学文网纳米粉体篇1
摘 要：纳米科技是21世纪科技发展的重要技术，其应用领域非常广泛，遍及电子产业、光电产业、医药生化保健品产业、化织产业、建材产业、金属产业、基础产业等领域。不论其应用领域如何，所需材料均为次微米或纳米级细度的材料。如何得到纳米级的粉体及如何将纳米级的材料进行适当的界面改性，并成功地将其应用到最终的产品，已成为目前行业共同研究的课题之一。本文主要介绍了纳米粉体在市场上应用现状与发展，同时针对纳米界面改性技术进行了探讨。
关键词：转化技术；纳米微粒；分散；改质
1 引言
随着3C产品（轻、薄、短小化及纳米细度材料）的流行性趋势，如何将超微细研磨技术应用于纳米材料的制备，以及分散研磨，已成为现今研究的重要课题之一。1998年以前，企业界所面临的问题为如何提高分散研磨效率以降低劳力成本，如染料、涂料、油漆、油墨、铅笔、食品等产业。而1998年以后，产业技术瓶颈则为如何得到微细化（纳米化）材料及如何将纳米化材料分散到最终产品里，如光电业TFTLCD、Jet ink、磁性材料、保健品、生物制药和细胞破碎、氧化物、纳米材料、电子产业、光电产业、医药生化产业、化纤产业、建材产业、金属产业、肥皂、皮革、电子陶瓷、导电浆料、胶印油墨、纺织品、生物制药、喷绘油墨、芯片抛光液、细胞破碎、化妆品、喷墨墨水、陶瓷喷墨、金属纳米材料、塑料材料、特种纳米航空材料等行业。
目前，各大陶瓷生产企业纷纷推出别具特色的陶瓷喷墨打印产品，尤其是凹凸面的高清晰喷墨打印陶瓷砖，令人耳目一新。毫无疑问，喷墨打印技术的春天已经到来。虽然陶瓷喷墨打印技术在我国只有几年的发展历史，还存在着一些技术性的问题（如拉线、烧成后发色不稳定、明亮的红色墨水不能制备）、成本问题（如喷头、墨水的核心技术在外国企业手中，导致喷头、墨水价格偏高）、新商业模式的问题（如新产品管理制度还需要突破、陶瓷喷墨打印设计和研发体系尚未成熟、针对大批采购的个性化供应链体系尚未成形）等。随着博今科技、道氏制釉、明朝科技、金鹰色料、万兴色料等国产墨水企业对于陶瓷墨水品质的不断提升；随着泰威、美嘉、精陶等喷墨打印机企业已经掌握了除喷头外的机械自动化系统、软件系统，喷墨打印技术将在中国市场上获得更广泛的应用。但喷墨粉体的研磨细度及其稳定性成为所有生产企业所面临的一大难题。在技术方面，除了拉线、发色的问题外，笔者认为喷墨的多功能化、喷墨打印快速化、喷墨技术与薄板更好地结合、墨水固含量的提高、胶状化学物质的均匀分布及稳定性的提升、模具的设计和使用也将是今后的发展方向。
不论是传统产业研磨效率求快，还是高科技产业纳米化材料求细，污染控制都同样重要。所以细﹑快﹑更少污染已成为新一代分散研磨技术最重要的课题。本文主要介绍了纳米粉体在市场上应用现状与发展，同时针对纳米界面改性技术进行了探讨。
2 纳米粉体在市场上应用现状与发展
依据USNSF（National Science Foundation）的预测，在2010～2015年间，纳米粉体的潜在市场规模将达3400亿美元。多年来，世界各地的纳米专家不断地在开发纳米粉体的新应用，例如：有学者研究将传统工业产品纳米化，以便提升产品的价值及性能，其应用的领域，如涂料、油墨、树脂、功能性色膏、陶瓷粉等传统产业纳米化；也有学者研究利用纳米材料的特性开发出消费性新产品，如光学膜、光触媒、保健品、医药等产品。纳米科技可说是产业的另一次大***。
尽管US-NSF大胆地预测纳米市场的潜在规模如此之大，同时，美、日、德等国家亦已投入相当大的人力、物力来开发纳米粉体的应用（如德国Degussa公司开发纳米级的SiO2等）。然而在2003年，全世界的纳米陶瓷粉的产值仅为1.5亿美元，与预测值相距太远，其原因如下。
2.1 价值链落差
纳米粉体仍无法成功地应用于量产阶段，其主要原因为生产者尚未将传统工业纳米化，虽然生产者已掌握住所有制程的转化条件，如工艺配方的设计、纳米粉体的前处理、纳米粉体的转化条件等。尤其是纳米粉体因范德华力的作用易产生团聚的现象。但是只靠传统的分散技术，无法将纳米粉体分散开来。因此若要成功地将传统工业纳米化，首先要掌握的关键技术是如何将纳米粉体适当地转化，使其进入到下一个界面后仍为纳米粒子，不会出现团聚现象。纳米粉体至今为何仍无法成功地被应用，其主要原因为市面上大部分的纳米粉体未适当地改性，使其无法成功地应用到纳米产品的开发与制造中。
2.2 纳米粉体需要因不同的应用而加以改性
目前，市面上至少有200种纳米产品已被开发出来，但大部分的粉体，如Inkjet、SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2等皆尚未被依需求而改性，无法成功地被应用。主要是由于未被改性的纳米粉体添加到最终的产品时，往往因界面不相容而产生团聚现象，所以纳米材料的作用无法表现出来。例如，有学者将纳米ZnO粉体涂布到光学膜上，由于该 ZnO粉体未做适当的界面改性，所以光学膜涂布ZnO粉体后，抗UV效果非但没有增加，其穿透力反而大幅度将低。
3 界面改质技术的概念
3.1 化学机械制程
现今人们利用三辊研磨、分散机、珠磨机、搅拌磨等分散研磨设备将材料分散研磨到微米或次微米级，但却很难达到纳米级的程度，其研磨原理如***1所示。主要是由于一旦材料的颗粒大小被机械力分散研磨纳米化后，此时粉体的比表面积急剧增加，范德华力效应及布朗运动明显加剧，粉体因而容易再度凝聚。所以，不管怎样分散研磨，其粒径很难降下来。然而，通过化学机械制程法可以解决此问题。利用高速搅拌珠磨机，将纳米粉体进行适当的界面改性，以避免纳米粉体再凝聚，从而使得粉体分散研磨后粒径达到要求。
本系统采用了湿法分散研磨方法，因此浆料温度不易因研磨而急速上升，所以可以选用较小的磨球，如0.05～0.3mm的氧化锆珠，再配以研磨机高线速度 (10～16m/s)运转，以缩短分散研磨及反应所需的时间。采用化学机械制程的另一个好处为研磨参数，如搅拌器的转速、磨球的充填率、流量、产品温度等均可以因需要而调整到最佳化的研磨条件，并可以等比例放大，以供日后正式量产时使用。在使用化学机械制程法时，我们只需先将表面改质剂加入到需要改性粉体的浆料内，再依最终的粒径要求来设定研磨机所需的消耗电能及比能量值，利用串联循环研磨（如***2所示）操作工艺流程模式进行分散、研磨及界面改性之工作。研磨机运转过程中将自动累积所消耗的电能，直到所设定的比能量达到时，会自动停机，这样可以确保研磨品质的均一性。
纳米粉体篇2
摘 要： 中原油田S2上4-7油藏属于低渗透性油藏，注水压力高，注水困难。油藏水驱开发难度大。为提高注水量，降低注水压力，实施了多次酸化，效果明显，但是有效期短，增水量有限。结合纳米材料的研究与开发，提出了纳米粉体与酸化相结合的新技术-纳米粉体复合增注技术。现场应用8井次，累积增水3500多方，对应油井累积增油3058.2吨，投入产出比达1∶6.1，取得了显著的经济效益，值得大力推广和应用。
关键词： 纳米粉体； 复合； 增注； 效益； 增油
中***分类号： TE357.6 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2011）02-0049-02
油田开发过程中涉及多学科、多领域的技术，各种问题的解决主要依赖于相关技术和材料的突破，纳米技术的兴起给油田降压增注的突破提供了技术支持，也为攻克低渗油藏注水压力高的难题提供了有效的方法。
纳米聚硅复合增注技术是近几年发展起来的一种新型高效增注技术，技术人员经过室内筛选和适应性研究，对纳米聚硅进行了表面修饰、分散体系的改进；通过对施工工艺的进一步完善，使纳米粉体复合增注技术取得了良好的经济效益和效果，施工有效期和有效率大大提高。
一、纳米粉体复合增注技术机理
1.纳米粉体复合增注机理
纳米粉体复合增注技术是利用酸或碱等解堵材料与纳米材料复合一起增注。首先注入解堵剂如酸或碱对地层进行预处理，清除近井地带孔隙中的油膜及地层中粘土、铁质、钙质、以及钻井液等机械颗粒和造成的堵塞，以便纳米粉体能牢固的吸附在孔隙表面。然后将具有极强憎水亲油能力的纳米粉剂挤入地层，当纳米材料吸附到亲水砂岩表面后，使得润湿反转，改善水油两相流中的水相渗透率，从而大大地降低注入水的流动阻力，同时可以有效地扩大孔径，以避免水化现象的发生。
2.纳米粉体作用机理
纳米粉体挤入注水层位后，岩石的许多性质均发生改变，大量室内实验证明纳米粉体材料在地层中的作用机理主要表现在相对渗透率的变化、润湿性改变等。
其降压增注机理主要表现在：
（1）将吸附在孔隙内表面的水膜赶走，从而有效地扩大孔径；
（2）其卓越的憎水性能，大幅度降低注入水在孔隙中的流动阻力，同时避免了水化现象的发生；
（3）阻碍泥土颗粒的膨胀和扩散。
由“孔隙空间的憎水化作用”所观察到的一些效果是由下述的原因造成的：对于地层不排泄段和弱排泄段中松散粘和水，其岩石孔道表面的润湿性可用拉普拉斯方程来表示：
PK=2σcosθ/R
式中： PK-毛管压力
σ-表面张力系数
θ-润湿角
R-孔隙半径
由于表面的憎水性，润湿角变得大于90°，结果cosθ具有负值。也就是说，毛管力的降低使得松散粘合水非常容易地被驱出来。此外，储层中粘土颗粒的憎水化降低了水化膜的厚度，从而增加了岩石通道的有效尺寸。
二、室内试验
1.纳米粉体对岩石润湿性的影响
分别取天然岩心、玻璃片各两个，清洗、烘干，各取其中一块用纳米粉体处理后，测量表面润湿性的改变，实验结果见表1：
经纳米粉体处理后固体表面润湿性发生改变，由水润湿转变为油润湿。
2.纳米粉体分散体系的配制
研究表明，纳米粉体在柴油和乙醇等有机溶剂中的分散效果较理想，而在水中不分散。目前国内各大油田均采用柴油作为分散剂，但是成本过高。考虑到材料费用和油田的实际应用，我们通过添加表面活性剂使纳米粉体在水中均匀分散。即纳米粉体分散体系成份是纳米粉体+表面活性剂+水。
分散体系各成份最佳浓度确定：
2.1 分散介质浓度确定
采用新型表面活性剂作为分散介质复配成纳米粉体分散体系，分散介质分别取0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％的浓度，考察纳米粉体的分散效果。实验结果表明，当分散介质浓度为1.5％时，分散效果较好。随着浓度的继续增加，分散性无明显变化。1.5％是分散介质的最佳使用浓度。
2.2 纳米粉体浓度确定
配制不同浓度的纳米粉体分散体系，进行岩心驱替实验，测定驱替前后岩心渗透率变化，计算渗透率比Ki/K0，据此确定纳米粉体分散体系中纳米粉体的最佳浓度。
由实验数据看出，纳米粉体水基分散液在很大浓度范围内均有改善岩心渗透率的作用，其中0.10%的纳米粉体水基分散液改善岩心渗透率的效果最明显，0.10%是纳米粉体是该分散体系的最佳使用浓度。
3.纳米粉体溶液稳定性
分别配制水、乙醇、柴油和纳米粉体分散体系，在不同的时间内观察体系的分散性和稳定性。
4.岩心实验
取1#与2#岩心，采用常规酸液、酸液＋纳米粉剂两种方法进行驱替，观察岩心渗透率改善情况。
1#岩心：正驱3％氯化铵―正驱酸液―正驱3％氯化铵
2#岩心：正驱3％氯化铵――正驱酸液―正驱1%水基纳米粉剂―正驱3％氯化铵
从结果看出：1＃岩心渗透率的改善仅仅是由于酸的作用所造成的；2＃岩心在注入酸预处理的基础上注入纳米粉体，进一步提高了岩心的渗透率。
三、现场应用及效果
2007年对濮城油田S2S4-7油藏的欠注井整体实施纳米粉体复合增注技术，共实施8井次，累积注入酸液420方，纳米粉体溶液160方。
1.水井效果
8口井增注前注水压力为25.6MPa，日注水156方，措施后注水压力18.7MPa，日注水402方，注水压力下降6.9MPa，日增注水246方。累积增水35689方，增加水驱控制储量2.5*104方，增加水驱动用储量1.3*104方。
8口井中有可对比吸水剖面6口，吸水厚度增加15.2m，其中新增吸水层数8n，新增吸水厚度7.9m。
2.油井效果
对应油井中有12口见到增油效果，总体表现是产液上升，产油上升，含水稳中有升。平均单井日增油2.1吨，累积增油3058.2吨。
3.经济效益分析
投入：
420方*2500元/方+160方/2900元/方=151.4万元
产出：
3058.2吨*3000元/吨=917.5万元
投入产出比：1∶6.1
四、结论
1.纳米材料具有超细、强吸附、高比表面的特性，当其被挤入地层孔隙后，可改变砂岩表面的润湿性，降低注入水的流动阻力，提高水相渗透率，从而达到降低油藏水井注水压力，改善吸水剖面的效果。
2.与常规酸化增注工艺相比，纳米粉体分散体系可进入地层深部，扩大了处理半径，以便更大范围地调整注水效果。
3.纳米材料与砂岩地层是一种物理吸附的过程，没有反应副产物，不会造成二次堵塞。此外，对管柱及施工人员没有危害性，具有显著的技术优势及环保优势。
4.现场应用证明，纳米粉体复合增注工艺可大大提高水井增注有效期，显著降低低渗透油藏的注水压力，成功地解决了低渗透油藏降压增注难的问题。
5.纳米粉体复合增注工艺取得了良好的效果和经济效益，投入产出比达1：6.1，值得大力推广应用。
参考文献：
[1] （美）曼索里著.纳米技术原理:微系统中基于分子的凝聚态研究(英文影印版)[M].上海：复旦大学出版社，2006.11.
[2] 倪星元，姚兰芳，沈***，周斌著.纳米材料制备技术[M].北京：化学工业出版社，2008.1.
[3] 陈津，魏丽乔，许并社著.纳米非金属功能材料/纳米功能材料丛书[M].北京：化学工业出版社，2007.3.
[4] 张全勤，张继文编.纳米技术新进展[M].北京：国防工业出版社，2005.1.
[5] 袁哲俊编.纳米科学与技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005.8.
纳米粉体篇3
摘 要：混合碱法制备微米甚至纳米结构的粉体具有成本低，温度低，粉体结构的生长可以得到有效的控制的优点，因此混合碱法是一种快速制备粉体的理想方法。
关键词：混合碱法;快速制备;粉体颗粒
1.混合碱法
混合碱法是以熔融的无水混合碱做为溶剂，以氧化物和金属无机盐作为反应物，在常压、200℃左右合成陶瓷粉体的方法。常用的混合碱是氢氧化钠NaOH和氢氧化钾KOH的混合体。
有资料显示，NaOH的熔点Tm=323℃，KOH的熔点Tm=360℃，而将NaOH和KOH按照混合一定比例（NaOH占到48.5%）混合时，将混合碱加热，得到一个低的共熔点Tm=165℃。在这个合成工艺中，氢氧化物所起的作用不仅仅做为一种溶剂，而且还有一种能降低该反应反应温度的作用，节约了实验成本。
2.混合碱法制备粉体流程
2.1 反应流程
（1）将混合碱，所需的氧化物，可溶性盐按要求称量后放人反应釜;
（2）将反应釜放入高压釜;
（3）在恒温箱中加热，在经过一段时间的加热后，有新的物质生成;
（4）将高压釜取出凉致常温，清洗过滤，最后得到所需材料粉体。
2.2 颗粒生成机理
混合碱和氧化物混合加热，生成相应氧化物的钠盐和钾盐，在这个过程中发生离子交换，生成新的晶核，随着反应时间的增长，晶核不断地增多，晶核长大，聚集生成新的物相。
以钛酸钡制备为例说明反应过程，参与反应物为NaOH（或KOH），氧化钛TiO2，氯化钡BaC12。
（1）NaOH（或KOH）和TiO2生成钛酸钠Na2TiO3（或钛酸钾K2TiO3），同时NaOH（或KOH）和BaC12反应生成氢氧化钡Ba（OH）2;
（2）生成的Na2TiO3（或K2TiO3）和Ba（OH）2发生反应生成钛酸钡BaTiO3。NaOH（或KOH）参与的反应是一样的，为了简化反应，我们省掉KOH，反应方程如下：
2NaOH+TiO2=Na2TiO3+H2O
2NaOH+BaC12=Ba（OH）2+2NaC1
Na2TiO3+Ba（OH）2=BaTiO3+2NaOH
总的反应式可以表示为：2NaOH+TiO2+BaC12=BaTiO3+2NaCI+H2O
3.影响混合碱法的因素
3.1 温度
混合碱法的温度对合成产物结构具有一定的影响，受到加热后，参与反应的物质生成生成物母相晶相，形成稳定的晶核，母相中的质点按照晶体格子的构造不断的堆积到晶核上，晶体不断地长大。晶体的生长速率受温度和浓度等条件所控制。反应温度提高时，反应物生成速率在相对时间内加快，生成物浓度快速增大，晶核结晶速率也相应增大。所以适当的增加反应温度，会增加反应合成物的粒度尺寸。
3.2 时间
反应物受到加热，生成新物相晶核，新相质点不断堆积在晶核上面，晶体不断长大。随着时间的增长，生成物不断生成，生成物的浓度增大，单位时间内生成新相晶核的速率也不断增大，质点会聚集和附着在晶核上，晶粒得以长大。故适当延长加热时问，也会增加反应合成物的粒度尺寸。
3.3 掺加剂
掺加剂的影响主要通过两种途径影响颗粒尺寸大小，一种是通过催化反应速度影响颗粒大小;一种是通过生成新的物相来影响颗粒尺寸大小。
4.混合碱法的优点
4.1 工艺简单，合成温度低
两碱混合后加热可以形成一个低共融点，这样，在生产和实验中可以减少能源消耗，从而提高企业和公司的盈利水平。
4.2 混合碱的润滑剂作用
在反应过程中，混合碱受到加热，在低共融点处融化成液体，增大了参与反应的反应物的接触面积，从而加快反应速率，节省反应时间，起到了很好的润滑剂作用。
4.3 经济实惠
工艺所需要的原材料很便宜，整个合成过程成本效益较为可观，可供企业规模化批量生产。
4.4 满足多种应用和需要
采用混合碱法合成的纳米材料表面既没有化学试剂也没有无定型层，合成的纳米结构的材料粉体都是高质量的单一晶体，故可以满足很多应用和需要。
4.5 应用范围广
自从混合碱法被人们发现以后，它的应用范围越来越广，可以制备具有微米甚至纳米级结构的陶瓷粉体材料。
5.混合碱法应用实例
5.1 混合碱法制备钛酸钡BaTiO3
利用混合碱法制备BaTiO3，实验采用的混合碱NaOH和KOH按质量比例51.5：48.5共10g，TiO2和BaTiO3各0.5mmol，放入反应釜中，在恒温加热箱中加热至220℃反应72h。用混合碱法在反应温度220℃下反应72h合成制备的BaTiO3粒度是纳米级的。
5.2 混合碱法制备锰酸钡
实验中混合碱NaOH和KOH按质量比例（51.5：48.5）共10g，二氧化锰和氯化钡各0.5mmol，放入反应釜中，在恒温加热箱中加热至170℃反应72h。实验中，生长的锰酸钡为棒状，长度约为300nm
左右。
5.3 混合碱法制备单质
实验中7.8g氢氧化钠，10.2g氢氧化钾，0.117g氯化镍（NiCl2），用混合碱法在190℃加热24h，制备出了单质镍。
通过试验，我们可以得到混合碱法制备得到的单质镍颗粒基本上都是小立方体，颗粒平均尺寸在120nm左右。
6.结语
混合碱法制备纳米结构材料，被广泛应用于实验室制备合成钛酸系，锰酸系、掺杂锰酸系、锡酸系、铌酸系等复杂的盐类粉末，也用于快速制备单质。随着实验的不断深入，相信这种方法会越来越多的被借鉴并应用到合成其它的材料中去。