中國粉體網(wǎng)訊 近年來，資源的日趨緊張和經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來的環(huán)境問題日益突出，精細(xì)化工企業(yè)面臨節(jié)能減排、綠色發(fā)展及逐步實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)的要求，故而選擇科學(xué)的化學(xué)反應(yīng)路線，探索新的綠色適用技術(shù)是實(shí)現(xiàn)上述要求的主要途徑之一。傳統(tǒng)化工技術(shù)生產(chǎn)成本高，產(chǎn)率低，能源資源消耗大，且安全隱患潛在。微反應(yīng)技術(shù)在能源消耗、生產(chǎn)效率、自動化程度、反應(yīng)的可靠性、安全性、過程可控性以及產(chǎn)物的選擇性等方面均顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢，是一種顛覆傳統(tǒng)的反應(yīng)技術(shù)，受到了精細(xì)化工和材料領(lǐng)域研究者的高度關(guān)注。
在了解陶瓷微反應(yīng)器之前，我們先來了解一下微反應(yīng)器是什么？
微反應(yīng)器是什么？
1、微反應(yīng)技術(shù)
微反應(yīng)技術(shù)，即在化學(xué)反應(yīng)過程中，采用微反應(yīng)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的反應(yīng)器進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的工藝技術(shù)。微反應(yīng)器包括微換熱器、微混合器以及微控制器，也稱為微通道反應(yīng)器，它是一種利用微加工技術(shù)和精密加工技術(shù)制造的具有微結(jié)構(gòu)的管道式微型反應(yīng)器，幾何尺寸在10μm到3mm范圍內(nèi)，以替代宏觀的玻璃器皿如燒瓶、試管等及其它傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)器。微反應(yīng)器中最關(guān)鍵的部分是一系列有序的三維結(jié)構(gòu)的微通道，其反應(yīng)體積從幾nL到幾μL，長度通常在幾厘米左右，有利于實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物在微通道內(nèi)快速連續(xù)流動。
微反應(yīng)器內(nèi)部通道
2、微反應(yīng)器分類
微反應(yīng)器有多種分類方式，根據(jù)混合方式，可分為主動式和被動式兩類；按操作模式分為間歇式和連續(xù)式微反應(yīng)器；按反應(yīng)物相態(tài)分液液微反應(yīng)器、氣液微反應(yīng)器、氣液固微反應(yīng)器等；按照材質(zhì)，可分為陶瓷基、金屬基和高分子基微反應(yīng)器等。
3、微反應(yīng)器特點(diǎn)
微反應(yīng)器因其獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)，在混合效率和換熱效率、放大過程、集成化和連續(xù)化、反應(yīng)時間控制以及安全性方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，這些都是提高目標(biāo)產(chǎn)物的收率、選擇性和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。微反應(yīng)器有如下特點(diǎn)：
1）極高的混合效率和換熱效率；
2）高效的放大過程；
3）高度集成化和連續(xù)化操作；
4）精確控制反應(yīng)時間；
5）安全性、可靠性高；
6）反應(yīng)過程環(huán)保；
7）易儲運(yùn)等。
陶瓷微反應(yīng)器
陶瓷材料因具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在高溫、高機(jī)械強(qiáng)度和重腐蝕等苛刻環(huán)境下，具有比金屬等傳統(tǒng)材料更優(yōu)越的性能。陶瓷材料制備的微反應(yīng)器不僅具備微化工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，還便于催化劑的負(fù)載和實(shí)現(xiàn)氣液固三相反應(yīng)。
微通道反應(yīng)器的微通道形貌、尺寸直接影響化學(xué)反應(yīng)過程，所以陶瓷基微通道反應(yīng)器中微通道的成型是核心，通道的密封是關(guān)鍵。陶瓷材料主要成分不同，其力學(xué)、化學(xué)、熱特性差異較大，應(yīng)采用不同的加工技術(shù)。
1、氧化鋁陶瓷的微成型
氧化鋁陶瓷加工工藝較簡單，是目前應(yīng)用最廣泛的陶瓷材料。氧化鋁陶瓷制品耐高溫、抗腐蝕，能長期在1600℃的溫度下使用，制備所用粉料粒徑小且分布均勻，可滿足陶瓷基微反應(yīng)器的加工要求，但是氧化鋁高溫?zé)Y(jié)易收縮變形，導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)成型率低。氧化鋁陶瓷通常使用注塑和模壓的方式鑄造生胚。
2、碳化硅陶瓷的微成型
碳化硅陶瓷是良好的高溫結(jié)構(gòu)材料，能夠在1200～1400℃中仍保持高的抗彎強(qiáng)度，也是目前高溫強(qiáng)度最高的陶瓷。碳化硅優(yōu)良的導(dǎo)熱性和抗沖擊性彌補(bǔ)了氧化鋁陶瓷脆性大、導(dǎo)熱差的缺陷。碳化硅陶瓷易于機(jī)械加工，是目前商業(yè)陶瓷微反應(yīng)器制備的主要材料。碳化硅基板在機(jī)械加工后，通過精密的鍵合才能確保微反應(yīng)器的成型。
山東金德新材料有限公司碳化硅反應(yīng)器的生產(chǎn)流程
目前市場上的陶瓷微反應(yīng)器以碳化硅微反應(yīng)器為主。2017年，國內(nèi)山東金德新材料有限公司通過碳化硅無壓燒結(jié)實(shí)現(xiàn)了碳化硅陶瓷微反應(yīng)器的商品化，整體式碳化硅微反應(yīng)器采用多層無縫鍵合技術(shù)，產(chǎn)品線涵蓋桌面級、準(zhǔn)工業(yè)級和工業(yè)級。
山東金德新材料有限公司的碳化硅微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)
3、低溫共燒生瓷片的微成型
低溫共燒陶瓷技術(shù)（LTCC）是休斯公司于1982年開發(fā)的新型材料技術(shù)，常用于高集成度、高性能電子的封裝，近年來該技術(shù)被引入陶瓷基微反應(yīng)器的制備。低溫共燒陶瓷技術(shù)使用的材料是陶瓷流延片，又稱為低溫共燒生瓷片，生瓷片是指將玻璃陶瓷粉和有機(jī)黏合劑按照一定的比例混合，經(jīng)過漿化形成漿料后澆注在移動的載帶上，形成致密且均勻并具有足夠強(qiáng)度的生瓷片。生瓷片的厚度通常為幾百微米，易于機(jī)械微加工，通道設(shè)計(jì)靈活，集成度高，便于微反應(yīng)器的制備和過程控制模塊的嵌入。制備時對微反應(yīng)器進(jìn)行逐層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將生瓷片進(jìn)行機(jī)械微加工后疊層，再等靜壓壓合燒結(jié)。相比于氧化鋁陶瓷1900℃和碳化硅2300℃的燒結(jié)溫度，生瓷片燒結(jié)溫度較低，在870℃左右就能成型，且仍有較好的耐腐蝕、耐高溫性。
陶瓷微反應(yīng)器連接密封技術(shù)
陶瓷微通道的密封以及陶瓷元件與流體出入管道的連接方式限制了陶瓷基微反應(yīng)器的使用范圍，常用的石墨壓縮密封、焊接、膠合等密封連接方法，在連接處的耐溫耐化學(xué)性質(zhì)都遠(yuǎn)低于陶瓷的性能，限制了陶瓷基微反應(yīng)器的使用極限。因此，連接密封技術(shù)的發(fā)展影響著陶瓷基微反應(yīng)器的應(yīng)用。
1、陶瓷間的共燒結(jié)
陶瓷共燒結(jié)是將設(shè)計(jì)好的陶瓷模塊組裝壓合后再進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，連接處無縫、無滲漏、耐高溫且耐腐蝕。陶瓷基微通道使用陶瓷共燒結(jié)密封時，不受限于連接材料的性能，能夠最大限度地發(fā)揮陶瓷材料的特性，很好地應(yīng)用于高溫高壓反應(yīng)，但是共燒結(jié)對組裝壓力要求較高，適用于規(guī)整平面如微通道的密封，對于異形或小部件很難壓合燒結(jié)。
2、陶瓷與金屬的釬焊
陶瓷優(yōu)異的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損性能使其發(fā)展成為普遍認(rèn)可的高性能材料，但是與金屬材料難以結(jié)合限制了其發(fā)展。常規(guī)的熔化焊接很難實(shí)現(xiàn)金屬與陶瓷的牢固連接，通過釬焊能有效地將金屬與陶瓷連接在一起。釬焊是利用熔融液態(tài)釬材潤濕母材、填充接頭間隙并且相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)金屬與陶瓷連接的焊接方式。釬材在陶瓷表面的潤濕性是焊接質(zhì)量的保證，通過在陶瓷表面鍍金屬或者提高釬材潤濕性，確保了微反應(yīng)器和金屬管道間連接的可靠性，隨著耐高溫釬焊的發(fā)展，釬焊連接的微反應(yīng)器也能夠在高溫下使用。
3、陶瓷的黏合
現(xiàn)代粘接工藝使用膠黏劑能夠?qū)⑻沾膳c陶瓷、金屬、聚合物等材料牢固地連接在一起，有較高的使用強(qiáng)度。膠黏劑一般分為有機(jī)膠和無機(jī)膠兩大類，有機(jī)膠黏劑有酚醛樹脂類、環(huán)氧樹脂類、有機(jī)硅類等，在300℃下有很好的耐候性并且能夠很好的承受應(yīng)力；無機(jī)膠黏劑有硅酸鹽類、磷酸鹽類、氧化物類等，具有優(yōu)異的耐溫性，可在−183～2900℃范圍內(nèi)使用，但是耐化學(xué)性較差且不耐沖擊。
參考來源：
[1]劉潤陽.陶瓷基微反應(yīng)器制備的研究進(jìn)展
[2]丁濤.微/納反應(yīng)器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景
[3]吳迪.微反應(yīng)器技術(shù)及其研究進(jìn)展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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