超細微粒材料由於有特殊的物理化學性質，在材料、化工、輕工、冶金、電子、醫學、生物等領域有著重要的套用價值，並已經得到廣泛套用，因此超細微粒材料的製備是當前研究的一個熱點，是近十幾年來國內外正在積極研究、開發的一項新技術；與傳統的微粒形成方法如機械粉碎與研磨、溶液結晶、化學反應等相比，這種方法具有產品純度高、幾何形狀均一、粒徑分布窄、製造工藝簡單、操作適中等許多優點，尤其對熱敏感、結構不穩定和具有生物活性的物系的處理具有明顯優勢。
基本介紹
- 中文名：超臨界流體技術製備超細微粒
- 概述：超細微粒材料由於有特殊的
- 分類：超臨界溶液快速膨脹
- 膨脹技術：RESS主要是利用超臨界流
分類,超臨界溶液快速膨脹技術,氣體飽和溶液微粒形成技術,超臨界流體抗溶劑技術,
分類
在這方面研究最多、套用最廣泛的技術大致分為三類：
(1)超臨界溶液快速膨脹（Rapid Expansion of Supercritical Solutions,RESS）；
(2)超臨界流體抗溶劑技術（Supercritical fluid Anti-Solvent,SAS）；
(3)氣體飽和溶液微粒形成技術（Particles from Gas-Saturated Solutions or Suspensions,PGSS）。
超臨界溶液快速膨脹技術
RESS主要是利用超臨界流體的性質對溫度和壓力變化十分敏感這一特性，改變溫度和壓力可以顯著的改變超臨界流體的溶劑化能力。超臨界流體在RESS過程中作為溶劑使用，其基本原理為：先將溶質溶解於一定溫度和壓力的超臨界流體中，然後是超臨界溶液在非常短的時間（10-15s）內通過一個特製的噴嘴（25-80μm）進行減壓膨脹，並形成一個以音速傳遞的機械擾動。由於在很短的時間內溶液達到高度過飽和狀態，過飽和度可達105-108，使溶質在瞬間形成大量的晶核，並在較短的時間內完成晶核的生長，從而生成大量微小的、粒度分布均勻的超細微粒。
RESS的顯著特點是快速推進的機械擾動和快速降壓所產生的極高過飽和度，機械擾動和降壓使得微粒粒度均一、粒徑分布較窄，極高的過飽和度使得微粒粒徑很小。RESS過程使用的超臨界流體在常態下通常為氣體，因而所獲得的產品中溶劑的殘留極少，它的結晶過程僅通過改變體系的壓力而實現，無需添加其他物質，避免了其他雜質對產品的污染；不涉及大量有機溶劑的使用，減少了廢水排放和溶劑回收所需要的能耗；超臨界流體一般只需再壓縮即可循環使用，大大簡化了工藝流程；可獲得粒度分布狹窄的晶體並且易於調整[8-10]。影響微粒形態和尺寸的主要因素有：原料的性質和組成、操作溫度、壓力降、噴嘴大小等，其中RESS過程的噴嘴是決定流體膨脹特性，並最終決定產物形態和質量的關鍵部件。RESS操作容易，過程簡單，是研究得較早的一項技術。但在RESS過程中，溶質在超臨流體中要有一定的溶解度是製備微粒的必要條件，而這一點也限制了RESS的套用。因為在超臨界流體（如CO2）中有理想的溶解度的物質是很少的。目前有人採用加入助溶劑的辦法提高溶質在超臨界流體中的溶解度，但產品中的溶劑殘留也是一個問題。此外，採用RESS過程，超臨界流體的消耗量比較大、成本高，這也是一個限制因素。
氣體飽和溶液微粒形成技術
超臨界流體（廣義理解為氣體）溶解入液體溶液中形成飽和溶液，溶有超臨界流體的飽和溶液快速經過噴嘴，在短時間內減壓，形成微粒，此即PGSS技術。根據通過噴嘴形成固體微粒的機理的不同（對應於不同的液體類型），PGSS分為兩類：一類是因為過冷度—即熔融結晶形成大量固體微粒的PGSS過程(PGSS withsuper-Cooling，PGSS-C）；一類是具有噴霧乾燥機理的PGSS過程（PGSS withspray-Drying，PGSS-D）。因此，前者對應超臨界流體飽和的熔融的脂類、高分子物質；後者對應超臨界流體或壓縮氣體飽和的水或者有機溶液。在機理上，PGSS-C過程是因為超臨界流體的溶脹的飽和溶液快速經過噴嘴，脂類或高分子物質在噴嘴特別是在噴嘴出口達到過冷狀態，使得熔融溶質在瞬間形成大量晶核，並在短時間內完成晶核的生長，從而最終形成大量均一的微粒；PGSS-D過程是當超臨界流體或壓縮氣體的飽和溶液（對一般水溶液的溶脹程度不高，但加入有機溶液，溶脹程度也可以很高）快速經過噴嘴，產生霧化的過程，並用外加加熱載體（如氮氣或空氣）將霧化液滴中液體快速蒸發，使霧化體系形成過飽和狀態產生晶體，形成大量固體微粒。基於PGSS技術而發展起來的其它方法還包括：CAN-BD（Carbon dioxide Nebulization with aBubble-Dryer）、SAA（Supercritical-Assisted Atomization）、DELOS（Depressurization ofan Expanded Liquid Organic Solution）等，基本原理都與PGSS相同，只是操作方式上有所不同，這裡不再累述。採用PGSS技術可以避免使用溶劑或少量使用有機溶劑，且超臨界流體的消耗量相對RESS大大減少（相比於RESS技術，PGSS中CO2的消耗量小了大約103倍）。PGSS的過程簡單而具有更加廣泛的用途，多種物質（液滴、固體材料、液體溶液、懸浮液等）均能用PGSS處理。但PGSS過程影響因素比較複雜，具有超臨界條件、多相變化、高速湍流和噴嘴微細結構等特點。其實驗研究的過程規律和模型研究的參數影響還不是很清晰，並且影響微粒形態的因素很多而且相互牽制，對於不同體系表現不同的影響規律。
超臨界流體抗溶劑技術
當溶液溶解了一定的氣體之後，就會發生溶脹，這是最早的關於氣體抗溶劑的描述，特別是當溶液被氣體有效的溶脹之後，對溶質就不再具有良好的溶解能力，造成溶質成核析出。早在1954年Francis等人就對此有了清楚的定義。McHugh等人最早採用氣體抗溶劑技術成功地減低了近臨界點附近高聚物溶液中的高聚物濃度。Gallagher等人在1989年提出了超臨界流體抗溶劑技術製備微粒。隨後經過幾十年的發展，以SAS技術為基礎發展出來許多新過程，根據操作方式的不同，大致分為以下幾種：
(1)SAS-R，超臨界流體抗溶劑重結晶（Supercritical Anti-Solvent Recrystalization,SAS-R），有時也稱為氣體抗溶劑技術（Gas Anti-Solvent,GAS）；
(2)ASES，氣凝膠溶劑萃取系統（Aerosol Solvent Extraction System,ASES）；
(3)SEDS，超臨界流體增強溶液擴散技術（Solution Enhanced Dispersion bySupercritical fluids,SEDS）；
