《精细化工概论》(丁志平版)第二章无极精细化学品第1节超细化教案

山东理工职业学院教案首页2014---2015学年第1学期课程名称精细化工概论任课教师王开明授课班级煤炭121煤炭121授课时间第1周第2周第周第周第周第周星期四星期一星期星期星期星期第3、4节第1、2节第节第节第节第节9月25日9月29日月日月日月日月日授课课题第二章无机精细化学品第1节超细化教学目的1.了解超细颗粒的种类和特点；2．掌握超细化工艺流程；3．熟悉几种超细化的应用举例。教学重点超细颗粒的分类，超细化工艺种类。教学难点超细化工艺流程教学用具备注山东理工职业学院教案纸教学过程教学内容教学方法引入新课新闻播报颗粒分类课本第二章到第八章，着重讲述了精细化学品的种类、特性、用途和制备工艺，基本上涵盖了重要的精细化学品。第二章是独立的一部分内容，讲了无机精细化学品，其他的都是有机精细化学品。现在我们就来学习第一种无机精细化学品——超细颗粒。第1节使用了超细化这个名字，说的是一种工艺方法，把无机物通过某种手段变为具有一定粒径的细小微粒，这种细小微粒就叫做超细颗粒，顾名思义，超级细小的颗粒。2006年英国一项研究表明，与其他交通工具相比，出租车内的超细颗粒污染物最多。帝国理工学院研究人员在伦敦市中心交通最拥堵的一个路段，对使用各种交通工具可能吸入的超细颗粒污染物数量进行了测试。他们主要关注的是直径小于100纳米的超细颗粒污染物。此前有研究表明，长期接触此类污染物可能造成严重健康问题。为了收集数据，研究人员给每个志愿者配备一个便携式颗粒探测器，记录他们每秒钟接触的超细颗粒污染物数量。你怎样判断一个地区的空气质量？一，到一个地方，只要看看自己脚上穿的皮鞋，要是三天不擦仍是光亮如新，那就说明这里的空气质量佳？二，抬头看看天空，是否连续遭遇不明的雾霾天气？三，听当地天气预报中的空气污染指数，指数越高，空气质量越差？根据国际上，特别是欧美国家空气质量的重要衡量指针-PM2.5，第二项或许是最能说明问题的最佳选择。PM2.5的概念是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，它的超细体积可直接进入人体呼吸的肺泡组织。由于PM2.5这类细颗粒物对光的散射作用较强，在不利的气象条件下更容易导致灰霾形成。目前大多数国家和地区的官方预报系统，是以PM10(直径小于或等于十微米的微粒，可吸入但不到肺泡)作为评价因素。是故，尽管天空灰霾重重，但当地的空气污染指数不足显示甚高或严重。同理，你在黄土粉尘大的地方旅游时，每天都要擦鞋洗头发，但空气中每立方米所含的超细颗粒却不一定高。与较粗的大气颗粒物相比较，PM2.5粒含更多的有毒物质，对人体的健康危害也最大。华东理工大学研制的超细颗粒功能制备机亮相2013年上海工博会。该设备不但可用于3D打印材料的制备，还可用于化学药品和中草药的粉碎及制备。美国伊利诺伊理工大学的最新研究发现，在不通风的地方使用家用3D打印机可能会导致健康问题。粉末或颗粒φ＜1mm（通常可见）微细颗粒或亚超细颗粒0.1＜φ＜10μm（尘埃）固体颗粒大超细颗粒10＜φ＜100nm超细颗粒φ＜0.1μm中超细颗粒2＜φ＜10nm小超细颗粒φ＜2nm讲授第1页山东理工职业学院教案纸教学过程教学内容教学方法超细颗粒特性超细颗粒制备途径及优缺点超细化之气相法由于中超细颗粒和小超细颗粒很难制得，所以本节所述的超细颗粒材料均是指大超细颗粒。超细颗粒与一般颗粒相比，由于“表面效应”和“体积效应”，具有熔点低、化学活性高、磁性强、热传导好、对电磁波的异常吸收等奇特性质，为其广泛应用开辟了美好的前景。超细颗粒的粒径越细，熔点降低越显著。如金、银、WC、SiC、BN等，在超细颗粒状态下烧结，可以节省能耗、降低制造工艺的难度，更可以获得优异性能。超细颗粒的直径越小，其总表面积就越大，表面能相应增加，具有较高的化学活性，可以作为化学反应的高效催化剂，也可以用于火箭固体燃料的助燃添加剂。如Ni和Cu-Zn合金、铝粉或镍粉等。目前，超细颗粒的制备途径大体上有两个方面：一是通过机械力将常规粉末材料进一步超细粉化；一是借助于各种化学和物理的方法，将新形成的分散状态的原子或分子逐渐生长成或凝聚成所希望的超细颗粒。前者难以得到微米级以下的粉末，这有待于技术的进一步发展来实现；后者是当今超细化的主要方法，其最大优点是容易制得超细粉末，具体方法很多，若按原料物质的状态分，可分为气相法、液相法和固相法。优点缺点固相法（逐渐被淘汰）简单易行，成本低粒径大，粒度和组成不均匀，易混入杂质气相法（难以推广）产品粒径小，粒度和组成均匀，纯度高设备庞大，操作复杂，成本高液相法设备简单，易于操作，成本低产品质量的某些方面赶不上其他方法气相法目前分为：物理气相沉积(PVD)法和化学气相沉积(CVD)法两种。PVD法是利用电弧、高频电场或等离子体等高温热源将原料加热，使之气化或形成等离子体，然后通过骤冷，使之凝聚成各种形态(如晶须、薄片、晶粒等)的超细粒子。其优点是可以通过输入惰性气体和改变压力，从而控制超细粒子的尺寸。该方法特别适合于制备由液相法和固相法难以直接合成的非氧化系(如金属、合金、氮化物、碳化物等)的超细粉，粒径通常在0.1㎛以下，且分散性很好。其中真空蒸发法是目前在理论上研究最多和制造超细粉最常用的方法之一。CVD法是以金属蒸汽、挥发性金属卤化物或氢化物或有机金属化合物等蒸气为原料，进行气象热分解反应，或两种以上单质或化合讲授第2页山东理工职业学院教案纸教学过程教学内容教学方法超细化之液相法物反应，再凝聚生成超细粉。其中等离子体作为高温热源已得到广泛的应用。（1）化学法化学法是通过化学反应，如离子之间的反应或水解反应，生成草酸盐、碳酸盐、氢氧化物、水合氧化物等有效成分的沉淀物，沉淀颗粒的大小和形状可由反应条件来控制。然后再经过滤、洗涤、干燥、有时还需经过加热分解等工艺过程，最终得到超细粉体材料。必须注意的是加热分解过程温度的高低和加热时间的长短，不仅影响颗粒的大小，还会影响颗粒的晶型，粉料的性能。化学法包括许多具体方法，其中研究和应用较多的主要有沉淀法，纯盐法，水热法。沉淀法又包括直接沉淀法、共沉淀法、均匀沉淀法、水解法、胶体化学法等，水热法亦包括水热氧化、水热沉淀、水热合成、水热还原、水热分解、水热结晶等。沉淀法是工业化采用最多的方法；水热法目前在我国仍属试验研究阶段。①沉淀法沉淀法是在原料溶液中添加适当的沉淀剂，使原料溶液中的阳离子形成各种形式的沉淀物。如果原料溶液中有多种成分的阳离子，经沉淀反应后，就可以得到各种成分均一的混合沉淀物，这就是所谓的共沉淀法。利用该法可以制备含有两种以上金属元素的复合氧化物超细粉。如向BaCl2和TiCl4混合溶液中滴加草酸溶液，能沉淀出BaTiO(C2O4)2·4H2O，经过滤、洗涤和加热分解等处理，即可得到具有化学计量组成的、所需晶型的BaTiO3超细粉。共沉淀法目前已广泛应用于制备钙钛矿型、尖晶石型、PLZT、BaTiO3系材料、敏感材料、铁氧体以及荧光材料的超细粉。在制备过程中，需要特别重视的是洗涤操作。②醇盐法所谓醇盐法就是利用金属醇盐的水解制备超细粉体材料的一种方法。首要条件是要有金属醇盐化合物作为原料。金属醇盐是金属置换醇中羟基的氢而生成的含M—O—C键的金属有机化合物的总称。化学通式为M(OR)n，M为金属，R代表烷基或烯丙基。合成预定金属元素醇盐所用的方法，主要取决于金属醇盐中中心金属原子的电负性。一般说来，常用的合成方法主要有六种：金属与醇直接反应或催化下的直接反应；金属卤化物与醇或碱金属醇盐反应；金属氢氧化物或氧化物与醇反应；金属有机盐与碱金属醇盐反应；醇解法制备醇盐；电化学合成法。③水热法指在水溶液中或大量水蒸气存在下，以高温高压或高温常压所进行的化学反应过程。如在无机合成反应中，有一些反应从热力学角度讲授第3页山东理工职业学院教案纸教学过程教学内容教学方法超细化应用举例小结分析，认为是可以进行的反应，但在常温常压下实际的反应速度却极慢，甚至丧失其实用价值。而在水热条件下，情况则立即得到明显改善，有可能得到人们所需要的超细粉。水热反应用于制备无机材料超细粉及晶体材料。作为一种新技术，水热反应引起世界各国科学家高度重视是近十多年的事情。初步研究认为，水热条件(高温高压)下可以加速水溶液中的离子反应和促进水解反应，有利于原子、离子的再分配和重结晶等，因此具有很广的实用价值。（2）物理法物理法的主要过程是将溶解度大的盐的水溶液雾化成小液滴，使其中的水分迅速蒸发，而使盐形成均匀的球状。如再将微细的盐粒加热分解，即可制得氧化物超细粉。该法与沉淀法比较，由于不需添加沉淀剂，可以避免随沉淀剂可能带入的杂质。已用这类方法生产的超细粉有PLZT、铁氧体、氧化锆、氧化铝等。由于盐类分解往往会产生大量的有害气体，对环境造成污染，所以在很大程度上限制了这类方法的工业化生产。属于这类方法的有：喷雾干燥法，喷雾热解法，冷冻干燥法等。（1）超细白炭黑白炭黑属于硅系白色补强性粉体材料，是合成水合硅酸和硅酸盐的总称，包括沉淀SiO2、CaSiO3、MgSiO3、Al2(SiO3)3等。因其具有与炭黑媲美的性能和外观上为白色的特性，故称为白炭黑。通常讲的白炭黑大多是指SiO2。其生产方法为沉淀法和气相法。一般在橡胶、塑料、造纸工业、涂料和油墨、农药、医药、牙膏等中应用。（2）超细碳酸钙具有白炭黑类似的特点，是一种补强填充材料，其原料是资源丰富的石灰石。随着超细化和表面改性技术的发展和应用，超细活性碳酸钙，作为橡胶制品的白色补强填充材料替代炭黑，可以节能、美化生活和提高经济效益。（3）纳米二氧化钛纳米二氧化钛是一种附加值很高、用途极为广泛的科技新型无机材料，在电子陶瓷、高档涂料、防晒化妆品、催化剂及其载体、功能纤维、光敏材料以及环保等领域有着极其广泛的应用。1.固体颗粒的分类和两大特性；2.超细化工艺的种类和流程。讲授第4页