在傳統(tǒng)納米材料制備的過(guò)程中，多數(shù)企業(yè)采用反應(yīng)釜進(jìn)行合成，得到的納米材料存在粒度大、粒徑分布寬以及批次差異大等缺點(diǎn)，加上傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝復(fù)雜、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題，各大廠家正尋求新的途徑提升產(chǎn)品質(zhì)量以及自動(dòng)化程度。
制藥行業(yè)一直是流動(dòng)化學(xué)興起的主要推動(dòng)力，有機(jī)合成一直是所有在流動(dòng)化學(xué)設(shè)備上開(kāi)展的研究工作重點(diǎn)。其他領(lǐng)域，例如生物燃料，石油化學(xué)和納米顆粒合成，也可以從這些相同的優(yōu)勢(shì)中受益。
專(zhuān)門(mén)研究納米顆粒合成的公司和大學(xué)對(duì)連續(xù)流微通道反應(yīng)器需求不斷增長(zhǎng)。另外，關(guān)于納米顆粒，量子點(diǎn)和膠體金屬的連續(xù)形成的主題的出版物越來(lái)越多。
納米粒子的物理和化學(xué)特性，它們被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，導(dǎo)致對(duì)化學(xué)家提供可靠，大量高質(zhì)量納米粒子的可靠供應(yīng)的需求不斷增長(zhǎng)。
其他化學(xué)方法來(lái)分批生產(chǎn)納米顆粒存在以下問(wèn)題：混合中的不均勻性，老化的重要性，溫度難以精確控制以及批次之間的可重復(fù)性有問(wèn)題。批處理過(guò)程通常取決于化學(xué)家的技能，而不僅取決于化學(xué)本身。(non-homogeneity in mixing, the importance of aging, the difficulty of accurate temperature control and questionable reproducibility from batch to batch)
流動(dòng)化學(xué)具有許多優(yōu)點(diǎn)，可幫助克服這些挑戰(zhàn)，特別是快速且可重現(xiàn)的混合，出色的溫度控制，進(jìn)行加壓反應(yīng)的能力，模塊化和易于放大。
連續(xù)流微通道反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)以及研發(fā)人員在納米材料合成方面的長(zhǎng)期試驗(yàn)研究，在利用微反應(yīng)器制備納米材料領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，目前已在納米硫酸鋇、納米磷酸鐵、納米氧化鋅等產(chǎn)品合成方面取得了巨大的成功。
微流控納米顆粒藥物制造系統(tǒng)把生物活性物質(zhì)DNA、RNA、蛋白等，包裝成納米顆粒，具有粒徑均一度高，批次可重復(fù)性，PDI低，包封率高，流速快，線性放大，無(wú)需摸索放大條件，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于納米藥物。
產(chǎn)品類(lèi)型：脂質(zhì)納米粒子、脂質(zhì)體、多聚納米顆粒、微乳、無(wú)機(jī)/有機(jī)納米顆粒、納米級(jí)的懸浮液。
基于納米沉淀原理，開(kāi)發(fā)了一種基于微反應(yīng)器的連續(xù)過(guò)程，用于合成PMMA納米顆粒（NP）。
納米粒子可能的其他應(yīng)用領(lǐng)域：消費(fèi)品領(lǐng)域的熒光量子點(diǎn)，氧化鐵納米顆粒用于分離過(guò)程和靶向藥物釋放。
納米碳酸鈣
由于特殊的表面及量子物理性能，納米材料技術(shù)受到廣泛關(guān)注。而納米級(jí)的碳酸鈣由于其在精細(xì)化工領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用而尤以為甚。
納米碳酸鈣具有超細(xì)、超純的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于橡膠、塑料、造紙、化學(xué)建材、油墨、涂料、密封膠與膠粘劑等行業(yè)。以涂料行業(yè)為例，針對(duì)涂料中使用填料和骨料的特點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的立德粉和鈦白粉，專(zhuān)用紡錘形納米碳酸鈣的粒子非常細(xì)小，與水完全潤(rùn)濕，易于研磨和分散，有極強(qiáng)的吸附力，表面涂層光滑、色彩艷麗質(zhì)感好，可取代市場(chǎng)價(jià)格昂貴且不穩(wěn)定的鈦白粉。尤其在一些特殊填料的高級(jí)納米涂料配方調(diào)制中，可以降低基料粘合劑的用量，來(lái)降低成本，提高產(chǎn)品技術(shù)含量，開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)出更綠色環(huán)保的功能性涂料，獲得經(jīng)濟(jì)效益。
由于市場(chǎng)的需求量，目前，碳酸鈣的合成工藝主要由二氧化碳和氫氧化鈣的沉淀反應(yīng)來(lái)制得。然而，這一工藝的合成過(guò)程中，分散、混合和傳質(zhì)問(wèn)題的研究一直存在不足。
二氧化碳和氫氧化鈣的沉淀反應(yīng)是個(gè)非?？斓姆磻?yīng)，因此，如何更好地溶解二氧化碳?xì)怏w，就要求較高的混合及傳質(zhì)效果。近年來(lái)，微反應(yīng)器技術(shù)的興起引發(fā)了科學(xué)及工業(yè)界極大的興趣。研究中也通過(guò)不同的微通道設(shè)計(jì)以及工藝過(guò)程的優(yōu)化很大程度上展現(xiàn)了在傳質(zhì)上的優(yōu)勢(shì)。
在碳酸鈣的沉淀過(guò)程中，過(guò)飽和比被定義為:
[Ca2+]為鈣離子濃度，[CO32-]為碳酸離子濃度，Ksp為溶解的碳酸鈣。
生成納米顆粒必須要很高的過(guò)飽和值，所以從公式中可以看出，[Ca2+]和[CO32-]的數(shù)值也要大。
該反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理：
從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)分析，碳酸氫根離子的生成和碳酸離子的生成都是快反應(yīng)，氫氧化鈣也很容易分解，所以，體系中的鈣離子濃度是可以保證的。盡管整個(gè)反應(yīng)過(guò)程非常之快，但是二氧化碳從氣相到液相之間的傳質(zhì)是一個(gè)慢過(guò)程，混合過(guò)程決定了碳酸離子的濃度。所以，過(guò)飽和值主要由二氧化碳的傳質(zhì)效率來(lái)決定。所以，相與相之間的混合以及二氧化碳的傳質(zhì)對(duì)于納米碳酸鈣的制備非常關(guān)鍵，控制好傳質(zhì)就能控制好納米顆粒度的大小范圍。
有文獻(xiàn)報(bào)道，有用微孔濾膜等方法進(jìn)行納米碳酸鈣合成的成功案例，由于傳質(zhì)和混合效率的加強(qiáng)，可以將納米顆粒的大小控制得非常好。研究表明，隨著二氧化碳通量密度的增加，生成的碳酸鈣的顆粒度大小隨之減小。與傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)相比較，通過(guò)有微孔結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器可以顯著加強(qiáng)混合效果。通過(guò)調(diào)整和嘗試不同的體系流速，增加在微通道結(jié)構(gòu)中流體的速度，從而大大減小分散相過(guò)程中的幾何級(jí)數(shù)，縮短傳質(zhì)距離，在一定范圍內(nèi)強(qiáng)化傳質(zhì)效果。
對(duì)于納米碳酸鈣的合成，可以將事先配好的氫氧化鈣懸浮液泵入反應(yīng)器，同時(shí)將二氧化碳?xì)怏w進(jìn)料，康寧反應(yīng)器可以以?xún)?yōu)于傳統(tǒng)釜式100倍的傳質(zhì)效率來(lái)強(qiáng)化二氧化碳?xì)怏w在相之間的傳質(zhì)與混合，達(dá)到非常好的體系過(guò)飽和值，從而更精準(zhǔn)地控制納米顆粒的大小和粒徑分布，提高產(chǎn)品的純度。靈活的模塊化設(shè)計(jì)，可以快速對(duì)反應(yīng)的停留時(shí)間、進(jìn)料速度、PH值等參數(shù)的調(diào)節(jié)，來(lái)獲取不同的工藝參數(shù)，達(dá)到不同的工藝效果。
連續(xù)流微通道反應(yīng)器對(duì)液液、氣液及氣液固等非均相體系有絕佳的混合效果，可以進(jìn)行精準(zhǔn)進(jìn)料。和傳統(tǒng)的微通道反應(yīng)器相比，由于通道尺寸多在微米級(jí)在納米材料的合成工藝過(guò)程中容易形成堵塞。
毫米級(jí)尺寸反應(yīng)器的通道在可以處理粒徑大小<200微米的顆粒物，通道結(jié)構(gòu)平滑，無(wú)死體積，使得其在納米材料合成領(lǐng)域大有作為。
納米顆粒合成中的精確反應(yīng)控制
流化學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵特性之一是其內(nèi)部潤(rùn)濕通道的直徑非常小，通常在0.3-1 mm的范圍內(nèi)。這對(duì)微型反應(yīng)器的混合質(zhì)量和溫度控制都具有巨大影響。
系統(tǒng)的流動(dòng)條件由雷諾數(shù)（Re）定義，即流體的平均粘度乘以特征尺寸再除以運(yùn)動(dòng)粘度。對(duì)于低雷諾數(shù)（低于4,000），流動(dòng)條件是層流的；對(duì)于高雷諾數(shù)，它們是湍流的。在連續(xù)流化學(xué)系統(tǒng)中，通道尺寸導(dǎo)致雷諾數(shù)始終很?。ㄍǔ?lt;100），因此流態(tài)始終是層流的。
在層流條件下，混合受到擴(kuò)散限制，并且速度極快。通常，在微反應(yīng)器中，混合為約1-5秒。由于微型反應(yīng)器的形狀不會(huì)改變，并且不涉及物理攪拌器，因此它的重現(xiàn)性也很高。
通過(guò)使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的微型反應(yīng)器（稱(chēng)為微型混合器芯片），混合時(shí)間甚至可以進(jìn)一步減少到一秒鐘以下。這使得微混合器芯片成為納米顆粒合成方案的首選反應(yīng)器，其中混合是關(guān)鍵參數(shù)。
微反應(yīng)器通道的小直徑也意味著其表面體積比極高。這樣可實(shí)現(xiàn)出色的熱傳遞以及快速，有效的溫度控制和響應(yīng)。不僅沒(méi)有間歇式反應(yīng)器中看到的溫度梯度，而且任何放熱或吸熱都非常迅速地被吸收，從而在整個(gè)微反應(yīng)器中保持了均勻的溫度。
Seeberger教授(Max Planck Institute of Colloids & Interfaces)及其同事在描述玻璃微反應(yīng)器中連續(xù)量子點(diǎn)合成過(guò)程的論文中指出了精確控制實(shí)驗(yàn)條件所起的關(guān)鍵作用。合成的量子點(diǎn)連續(xù)與使用類(lèi)似的批處理方案所獲得的顆粒分布相比，Seeberger研究小組的流動(dòng)具有更窄的顆粒分布。Fitzner及其同事在流動(dòng)微反應(yīng)器中制備膠體金也表明了這種趨勢(shì)。
鐵納米顆粒的連續(xù)合成中粒子的大小至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了其順磁特性。在微反應(yīng)器中進(jìn)行鐵納米顆粒合成可以實(shí)現(xiàn)超快速混合，隨后形成的精細(xì)磁性鐵納米粒子的質(zhì)量和重現(xiàn)性均高于批量合成（batch synthesis）。
連續(xù)流動(dòng)的過(guò)程靈活性
使用連續(xù)流化學(xué)系統(tǒng)制造納米顆粒的其他優(yōu)點(diǎn)包括易于擴(kuò)展，系統(tǒng)模塊化以及進(jìn)行高壓反應(yīng)和多步工藝的能力。
由注射泵，微反應(yīng)器和壓力控制器組成的流化學(xué)系統(tǒng)是納米顆粒合成的良好起點(diǎn)。該系統(tǒng)將允許用戶(hù)進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)以確定最佳反應(yīng)條件。一旦確定了最佳的反應(yīng)條件，就可以使用相同的設(shè)置連續(xù)懸浮液來(lái)合成數(shù)克的納米顆粒。
通過(guò)添加自動(dòng)進(jìn)樣器并通過(guò)軟件使系統(tǒng)自動(dòng)化，系統(tǒng)的功能得以擴(kuò)展，非常適合過(guò)程優(yōu)化和研究反應(yīng)參數(shù)?？梢钥焖僭O(shè)置，自動(dòng)運(yùn)行一系列實(shí)驗(yàn)，并分別收集所有樣品進(jìn)行分析。Fitzner及其同事使用這種設(shè)置來(lái)研究反應(yīng)溫度對(duì)膠體金粒度分布的影響。
使用背壓調(diào)節(jié)器還可以非常輕松，安全地對(duì)流化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行加壓。這樣可以將溶劑加熱到沸點(diǎn)以上，這通常被稱(chēng)為“過(guò)熱”，從而提高了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)并創(chuàng)造了超快反應(yīng)條件。最重要的是，對(duì)系統(tǒng)加壓可以最大程度地減少反應(yīng)產(chǎn)生副產(chǎn)物氣體時(shí)可能發(fā)生的除氣效果（degassing effect）。
最后，微反應(yīng)器和流動(dòng)化學(xué)是多步工藝（通常稱(chēng)為“伸縮合成--telescoping synthesis”）的理想選擇。通過(guò)簡(jiǎn)單地將第一反應(yīng)器的輸出連接到第二反應(yīng)器的輸入，可以建立兩步反應(yīng)。Seeberger的小組在其量子點(diǎn)工藝中利用了這種流化學(xué)優(yōu)勢(shì)。首先，在微型反應(yīng)器中形成鎘-硒納米顆粒，然后在第二個(gè)串聯(lián)的微型反應(yīng)器中用硫化鋅覆蓋納米顆粒。此兩步反應(yīng)作為一個(gè)連續(xù)過(guò)程進(jìn)行，因此節(jié)省了時(shí)間和人工。
流動(dòng)化學(xué)是一種有效的技術(shù) 優(yōu)化反應(yīng)及其大規(guī)模合成的研究。可以幫助納米顆粒工業(yè)的流化學(xué)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)包括出色的反應(yīng)控制，靈活性和易于擴(kuò)展。這些益處是如此重要，以至于在不久的將來(lái)，連續(xù)流可能會(huì)成為納米顆粒合成的選擇方法。
一、 應(yīng)用案例
納米硫酸鋇
微反應(yīng)制備納米硫酸鋇產(chǎn)品特點(diǎn)：
① 粒徑小，D90＜50nm；
② 粒徑分布窄，接近正態(tài)分布；
③ 形貌規(guī)則，近球形。
納米磷酸鐵
納米磷酸鐵是電池正極材料磷酸鐵鋰的前驅(qū)體，納米磷酸鐵粒度的均勻性、壓實(shí)密度、Fe/P摩爾比等指標(biāo)對(duì)鋰電池的電性能有著重要的影響。使用微反應(yīng)器制備磷酸鐵能全面性的提高磷酸鐵鋰電池的電性能，且對(duì)比傳統(tǒng)釜式工藝，微反應(yīng)器具有以下優(yōu)勢(shì)：
① 設(shè)備體積小，減少?gòu)S房投入；
② 設(shè)備為靜設(shè)備，能耗低（僅靠計(jì)量泵提供動(dòng)力），維護(hù)成本低；
③ 混合效率高，提高時(shí)空收率；
④ 產(chǎn)品品質(zhì)可控，無(wú)批次差異；
⑤ 連續(xù)化生產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，節(jié)約人工成本。
納米氫氧化鎂：平均粒徑≤70nm，粒徑分布均一，且形貌規(guī)則，均為片狀。
納米氧化鋅
一定濃度的鋅鹽溶液和堿液通過(guò)計(jì)量泵按一定流量比例分別泵入微反應(yīng)器，兩相物料在微通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速混合，完成反應(yīng)過(guò)程，得到氫氧化鋅漿料，再經(jīng)過(guò)洗滌分離、煅燒即可得到氧化鋅粉末。平均粒徑20-30nm；粒徑均一，形貌接近球形。
碳納米管催化劑
其它納米材料制備
三、微反應(yīng)器制備納米材料優(yōu)勢(shì)
對(duì)比傳統(tǒng)釜式工藝，微反應(yīng)器制備納米材料具有以下優(yōu)勢(shì)：
① 生成的納米材料粒度分布均勻、產(chǎn)品品質(zhì)可控、無(wú)批次差異；
② 設(shè)備為靜設(shè)備、能耗低、操作維修簡(jiǎn)單，降低維護(hù)成本；
③ 微反應(yīng)混合效率高，物料在反應(yīng)器里可以達(dá)到毫秒級(jí)混合；
⑤ 設(shè)備體積小且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，降低廠房投入以及人力成本。