流體重結晶提純膽紅素和微細化超臨界流體重結晶提純膽紅素和微細化 超臨界流體脫溶劑干燥的特點超臨界流體脫溶劑干燥的特點 溶膠溶膠- -凝膠法（凝膠法（Sol-gelSol-gel）、脫溶劑制備。凝膠網(wǎng)絡結）、脫溶劑制備。凝膠網(wǎng)絡結構充滿著溶劑。構充滿著溶劑。傳統(tǒng)的干燥方法：溶劑揮發(fā)時在凝膠網(wǎng)絡的毛細管內(nèi)形成彎傳統(tǒng)的干燥方法：溶劑揮發(fā)時在凝膠網(wǎng)絡的毛細管內(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)絡結構塌陷。傳統(tǒng)的方法很難阻止凝膠的收縮原有的凝膠網(wǎng)絡結構塌陷。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。在離開凝膠界面時無相變，因此制備液界面，無表面張力。在離開凝膠界面時無相變，因此制備的凝膠微結構無塌陷。在宏觀上比表面大、納米微孔分布均的凝膠微結構無塌陷。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。氣凝膠的特點及應用氣凝膠的特點及應用特點特點（1）重量超輕。像）重量超輕。像“凍結的煙凍結的煙”，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 ）。最高紀錄每立方厘米）。最高紀錄每立方厘米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好的隔熱效果，一寸厚的氣凝膠相當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）堅韌耐用?？梢猿惺芟喈斢谧陨碣|(zhì)量幾千倍的壓力）堅韌耐用?？梢猿惺芟喈斢谧陨碣|(zhì)量幾千倍的壓力 應用應用 （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（摻碳氣度）；隔熱材料（摻碳氣 凝膠的熱導率可低達凝