制备技术

制备技术（共12篇）

制备技术 篇1

现在用于研究、诊断以及治疗的抗体主要是来源于哺乳动物的单克隆抗体或多克隆抗体, 但多抗和单抗的制备技术技术都有优点及不足。在单抗制备的过程中存在的主要问题是有一些抗原对小鼠是弱免疫原或根本没有免疫原性。在多抗生产和纯化的过程中, 多数情况下从哺乳动物血液中制备抗体的产量很低, 而且步骤繁琐。另外制备过程中有一些步骤会导致动物产生应激。现有这些技术的不足以及对动物权利保护的关注, 提高了开发其它替代方法生产抗体的兴趣。虽然了解高免母鸡可以将血清中的免疫球蛋白转运到卵黄内这个事实已有超过百年的历史, 但采用这个可行的替代方法生产抗体是近三十年来的事情, 生产鸡的多抗、单抗和重组抗体以及对这些抗体进行分离纯化, 在操作和应用上几乎完全与生产哺乳动物抗体相同。由此衍生出来的禽源抗体制备技术也得到了相应的发展, 并被广泛地应用, 本文仅对以鸡源抗体为主的制备技术进行专论。

1 鸡Ig Y的结构、制备以及应用

1.1 鸡Ig Y与哺乳动物Ig G的结构与特点

最初禽源的血清免疫球蛋白被分类为Ig G样免疫球蛋白, 后来发现这种抗体与Ig G不同, 将其命名为Ig Y。Ig Y是鸟类、爬行类、两栖类的一种典型的低分子量血清抗体, 并且作为哺乳动物所特有的Ig G和Ig E抗体的进化祖先。在所有的鸟中, 鸡的Ig Y是被研究最彻底的。总体上Ig Y与Ig G在结构上相似, 都有2个67~70ku的重链 (Hv) 以及2个分子量为25ku的轻链 (L) 。两者的主要差别是H链上的恒定区 (C) 的数量不同:Ig G有3个恒定区 (Cγ1-Cγ3) , 而Ig Y有4个恒定区 (Cv1-Cv4) 。

因为Ig Y上额外的那个C区上有两个相应的碳链, 所以Ig Y的分子量更大为180ku, 而Ig G分子量为150ku。因为不存在哺乳动物Ig G所特有的位于Cγ1-Cγ2的铰链区, 因此Ig Y没有Ig G柔韧。在Ig Y的一些区域 (Cv1-Cv2与Cv2-Cv3的交界处) 富含脯氨酸和甘氨酸残基, 使Ig Y具有有限的柔韧性。Ig Y的等电点为5.7~7.6, 比Ig G的疏水性更强, 鸡的中心体温相对较高为41℃, 因此Ig Y的半衰期超过数月, 在室温放6个月或37℃放一个月还可保持活性。

结构上的不同在分子与生物化学作用上有一定的体现, 免疫球蛋白Ig G的多数生物效应功能是通过被Fc片段所激活, 而那是Ig Y与Ig G在结构上不同的主要区域。这就是为何经典的Ig G-Fc依赖的功能在Ig Y分子上表现根本不同, 首先, Ig Y并不激活补体系统;第二, Ig Y并不结合蛋白A或蛋白G;第三, Ig Y并不结合哺乳动物抗体, 例如抗类风湿因子 (RF, 一种抗自身Ig G与Fc片段的抗体) 或人抗鼠的抗体 (HAMA) ;第四, Ig Y并不结合细胞表面的Fc受体。这些在分子作用上的不同, 决定了使用Ig Y有更多的优点, 因此Ig Y在研究、诊断、医学以及生物技术上的应用广泛。

1.2 鸡多抗制备的Ig Y技术

用鸡作为免疫宿主有一定的优点, 鸡的母源血清抗体被转运到卵黄中, 可以通过采集卵黄中的抗体, 来替代侵袭性很强的采集血样, 从被免疫动物的福利方面讲更有优势。从进化的观点上看, 用鸡作为抗体制造的动物也有一定的优点。被免疫动物宿主与提供免疫用抗原的动物在遗传关系上越远, 免疫反应越强。当处理一些高度保守的哺乳动物蛋白如激素或朊蛋白时尤其重要。鸡的免疫系统更容易识别哺乳动物蛋白上的抗原表位。把鸡作为试验动物也有成本上的优势。总之, 蛋鸡、SPF鸡以及外系鸡可被使用。在免疫鸡时应该考虑两个问题:首先, 10%~15%的外系鸡对一些抗原无反应性或反应性很低 (比如鸡伤寒沙门氏菌素、人血清白蛋白) ;其次, 一些鸡的病毒性疾病有免疫调节作用, 可干扰抗体的产生。因此在生产治疗用抗体时必须采用SPF鸡。在Ig Y制备的过程中, 基本上对每种不同的抗原, 都应采用不同的免疫程序进行摸索, 对不同佐剂、抗原剂量、体积、注射途径、免疫时间和间隔都应进行研究。寻找可以诱发最高血清抗体或/和卵黄抗体的最佳程序。通常采用10~100mg的蛋白抗原, 用终体积1m L对7~8周龄鸡在胸肌以2~3点进行注射。可以采用弗氏不完全佐剂来进行首次免疫, 避免最终的局部组织损伤。免疫频率和间隔根据抗原潜在的免疫原性及采用的佐剂进行调整。经常以2~4周为间隔进行免疫, 一般在二免后的2~4周检测Ig Y的效价。在整个产蛋期内, 当抗体滴度下降时, 可进行加强免疫, 每只产蛋鸡每周可生产5~6个蛋, 平均每个卵黄包含50~100mg Ig Y, 其中2%~10%是特异性抗体, 与制备多抗所用的哺乳动物相比产量更高。

卵黄中含有大量的脂质, 会影响Ig Y的纯化, 现已开发出来多种方法进行除脂, 并开发出了一系列的分离纯化方法, 经常使用的方法是亲和纯化、硫酸铵或聚乙二醇PEG沉淀, 以及制备高纯度抗体的免疫亲和纯化方法。Ig Y抗体也可以耦合一些小分子, 比如生物素、荧光素、过氧化酶等。而且它们也对木瓜蛋白酶、胃蛋白酶的消化敏感, 消化后产生Fab与Fab’片段。

1.3 Ig Y的应用

现已制备抗多种抗原的鸡多克隆抗体, 而且在很多方面进行了应用 (作为研究、诊断、预防用试剂;作为一种纯化和检测抗原的工具;以及用于被动免疫) , 并可作为哺乳动物抗体的一种很好替代产品。Ig Y实际上可用于哺乳动物Ig G所开发的所有血清学方法, 比如免疫荧光抗体技术、免疫酶技术、免疫电泳、免疫印迹以及免疫组化等其它方法。

在诊断方面, 当检测人血清中的成分时, 人的补体成分、RF和HAMA是主要的干扰物, 用哺乳动物Ig G诊断时会在很多检测中易产生假阳性。因为Ig Y不与哺乳动物Ig G或补体系统反应, 所以Ig Y在这些检测中具有更大的优点, 可使背景颜色下降, 减少假阳性。在最近的5年中, Ig Y已被成功地用于人和动物多种胃肠道病原体的被动免疫保护, 以及作为一种免疫治疗试剂, 作用于采用传统抗生素无法治疗的病原体, 也可作为一种在癌症研究、诊断与治疗的工具。

2 鸡的单克隆抗体

Kohler与milstein (1975) 首先开发了制造单克隆抗体的方法。虽然持续使用这项技术超过了30年, 并取得了很大进展, 但这项技术仍存在一些缺陷和不足。一些原因是多数的单抗是鼠源的 (一些是大鼠源, 很少有人源的) 。首先, 当有哺乳动物的血清成分存在时, 哺乳动物单抗并不是最合适用于诊断;其次, 进化保守的抗原对哺乳动物是弱免疫原或没有免疫原性。采用鸡作为免疫供体提供脾细胞至少可以克服这两种缺陷。制备鸡的单抗需要对制备哺乳动物单抗的技术进行一些改进, 但总体思想和操作步骤相同。主要的问题是建立相应的可用于与供体鸡B细胞融合的瘤细胞系, 并在成功融合之后进行HAT的筛选。

Nishinaka等 (1991) 最早报道了制备鸡源单克隆抗体, 他们采用了4株TK-的骨髓瘤B细胞系 (R27H1-4) 制备了抗血蓝蛋白钥匙孔层的鸡单抗, 在HAT筛选的过程中, 出现了一些HAT敏感的细胞, 并抑制杂交瘤细胞最初的生长, 降低了筛选所需要克隆的机会。因此需要对鸡的骨髓瘤细胞系进行改造, 通过向TK-的骨髓瘤细胞系中引入喹巴因抗性基因解决了这个问题。并以亲本细胞系R27H1与R27H4分别建立了两个新细胞系Mu H1与Mu H4, 极大地提高了融合效率, 并在最近几年中, 制备了一些鸡源单抗。Haruo教授等在1998与1999年间制备了抗合成的牛朊病毒肽以及抗人朊病毒N-端的单抗, 可用于分析人类和哺乳动物阮病毒的感染。

3 采用噬菌体和文库制备重组鸡抗体

在用于人类疾病治疗时, 常用的鼠源单抗也有不足, 因此需要采用新方法来制备抗体。采用PCR方法可以快速地克隆到特定蛋白的基因, 比如Ig基因中那些主要编码可变区 (v) 的基因, 采用表面展示技术可在细菌或噬菌体纤毛的表面展示多肽 (Ig分子或它们的片段) , 结合体外筛选技术, 可以合成和筛选抗体。实际上抗体是1990年在噬菌体表面上最成功展示的蛋白。噬菌体技术的一个直接应用是克隆Ig基因, 构建可被迅速表达的基因抗体文库。来源于杂交瘤、天然的或免疫供体脾脏B细胞的Ig基因均可以构建文库。和杂交瘤技术相比, 从一个单独供体的材料上可以得到大量的抗体。选定的抗体比单抗具有更大的亲和力, 而且更容易大量制备, 现在可用噬菌体来展示来源于Ig文库中人与鼠的抗体片段 (Fab、可变区片段Fv、及单链的可变区片段sc Fv以及采用两个不同的多肽链VH1-VH2和VL1-VL2作为双体片段的构建体) , 以及一些来源于很多物种Ig文库的抗体。噬菌体展示和抗体文库这两种技术都可用于制备鸡的抗体或它们的片段。鸡有两种优点, 首先它们对进化保守的哺乳动物蛋白有反应性, 可用作抗原。其次, 鸡的所有免疫球蛋白在构象与哺乳动物有所不同, 使得操作更加容易。哺乳动物中Ig分子的多样性是由于Ig的重链和轻链上一系列V、D、J基因片段的自体重组所致。在鸡中由来源于Ig重链和轻链的单功能V与J片段进行V (D) J重排, 并进一步通过基因转变来获得更多的多样性。

Daves首先证实了制备噬菌体抗体的可能性。他们采用非免疫鸡的法氏囊提取总RNA, 构建了sc Fv文库, 用噬菌体展示技术, 筛选到针对不同抗原的特异性sc Fv。Yamanaka等从免疫鼠血清白蛋白的鸡中分离的脾细胞中提取RNA构建文库, 并筛选到特异性sc Fv。一些杂交瘤产生抗体的水平过低, 为了生产大量的单抗, Nakamura等采用分泌针对哺乳动物朊病毒N端的杂交瘤细胞的RNA, 利用噬菌体展示技术构建了sc Fv。Kim等从分泌针对爱美尔球虫不同蛋白的特异性单抗的VH和VL基因制备了sc Fv。对鸡抗体研究的最大贡献来自Andis-Windhoph, 他采用同一个动物, 构建了三个文库, 并从中筛选到抗原特异性的克隆。将脾细胞和骨髓细胞混合, 提取RNA, 构建了两个sc Fv文库, 一个是sc Fv单体文库, 另外一个是sc Fv双体构象文库。第三个是鸡—人的嵌合Fab抗体文库。可用此方法制备特异性鸡的抗体, 对临床上相关的抗原进行诊断。

4 在鸡蛋中表达基因工程抗体

虽然重组抗体技术给生产治疗用抗体方面带来了新的思路, 但便宜和高效生产的需求仍然存在。鸡蛋长久以来一直被作为一种生产药物的有潜力、低成本及高产率的生物反应系统。卵清和卵黄是无菌的, 大量的蛋白被分泌到卵清和卵黄中, 并可采用不同的技术对蛋白进行分离。现在商品化鸡场每日产蛋量很高, 可以获得大量的蛋白。

现已采用很多策略来制备转基因鸡, 生产用于治疗包括癌症在内很多疾病的新药。重组人的抗体是一种很有前景的药物, 现已在鸡体内成功的制备。当鸡的卵母细胞发育时, 膜上的受体可以捕获大量母源血清中的Ig Y并转运到卵黄中。Sherie等发现Ig Y上的序列对受体介导的转运作用很重要, 使一些Ig可以被运送到卵黄中。拥有同样序列 (或同源序列) 人的Ig G和Ig A可被转运到卵黄中, 而鸡的Ig A、Ig M以及截断形式的鸭Ig Y由于缺乏这样的序列而不能通过卵黄膜被转运。他们的研究结果提示可以将有其它治疗作用的蛋白直接沉淀到卵黄内。Mohammed等将人的Ig G和Ig A通过静脉给鸡注射, 结果在鸡的卵黄中均检测到了这两种分子, 而人的Ig A主要沉积在卵清中。Mohammed等采用分泌重组人的Ig G (rh Ig G) 以及重组人的Ig A (rh Ig A) 稳定的DT40细胞系建立转基因鸡, 通过静脉给鸡注射后, 这些细胞定殖于宿主体内, 分泌的rh Ig G与rh Ig A被沉积到卵黄中。由于没有耐受, rh Ig G与rh Ig A诱发了鸡抗人的免疫反应, 因此卵黄中多数的抗体也抗rh Ig G/rh Ig A。总之, 这些结果提示可以通过抑制内源性鸡Ig的产生, 制备转基因鸡来生产单一而确定的抗体。

5 小结

作为可以替代哺乳动物抗体的鸡Ig Y, 由于其特有的优点, 在开发出来后被广泛的应用, 而且在不断的应用中, 促进了这类制品的标准化, 比如兽医上应用的卵黄抗体。而抗体制备技术的发展也带动了抗体产业的升级。采用鸡源抗体的替代方法发展也与现在国际上关于试验动物福利的减少、优化和替代原则一致。

制备技术 篇2

金属材料热处理表面强化技术研究 l引言

随着工业现代化工业的快速发展，对各种机械设备零件的表面性能要求越来越高。一些在特殊条件下工作的零部件，往往因其表面局部磨损而使整个零件报废。因此如何提高和改善零件的表面质量和性能，以延长工件的使用寿命是一个十分重要的问题l’，2]。世界各国对金属材料表面和近表面区组织的改性处理技术进行了深入的研究，通过机械、物理、化学等方法来改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态，即采用各类表面改性技术，使材料表面具有较本体更高的强度，和更加优良的耐蚀、耐磨、耐高温和抗疲劳等性能，从而充分发挥金属材料的潜力，提高其表面耐磨性，达到延长使用寿命、拓宽其应用领域的目的13，4]。金属表面改性技术在冶金、机械、电子、建筑、轻工、仪表等各个工业部门乃至农业和人们日常生活中都有着广泛的用途，其种类繁多，除常用的喷丸强化、表面热处理等传统技术外，激光、电子和离子等高能束表面处理技术也取得了快速的发展[5]，大量的研究成果己经在工业生产中得到广泛的应用。进入21世纪后，随着人们环保意识的不断提高，对环境无污染的“绿色”表面强化技术越来越受到人们的青睐。近年来，俄国文献le.姆及道了一种新的表面强化技术，鉴于这种技术的文献报道较少，其作用机制还未见相关报道，而且该项技术尚未有规范的称谓，为此，我们暂且称其为热一声处理技术，与传统的表面改性技术相比，它高效、低耗、无污染，并且工艺上易于实现，具有较好的应用前景。

1.2表面改性技术概述

磨损、腐蚀和断裂是机械零部件、工程构件的三大主要破坏形式，它们所引起的经济损失十分巨大。其中由于磨损、腐蚀导致的机件失效而造成经济损失的，占有相当大的比重。在美国国家材料政策委员会向美国国会提出一份报告指出:由于摩擦磨损引起的损失，使美国经济每年支付1000亿美元的巨额资金，这项损失中的材料部分约为200亿美元;在1983年前联邦德国的一次调查中指出:由于摩擦磨损造成的损失估计为387亿马克:而在英国，由于摩擦磨损造成的经济损失每年至少为51500万英镑以上，相当于当时1965年国民生产总值的1.1%。许多国家政府对腐蚀造成的损失也进行了调查分析，美国Battelle实验室和国家

图1 表面强化技术

标准局1978年共同进行调查表明:1975年美国由于腐蚀造成的经济损失达820亿美元，占国民生产总值的4.9%，1995年4月Battelle和SSINA发表报告指出:现在美国每年因为腐蚀损失3000亿美元;1983年我国也曾对腐蚀作过调查，当时的结论为我国因腐蚀造成的经济损失至少在400亿元人民币以上。据不完全统计，世界能源的1/3一1/2由于摩擦磨损而消耗掉，机械零件80%的失效的原因是摩擦磨损，而每年出于腐蚀造成的直接损失大约占整个

国民生产总值的1%一4%。

众所周知，磨损和腐蚀均发生于机件表面的材料流失过程，而且其他形式的机件失效也多是从表面开始。尽管磨损与腐蚀是不可避免的，但是若采取有力措施，还是可以提高机件的耐磨性、耐蚀性的。金属表面工程技术主要是利用各种表面涂层即面改性技术赋予基体材料本身所不具备的特殊的力学、物理或化学性能，如高硬度、高耐磨性、减摩性、抗高温氧化性、抗辐射性等，而基体本身所具有的特性不会受到很大影响。另外，采用现代表面工程技术，不但可以大幅度的提高工件的质量和性能，成倍的延长使用寿命，而且技术上成熟，工艺上简便，经济上可行，获得了事半功倍的效果。因此，近二十年来表面工程技术发展迅速，不断完善，逐步形成一门独立的学科。

金属材料表面改性技术，也就是运用现代技术，改变材料表面、亚表面的成分、结构和性能的处理技术，主要包括表面形变强化，表面相变强化、离子注入表面强化、表面扩散渗入强化以及化学转化等，如图1.1所示。表面改性技术的应用使基体材料表面具有原来没有的性能，这就大幅度的拓宽了材料的应用领域，充分发挥了材料的潜力。例如: 1.可用一般的材料代替稀有的、昂贵的材料制造机器零件，而不降低甚至超过原机件的质量;2.可以把两种或两种以上的材料复合，各取其长，解决单一材料解决不了的问题;3.延长在苛刻条件下服役机件的寿命: 4.大幅提高现有机件的寿命，修复磨损、腐蚀的零件;5.赋予材料特殊的物理、化学性能，有助于某些尖端技术开发。

1.3常用的表面强化方法 1.3.1喷丸强化

喷丸强化是在受喷材料的再结晶温度下进行的一种冷加工方法，将大量高速运动的弹丸(铸铁丸、钢丸、玻璃丸、硬质合金丸等)喷射到工件表面上，犹如无数的小锤反复锤击金属表面，使零件表层和次表层金属发生一定的塑件变形、从而在塑性变形层中产生金属特有的冷作硬化，还产生一层残余压应力。使材料的抗腐蚀和抗疲劳断裂的能力大幅提高，零件的可靠性、耐久性得到提高或改善，还可以实现表面清理、光洁度加工、成形、校正和机械强化等多种功能。该方法具有实施方便、效果显著、适应面广、消耗低等多种优势，在飞机、坦克、汽车和各种机械设备的齿轮、轴承、焊接件、弹簧、涡轮盘、叶片及模具、切削工具等的表面清理和提高使用寿命与防腐能力方面发挥了重要的作用。

近年来在喷丸强化领域出现的微粒冲击、微粒镶嵌镀膜技术以及中科院金属研究所卢柯、刘刚等人开发的超声喷丸(高频)和高能喷丸(低频)新技术，在降摩擦系数、提高材料耐磨能力、延长使用寿命、简化氮化过程等方面表现出优异的性。

然而喷丸参数与工件性能的提高之间未建立量化联系，缺乏喷丸过程的定量化析以及与此相关的参数优化，喷丸参数的选择只能依靠性能试验或经验，造成的结是大量消耗人力、物力，浪费时间，并且不一定具有最佳的效果，极大地制约了喷技术的发展。

1.3.2激光表面强化

激光表面强化是用一定扫描速度的激光束照射被处理的金属表面，在很短的时间内激光的能量被处理表面吸收而产生高温，当激光束移开后，被处理面迅速冷却，从而达到表面强化的目的。激光表面强化具有工件氧化小、几乎无变形和加热、冷却速度快等特点，可以行局部的选择性淬火和局部合金化处理，能够很快的赋予金属表面很高的硬度和耐胜。因激光功率密度和作用时间不同，可以对金属表面进行相变硬化、冲击硬化、属表面合金化、表面涂覆等多种方法的处理[川。激光表面强化方式有:(l)激光表面相变强化

激光相变强化是被处理材料在固态下经受激光辐照，其表面被迅速加热到奥氏化温度以上，并在激光停止辐射后快速自淬火得到马氏体组织的一种工艺方法，所又称激光淬火。激光辐照材料内部的热传导与时间的平方根成正比，金属表面温度激光辐照停留时间的平方根成正比。因此，通过控制光束直径和扫描速度，可以调节温度和加热的深度。

(2)激光熔凝

激光熔凝又称激光上釉，是利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描，使之形成一层非常薄的熔化层，并且利用基体的散热作用使熔池中的金属能够快速冷却、凝固，使金属表面产生特殊的微观组织的一种表面强化方法激光熔凝比激光相变强化要求更高的功率密度，激光熔凝所需的功率密度相当于激光固体相变强化的三倍。激光熔凝可以硬化激光淬火不能硬化的合金。激光熔凝的工艺条件一般为:能量密度10-3000Mw/m2，作用时间0.01-1s，惰性气体保护用于防表面氧化。

(3)激光合金化

激光合金化是用激光将基体表面熔化，同时加入合金元素，在以基体为溶剂、合金元素为溶质的基础上构成所需合金层的一种技术。在激光合金化过程中，合金元素快速向熔池扩散，在短时间内可以获得所希望的合金化深度。借助这种方法可以在样品表面产生预定化学组分、化学性质和微观结构的合金，微观结构的精细程度将取决于凝固的速度。合金化的一种方法是在工件表面涂覆适当的粉末混合物，其中涂覆方法有两种:一是喷涂悬浮在醇中的粉末混合物以形成松散堆积的涂层;另一种是覆悬浮在有机粘结剂中的料浆。合金化的另一种方法是选择合适的保护气体进行气反应。

(4)激光熔覆

激光熔覆是用激光将按需要配制的合金粉末熔化，成为熔覆层的主体合金，同基体金属有一薄层熔化，与之构成冶金结合的表面处理技术。它与激光合金化不同是基体对表层合金的稀释度为最小，熔覆层具有与基体完全不同的微观结构特征，光能够把高熔点合金熔化在低熔点的工件上。

激光表面强化的特点: 1.处理部位可以任意选择，如深孔壁及深沟底、侧面等特殊部位均可以使用光进行表面强化处理: 2.可以处理形状复杂的工件表面，并能够准确的控制处理区域的深度以及形状

3.可以得到优质的强化层，输入热量少且热处理变形小;4.能量密度高，表面强化时间短: 5.能够自冷，不需要介质，热源洁净，无环境污染;6.可以实现表面薄膜和局部淬火，只加工必要部分，不影响基体的机械性能;7.使用激光表面强化处理后，只需少量的表面加工。

激光表面强化也存在一些缺点而制约其广泛的应用:激光器受功率限制，导致其强化面积小，而且相邻两个强化带之间存在回火软化现象，再者就是设备价格较贵，只能取代部分热处理方式，应选择产生经济效益较大的零部件予以应用。

1.33离子注入表面强化

离子注入技术是在真空中将注入的原子电离成离子，由引出系统引出离子束流使带电离子在强电场下加速，直接注入到置于靶室的固体材料表面，从而形成一定深度离子注入层，同时改变表层的结构和成分，以获得新的性能的表面处理工艺。注入深度约为0.1-1mm，其优点主要有: 离子注入可以向金属或合金材料注入任何所需元素，被注入的元素不受合金系统平衡相图中固溶度的限制。使得一些在液态都难以互溶的元素，形成固溶体，如W注入Cu可以得到1%的固溶体，得到一般方法难以获得的新相。离子注入可以获得过饱和固溶体、化合物和非晶态合金。通过离子注入能形成化合物，如Ti和C离子分别注入钢，可以在钢表面形成TiC。通过检测注入电参数，自由支配注入离子的能量和剂量，能够精确的控制注入元素的数量和深度。

离子注入的浓度可以很大，与扩散系数无关。处理过程是依赖于离子的高能量，而不是靠热能渗浸到工件表面内，不存在变形问题。离子以高速注入工件表面，引起点阵损伤，形成密集的位错网络，使表面获得化，增加耐磨性和力学性能，而且在表面上产生压应力。

离子注入技术也存在一定局限性。如离子注入的直线性难于处理复杂件，特别对于小截面的深孔无法处理，注入层较薄，离子注入设备价格昂贵，维护技术比较杂等。

1.3.4超硬化合物表面涂覆处理

它是在工件表面涂覆一层或多层超硬化合物，如TiC，VC，NbC，氧化铝等，获高硬度、高熔点的覆膜，从而来改善工件的性质。实施这种技术的主要方法有:CVD法、PVD法等几种方法。

l，3.4.1化学气相沉积法(CVD)CvD法是将低温下气化的金属盐(通常为金属卤素化合物)与加热到高温的基接触，通过与碳氢化合物和氢进行反应，在基体表面上沉积所要求的金属或金属间合物。

1.3.4.2物理气相沉积法(PVD)物理气相沉积法(PVD)处理是用物理方法把预涂的物质涂覆在工件表面的热处理技术。PVD处理有真空蒸镀、真空溅射和离子镀等几大类。其中，真空蒸镀效果较差，目前主要投入应用的是后两种方法。

1.3.6热喷涂

热喷涂是一种采用专用设备利用热源将金属和非金属材料加热到熔化或半熔化状态，用高速气流将其冲成微小颗粒并喷射到工件表面，形成覆盖层，以提高机件耐磨、耐热等性能的表面工程技术。热喷涂是20世纪初发明的，开始主要是喷涂锌、铝等低熔点金属，第二次世界大战期间，线材火焰喷涂开始用于零件修复。因为不引起热变形及氧化的优点而受到重视，进而出现火焰粉末喷涂。50年代研制出自熔性合金粉末和放热型复合粉末，改善了涂层的多孔结构，实现了涂层与基体间的冶金结合，极大地扩大了喷涂的应用领域。随着航空航天等尖端技术的发展，热喷涂方法得到了不断的改进和完善。

热喷涂方法的特点:(1)基材几乎不受限制，其中包括金属材料、陶瓷材料、非晶态材料、木材、布、纸等;(2)涂层材料种类广泛，包括金属及其合金、塑料、陶瓷以及它们的复合材料;(3)喷涂零件不受尺寸和形状限制，可以进行整体喷涂，也可以进行局部表面喷涂，特别是大型件的局部表面喷涂强化或修复，既经济又方便;(4)除火焰喷涂外，其他喷涂方法基体受热温度低，组织性能变化很小，工件变形小。

热喷涂是一种适用性很广的表面改性方法，它可以喷涂可以很多材料，可以用于各种基体表面喷涂，而且涂层厚度可以控制。但是，涂层强度低，空隙率较高涂层均匀性较差等不足限制了其应用。

上述喷丸强化、激光表面强化、离子注入强化、超硬化合物表面涂覆表而强化、化学热处理强化、热喷涂等各种表面强化技术均可显著提高产品的硬度、耐磨等性能，延长产品的寿命。但是上述各种表而强化方法都具有各自的缺点，单独使用，有时难以达到一些零件的强化要求。

印刷制备会成为制造业的主流技术 篇3

未来，传统的印刷复制手段只会占印刷制备的很小一部分。印刷制备不属于简单的加工行业，它会成为制造行业的主力军，会成为一个独立的支柱产业。

印刷是一种物质附着到另一种物质上的手段与工艺，这个概念可以延伸、拓展，如果吸收、融合各种因素，印刷的内涵会更丰富。

印刷电子，正是扩展了印刷的内涵。它会颠覆人们对印刷的传统认知，印刷不再只是平面的、视觉图案与文字的搬移、复制，它可以是立体的，具备更多实用功能的。说得远一点，3D印刷技术其实也就是印刷制备的一个细分领域，它和印刷电子一样，扩大了印刷的内涵与应用范围。

印刷电子并没有多神秘，印刷企业是一定可以做的，它的技术门槛不会太高。当然，在材料、设备、工艺方面，与传统印刷有一定差别。如果进入印刷电子领域，传统印企加强研发创新也是必须的。

对于那些想要进入印刷电子领域的企业，我的建议是，一定要意识到这会是一个漫长的过程，要有足够的勇气和耐心，要充分预计到其中的困难（终端客户对新产品不了解，难以认可；传统产品势力顽强，阻挠新产品的培育与发展）。企业一旦投入，并不能很快获得明显回报，因为无论是产品开发，还是市场开拓，都没有现成的模式可以套用，必须独立摸索、实践。

我开发了印刷型书式柔性显示器产品，已经与风险投资公司合作，边试验边生产，这个项目正在推进中，样品已经出来了。

石油树脂制备技术进展 篇4

1石油树脂原料及分类[1,2,3,4]

大部分裂解烯烃是以汽油、柴油为原料,经热裂解, 生成混合烷烃、环烷烃、芳烃、烯烃、环烯烃各种有机化合物多达150种,成分复杂,比例不稳定,波动幅度大, 其成分随裂解原料、裂解深度、裂解装置及工艺参数等因素变化而变化。

石油树脂分类方法很多,根据原料来源不同,可分为纯石油树脂和混合石油树脂;根据状态,分为液态石油树脂和固态石油树脂;根据单体含碳数目,分为C4、C5、 C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C5/C9等型号石油树脂,其中C5与C9研究应用较多。

如果聚合单体为200℃以上馏分,以茚和氧茚为主, 又称古马隆树脂、茚- 氧茚树脂或煤焦油树脂,相对密度1.05-1.15、软化点60-120℃、颜色> 20#,属于特深色石油树脂。

石油树脂质量取决于相应单体种类、结构、组成与含碳数目。原料产地、裂解方法和工艺控制均会造成副产物组成大幅度波动,从而影响石油树脂及下游产品质量。由于分子量小,脆性大,强度低,一般不单独使用,而是作为促进剂、调节剂、改性剂与其它树脂拼用。

2石油树脂制备方法[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]

2.1阳离子聚合法

阳离子聚合法是目前工业应用最广方法,要求具有推电子基或共轭结构的烯类单体为聚合源,故以环戊二烯、 双环戊二烯、甲基双环戊二烯等双烯烃和戊烯、环戊烯、 芳烯烃等烯烃为主的石油树脂均可使用此聚合方法,因此特别适合C5、C9、C5/C9、DCPD等型号的石油树脂制备。 其特点是聚合温度低(25-45℃)、时间短(3-6h)、设备投资小、能耗低、工艺简单、安全系数高、经济效益显著。

阳离子聚工艺概括为:原料预处理(包括原料精制、 去除阻聚剂和分离)、主和助引发剂组分配制(多采用Friedel-Craft体系)、聚合反应(包括配料、进料方式和聚合工艺及各工艺参数确定)、聚合终止(包括引发剂体系失活、聚合物与失活引发剂分离)、闪蒸分离、溶剂回收、树脂成型、粉碎包装、三废处理等。

目前国内外阳离子生产工艺大同小异,不同之处主要在于引发剂的选择与复配、终止剂选择和终止工艺确定。 阳离子引发剂通常选用路易斯酸及金属有机化合物,如Al Cl3、BF3、Ti Cl4、Al Et C12、Al Et2Cl、Al Et3等。聚合终止方式通常有:1)碱洗、水洗,静置分层;2)Ca(OH)2、 NH4Cl等固体碱中和,抽滤;3)其它:醇洗、胺洗、酸洗, 闪蒸。

2.2热聚合法

将石油裂解副产物或纯单体作为原料添加到反应釜中,在一定温度(200-300℃)压力(1-20MPa)下进行热聚合,有无催化剂均可,然后减压蒸馏出未反应单体和溶剂,或用闪蒸工艺进行固液分离,加工成块或片状热塑性石油树脂。此工艺较适合于脂环族和芳香族石油树脂的生产,树脂颜色较深,在某些浅色产品,如浅色橡胶、 塑料、涂料、胶黏剂等产品中不宜使用。

2.3自由基聚合法

自由基聚合工艺是原料单体借助于引发剂、热、(紫外)光、辐射、等离子体等作用,使含不饱和双键的单体活化为活性自由基,再与单体进行连锁聚合,闪蒸分离, 得到固体热塑性石油树脂,混合溶剂回收利用。此法应用范围较广,适合于单烯烃、多烯烃,尤其适合具有共轭效应的烯烃。其特点是反应具有较明显的链引发、链增长和链终止三个基元反应,同时还伴随链转移反应;聚合速度快,一经引发,短时间内就会形成高分子,分子量分布较宽,树脂支链较多。

3石油树脂改性方法

为满足不同行业对石油树脂的个性需求,须对普通石油树脂进行改性。从简单的加氢改性到化学接枝改性,性能迥异、用途特定,逐渐成为未来发展方向。改性方法主要分为化学改性和物理改性。

3.1 化学改性法

3.1.1加氢聚合法

由于原料结构和聚合工艺等方面因素影响,聚合后的石油树脂中依然存留大量不饱和键,如用环戊二烯、 双环戊二烯等共轭或非共轭单体聚合而成的石油树脂, 可称为活性石油树脂。这类树脂碘值高,颜色深,光热活性高,保光保色性、耐候耐老化性和电绝缘性等欠佳,应用领域受限。为降低树脂碘值和颜色(< 3#), 提高硬度和保光保色、耐候、耐氧化、耐老化和电绝缘性等性能,拓宽应用领域,需通过催化加氢,还原不饱和键的方法来实现,称为加氢石油树脂或氢化石油树脂(hydrogenatedpetroleumresin)。氢化石油树脂碘值低、 色浅、硬度大、特别是在光、热、老化、绝缘稳定性等物化性能上得到根本改善。

由于加氢石油树脂前驱体是活性石油树脂,分子量较大(103),结构呈链- 环状,位阻大,反应活化能高, 所以加氢反应条件苛刻,需要在高温、高压、高活性催化剂条件下进行。可采用一段或两段加氢工艺。其生产方法是将石油树脂溶于环己烷或矿物油等溶剂中,加入负载催化剂,在加热状态下通入氢气进行加氢反应,其产物经蒸馏后即是加氢改性石油树脂。

加氢石油树脂催化剂主要分为贵金属和非贵金属两大类,有负载型钯(Pd)、铂(Pt)、铑(Rh)、钌(Ru)、 锇(Os),镍(Ni)、硫化钼(Mo)、负载型硫化镍/ 钨等。 目前氢化石油树脂主要是负载Pd、Ni、W系催化剂。载体结构对催化剂的加氢性能影响很大,最好采用大孔径载体且调节载体表面酸碱性,可有效提高催化剂的加氢活性, 抗结焦能力,减少树脂降解。非负载的本体催化剂具有良好的抗结焦能力,是该研究领域的新发展方向。

根据前驱体不同,加氢石油树脂主要分为C9加氢石油树脂和C5加氢石油树脂,前者较后者工艺更复杂、反应条件更苛刻。石油树脂加氢工艺通常有三种方法:

1)浆态床加氢法:按生产规模,分间歇式或连续式。 将C5或C9石油树脂按一定比例溶于有机溶剂,配成石油树脂液,与负载催化剂混合,在一定温度一定压力下聚合一定时间,过滤分离催化剂,闪蒸分离溶剂,熔融浇铸成型。此工艺操作繁琐,催化剂损失大,聚合温度、压力和时间随体系原料、设备不同而不同,适合中小型企业。

2)固定床加氢法:将石油树脂按一定比例进入加热炉预热,然后与H2混合进入高温高压(200-300℃、 10-20MPa)加氢反应器,聚合结束后,经冷却分离,送至汽提塔,上部抽出溶剂经蒸馏塔精制后循环使用,塔底加氢树脂熔融压片。此法危险系数高,投资规模大,适合大型企业。

3)喷淋塔式加氢法:粉状催化剂悬浮于泡罩塔板上, 实现了低压加氢。这种加氢工艺在设备和工艺上具有较高先进性,在日本已实现工业化,在我国尚存在一定距离。

3.1.2功能团法

针对普通石油树脂具有非(弱)极性、热塑性、分子量低、物化性能欠佳、一般不能单独使用的弱点,需在普通石油树脂分子中引入极性或其它功能基团,制成特种功能石油树脂,改善树脂相容性和功能性,提高分子量和交联度,提高专项物化性能,拓宽应用领域和范围。

1)在体系中通过添加极性单体或含功能团的单体与之共聚,使石油树脂分子上嫁接一个极性或功能基团, 改善树脂功能性和相容性。例如用丙烯酸、马来酸酐、 丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙脂、丙烯酰胺等含-COOH、 -OCOCO-、-OH、-OCNH-、-Cl、-F等带功能团的烯类单体,与C5-C11中一种或多种单体共聚,也可以与石油裂解副产物共聚,在石油树脂分子链上引入相应功能团。

这些功能石油树脂不但能提高与其它极性树脂相容性和专项性能,而且还可继续与其它能与之反应的各种功能单体或树脂继续进行聚合反应,得到深度改性石油树脂。

2)通过添加柔性单体与之共聚,如丙烯酸丁酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸缩水甘油醚等功能软单体,改善石油树脂柔韧性,降低脆性,同时还提高了与其它极性树脂的相容性。例如,这种柔性功能石油树脂与聚氯乙烯(PVC) 共混时,可提高相容性、抗冲强度,特别适合硬质聚氯乙烯制品改性。此类专项功能石油树脂既为聚氯乙烯、高氯化聚乙烯、氯化橡胶、硝基纤维素、聚丙烯酸酯等极性硬质树脂提供了一种优良的共混改性树脂,又为石油树脂找到综合利用新途径,拓宽了应用领域。

3)通过添加含亲水基团的单体,在石油树脂分子上嫁接一个亲水基团,如羧基、磺酸基,经中和盐化,也可直接水化,得到水溶性或水分散性石油树脂。该树脂表面活性高,可作为阻垢剂、稳定剂、增稠剂、表面活性剂、 成膜剂等,用于油田钻井泥浆、水泥浆、涂料、粘合剂等领域。

3.1.3化学接枝法

含活性功能团的石油树脂与含能与之发生反应的其它树脂继续进行接枝共聚,得到接枝改性石油树脂。

3.2物理改性法

将石油树脂与其它树脂进行物理混合,得到物理共混树脂,方法如下:

1)石油树脂与橡胶或塑料等合成树脂按一定比例混合,在双辊炼胶机、螺杆挤压机等高剪切力的设备作用下进行熔融、挤压、成型(造粒),使产品得到改性。

2)石油树脂和其它合成树脂分别溶解在有机溶剂中, 然后再将这两种树脂液进行混合,搅拌均匀后得到共混树脂,例如石油树脂改性的涂料和粘合剂通常使用这种方法。

3)由于环保法规要求,有机溶剂排放受限,石油树脂乳液孕育而生,得以发展,具体方法:将石油树脂粉碎后溶于有机溶剂,制成溶剂型石油树脂液,添加适量水、 乳化剂、保护胶,强力搅拌下形成石油树脂乳液。将该石油树脂乳液按一定比例再与其它溶剂型合成树脂液混合, 制成水稀释型共混树脂,达到降低溶剂排放量、保环境降成本目的,例如水稀释型防锈涂料。其二,与其它合成树脂乳液混拼,制成乳液型共混树脂,例如石油树脂改性白乳胶,用于粘接纤维制品或造纸,提高增粘性和防水性; 石油树脂改性内外墙乳胶漆,提高防水、防锈、防腐性能, 降低成本;制成石油树脂改性橡胶,提高强度和耐水性等。

为追求石油树脂质量和产率,有时也需要采取多种聚合方法套用,如先热聚合,再阳离子聚合;先自由基,再阳离子聚合;先热聚合,再自由基聚合;或者先阳离子聚合,再接枝共聚等等,多种聚合方法套用的结果,使石油树脂产率和功能性大幅度提高。

4展望

我国石油树脂产业正处于朝阳阶段,较美日德等发达国家晚半个世纪,产量低,品种少、性能欠佳,高档石油树脂仍依赖进口,工艺技术应用研究方面依然有待于提高。

磁控溅射技术制备ZnO透光薄膜 篇5

磁控溅射技术制备ZnO透光薄膜

采用RF磁控溅射方法,在玻璃衬底上制备了择优取向的`ZnO薄膜;通过台阶仪、X射线衍射技术、原子力显微镜和分光光度计分别测量了不同溅射功率条件下淀积的ZnO薄膜厚度(淀积速率)、结晶质量、表面形貌与粗糙度、透光光谱,报道了该薄膜结晶质量、薄膜粗糙度与其在可见光区透光率的关系.

作 者：俞振南 姜乐 熊志华 郑畅达 戴江南 江风益 YU Zhen-nan JIANG Le XIONG Zhi-hua ZHENG Chang-da DAI Jiang-nan JIANG Feng-yi  作者单位：南昌大学,教育部发光材料与器件工程研究中心,江西,南昌,330031 刊 名：南昌大学学报（理科版）  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF NANCHANG UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) 年，卷(期)：2007 31(5) 分类号：O782+.9 关键词：ZnO   磁控溅射   透光光谱   粗糙度   溅射功率  

制备技术 篇6

由于3004牌号铝合金的性能指标要求高、生产难度大，例如，按标准，其抗拉强度要达到 260 MPa，延伸率要达到3%以上，在生产中制罐成型时破罐率不能超过百万分之五（即5个PPM级），所以到目前为止，国内还没有用废易拉罐铝生产3004牌号铝合金的再生铝企业，也没有一条用废铝易拉罐生产高值化铝合金的自动化或半自动化的生产线。

随着再生铝产业的飞速发展，科技创新成为推动产业升级的强大动力，越来越多的再生铝企业投入到了研发专利、技术创新、掌握自主知识产权的生产实践中来，如蓄热式燃烧、低温熔炼等许多节能减排新技术新工艺在再生铝行业内得到了推广和普及。在集成创新理念的指导下，许多跨国界、跨行业、跨领域的新理念、新技术、新工艺正在被产学研一体化的研发企业集成整合，未来几年再生铝行业酝酿着重大的技术突破。

废铝易拉罐保级还原熔炼制备技术在国外已有较成熟的技术路线，像美国波尔公司等大型企业早在上世纪九十年代就已建成了一整套先进的生产工艺流程和技术装备，但其造价过于昂贵，国内还没有一家再生铝企业引进利用。为了早日建成符合我国国情的废易拉罐铝循环利用生产线，依据我所整合自主创新的多项国家发明专利技术和实用新型专利技术，借鉴和吸收国外先进的技术理念，研究设计了一整套具有中国特色的废易拉罐铝保级还原熔炼制备技术与生产工艺流程，在这里抛砖引玉，与大家共同探讨。

一、废易拉罐铝循环利用生产线技术路线

根据废易拉罐铝的成分与外形特点，技术路线主要由三大部分构成：预处理技术、熔炼配制技术和铝熔体精炼净化及晶粒细化技术。每个部分又由多个技术环节组成：

1. 废易拉罐铝预处理技术

废易拉罐铝及废易拉罐铝打包块的破碎（粉碎机）——易拉罐铝的分选（荧光分选机）——易拉罐表面除漆（脱漆窑）——废气二次燃烧和净化（热量回收、干法收尘）——回转筛分振动脱碳（强力振动筛）

2. 废易拉罐铝熔炼配制技术

计算机配料（电脑软件配料）——侧井投料（蓄热式双室双循环熔铝炉、机械循环泵）——低温熔炼法熔铝

3. 铝熔体精炼净化及晶粒细化技术

炉内精炼变质（铝合金复合精炼变质法）——炉外在线除气（在线除气设备）——过滤（陶瓷过滤板）——细化晶粒——浇铸成板锭或板坯（半连铸法）

二、废易拉罐铝循环利用生产线的工艺流程

用保级还原熔炼制备技术处理废易拉罐铝的生产线主要工艺流程如下：

1. 预处理技术路线

由于回收来的废铝易拉罐成分和外形都相当复杂，特别在我国的废品回收体制下，混杂了许多的非铝杂料，因此必须对这些回收的废易拉罐原料进行必要的预处理。在废铝易拉罐的预处理技术上，一些发达国家已形成了一套较完整的生产工艺，如美国的波尔公司，采用了多项先进技术，使废铝易拉罐在无污染的情况下得到了快速有效的处理，我们借鉴了此类成功的技术路线，取其关键技术的要点，并利用国产设备完成这条接近国际先进技术标准的预处理生产线。

废易拉罐铝的破碎工序。由于质地较轻，为了便于运输和存储，绝大部分回收到的废铝易拉罐的外形都已破坏或被压成饼料，在回收企业中常用的和进口的废铝易拉罐大多也已经打成压块。由于饼料及压块整体除漆时会造成除漆不充分，而且会导致废铝易拉罐料的局部过烧，影响其冶金质量，所以在除漆之前必须对废铝易拉罐进行破碎处理，使其漆面外露，便于除漆。

本生产线拟采用江苏某厂出产的PS-1型箱式粉碎机进行机械粉碎，该设备每小时可处理1~2吨铝料，可直接破碎易拉罐压块，解决了传统设备只能破碎单个易拉罐的难题，提高了生产效率。工作时将饼料或压块，经传送带由上方的加料口直接填入粉碎机，经处理后得到2~3厘米左右的碎片，并经输送带运至下道分选设备。

废易拉罐铝的分选工序。在废铝易拉罐的回收中常常会不可避免带有少量的铁罐等非铝料，也就是在废铝易拉罐中，有部分罐体的材料是软铁料，压块后更难以区分，因此粉碎后的铝碎片中不可避免会带入含铁件等非铝料。由于3004合金对杂质铁的有严格的要求，所以必须在投炉前把带铁的原料分选出来。

本流程拟采用上海某企业的最新产品MST X55B型荧光分选机，来实现废易拉罐的分选。这种技术的分离精度可达5×10-5（即分选误差仅为十万分之五），目前这样的精度达到了国际领先水平。铝碎片经传送带成批进入荧光分选设备，利用激光（X射线荧光）的高分辨能力，高速识别，并通过压缩空气气吹分离的方法清除废铝易拉罐中夹带的非铝杂物和含铁件。经分选后的净化铝碎片经输送带运至下道除漆设备。

废易拉罐铝的表面除漆工序。废铝易拉罐表面的漆层，含有不少有害重金属元素和碳氢化合物。他们不仅会给铝液带进有害杂质和气体，影响合金质量；而且燃烧产生的有害烟气也给熔炼时的环境带来严重污染。破碎后的碎铝片漆面暴露在外，很容易与空气接触反应，而且它具有很低的热容量，使其能在很短的时间内就升到除漆温度，致使漆分解、碳化，而不影响到基体铝片的冶金质量。本流程拟采用河南某厂生产的旋转式脱漆窑，分选后的碎铝片由输送带迅速送入并通过精确控温（正负不超过5℃）的脱漆窑中，一般脱漆窑的温度控制在300℃~500℃左右，罐料在炉内迅速升温，在短时间内达到除漆温度，致使罐料表面的漆分解、碳化。开始时需要加一定的热能，当达到一定温度之后，热能就主要依靠易拉罐表面漆炭化过程的放热来维持。在旋转式的脱漆窑中，易拉罐的漆层被炭化，依靠旋转过程的自身振动，碳化后的漆层脱落。并且在此过程中废易拉罐中的残留的水分也得到烘干，消除了后工序的熔炼过程中的水和铝水起反应的可能，使冶炼质量和生产的安全得到保证。

废气二次燃烧工序。脱漆窑所产生的烟气温度一般在300℃~500℃左右，因此烟气中除粉尘外还含有大量漆层热反应后所产生的有害气体和可燃气体，会给环境带来严重污染，直接排放显然

不行。因此，在烟气排放前，将烟气接入二次燃烧设备，进行处理。我所和江苏某环保设备厂联合研制的TQ-2型二次燃烧处理设备，使烟气直接进入一个高温加热室，瞬间被加热到1 150℃左右，使烟气无害化焚烧，也将其中未燃尽的漆粉末进行充分燃烧，并将燃烧后的烟气导入换热器(管形蜂窝状)，将热量转吹入回转窑中，使最后排除的烟气低于180℃，基本不含二噁烷（致癌物质）等有害气体，并热量得到充分利用。在烟气处理的末端，采用旋风喷淋塔对所进入的烟尘处理，第一步用旋风式收尘器，使大部分粉尘得到回收，第二步用喷淋过滤技术，在喷淋过滤塔中，烟尘得到彻底的回收，使最后排放的烟气达到国家二级排放标准。

除漆后废易拉罐铝的脱碳工序。由于各种原因，经烘干碳化后的易拉罐碎片上还会残留部分漆碳化后的碳粒，需再处理以获得高度洁净的铝片料。我们的研究表明，采用了我们确定的表面除漆工序后，碳化的漆层与铝基体的结合力已明显降低，采用强力振动可实现铝基体和碳化漆层的分离。本流程拟采用河南某厂出产的2YK1000型强力振动筛，每小时可处理碎铝片2吨左右，经除漆后的铝碎片进入强力振动筛强搅拌，通过强力振动使炭粒全部脱落分离，获得了高度洁净的铝片料。

2. 废易拉罐铝熔炼配制技术路线

熔炼技术路线的基本任务，就是把预处理后的铝碎片投入熔铝炉中，经过加热和熔化成为熔体，再对熔化后的熔体进行成分调整等处理，最后得到成分合乎标准要求的铝合金液。而这项任务的关键在于，采用行之有效的工艺与设备把

铝碎片在熔炼时的烧损、能耗和环境污染尽可能的降到最低。

计算机配料工序。铝制易拉罐是由罐体和罐盖咬合加工而成的，高122mm，直径66mm，壁厚0.13mm，重14.93克（体11.21克，盖3.38克，拉环0.34克）。易拉罐的成分主要由三种铝合金组成：易拉罐的罐体与罐底是3004铝合金，罐盖是5182铝合金，拉环是5042铝合金，其成分及含量见表1。常规回收的废铝易拉罐很少带有拉环，成分可忽略不计，但罐体和罐盖的材料不同，在生产使用中也很难将罐体和罐盖分离，所以，配料思路上，基本按3004合金、5182合金外加部分双零铝来进行配制。由于每批次原料的成分略有差异，配料前也可取少量已洁净化的碎料（不少于1吨）重熔，以得到近似的各元素平均值用作配料

参考系数。

在实际生产中建议使用计算机软件配料。这种方案利用计算机的灵活性和精确性，依据多年实践经验，从再生铝熔炼特点出发编制而成，加上原料数据库（1 500~ 2 000炉次的技术数据），有效地解决了配料难题。

同时，为提高一次达标的配料成功率还应注意原料数据库的建立：就是对不同批次、不同来源的已洁净化的易拉罐废铝料的成分、质量状况进行检测、统计，并输入计算机，形成原料数据库。表2是15吨重熔再生3004合金配料单的实例，表3是配制熔炼后获得的重熔再生3004合金锭成分与美标要求的成分对照。

从上表3可以看出，易拉罐废铝重熔再生3004合金在化学成分上是可以达标的。但需注意的是，双零铝加入的多少，关键在于Mg元素值的高低，其他元素成分均有较大的调整空间。

废易拉罐铝的投炉工序。目前废铝易拉罐料在我国的常规使用中，大部分企业都是采用直接投炉，有的是将压块压入铝水中，有的是将饼料装袋直接撒入，但由于密度低，都无法避免铝料漂浮在铝液上，因此铝耗往往居高不下，并由于严重氧化，也影响着铝液的冶金质量。

为了解决这个问题，熔铝炉拟采用我所自行研制并已获得国家专利的蓄热式双循环双室熔铝炉，该炉是针对以轻薄铝为主料而设计的节能型低损耗熔铝炉。

双室指的是一个加料室和一个加热室；所谓双循环，一是指炉气循环、二是指铝液循环，这两种循环方式是分别通过蓄热式燃烧设备和机械循环泵来实现的。引入蓄热式燃烧技术，因其自动调节炉压的特点，使火焰不直接加热所投物料，而是通过两室间的烟气通道，使炉气的循环转动间接预热物料；引入机械循环泵，将加热室的热铝水通过外池打入加料室，用热铝水冲刷刚投入的铝料，使其熔化陷入铝水中，并且还在外池中设置了漩涡沉熔井，铝液从加热室内由机械泵打入侧井，在漩涡井金属流产生向下的漩涡，迫使加入的易拉罐碎片迅速沉入金属液面下，与外界的空气隔离，大幅度提高了溶入率，实现了低损耗的易拉罐碎片的熔炼。通过这样的两个投料方式，碎铝料通过机械泵漩涡沉熔加入，大的打包料通过炉门加入无火焰的加料室，使铝耗降低到最低程度，能耗也大大减少，真正达到了节能减排，低耗高效的目的。

实践表明，通过蓄热体这一媒介，出炉烟气的余热被转换成空气的物理热而得到回收利用，烟气排出温度可降到150℃，空气可预热到800℃左右的高温，热回收效率达到85%以上。这样不仅可以节约大量能源，还可以大大提高燃料的理论燃烧温度，缩短熔炼时间，减少烧损率。加上其他相应的节能措施的综合效果，燃料可节省30%以上。并且，由于炉气含氧量得到了有效的控制，铝液的烧损也相应得到控制，在理想状态下，铝耗可降低2~3个百分点。再加上，双室双循环炉加上铝液循环泵和漩涡加料井，有效地解决了低密度碎薄料的加入方案，大幅度提高了易拉罐碎片的溶入率，使得总铝收得率最佳可达97%以上。

低温熔炼技术在废铝易拉罐熔炼的应用。国内一些再生铝企业在熔炼易拉罐废铝时，为了使加入的高熔点合金元素（如3004合金中的锰）能充分溶解入铝液，往往将铝液温度提高到850℃~1050℃，把炉膛烧的通红，然后再投料，工人这样做的目的是为了加快熔化速度。这样会产生两个问题：一是高温加速了铝及各种合金元素的氧化烧损，加大了铝及合金元素的损耗，还因高温下铝液表面的氧化膜失去了保护功能，铝液吸气严重，导致铝液冶金质量恶化；二是为了提高铝液温度，能耗也势必大幅度增加。同时，为保证铝液的冶金质量，又必须加大精炼变质的力度，增加精炼剂和变质剂的用量，延长处理时间，这样又进一步提高了铝液的处理成本。因此，生产过程中使用我所自主研发的国家发明专利

三、结论

本条废易拉罐铝保级还原的熔炼制备生产线，能生产满足轧制易拉罐罐体的达到ASTM美国标准要求的3004合金铸坯。

这条废易拉罐铝保级还原的熔炼制备生产线的技术方案切实可行，工艺流程简捷可靠，技术装备造价不高，大约几百万人民币，可以为国内的再生铝企业所接受。

包覆燃料颗粒制备技术简述 篇7

827 工程是国内首条高温气冷堆核电站燃料元件生产线, 为示范电站提供首炉燃料元件和运行后换料所需的燃料元件, 并为今后商用高温气冷堆核电厂的燃料元件生产积累技术经验。球形燃料元件由燃料区和无燃料区构成。燃料区是包覆燃料颗粒弥散在石墨基体里的直径为约50mm的球体。 无燃料区是围绕燃料区的厚度约5mm ( 和燃料区相同的石墨基体材料) 的球壳。 燃料区和无燃料区间无物理上分界面。 球形燃料元件的直径为60mm, 每个球形燃料元件含7g铀, 即约为12000 个包覆燃料颗粒。包覆燃料颗粒是高温气冷堆核电站燃料元件的重要组成部分, 它是利用化学气相沉积的原理, 采用清华大学核能与新能源技术研究院专有技术制备的[1]。

包覆燃料颗粒是由二氧化铀燃料核芯、疏松热解碳层、内致密热解碳层、碳化硅层和外致密热解碳层组成。

1 工艺原理

合格的UO2燃料核芯在高温流化床沉积炉中采用气相沉积法制成包覆燃料颗粒。

包覆基本化学过程:

C2H2→2C+H2↑

C3H6→3C+3H2↑

CH3SiCl3→SiC+3HCl↑

2 工艺流程简述

首先检查冷却水源、气源是否正常, 水压为0.2~0.3MPa, 压缩空气压力为0.5~0.6MPa, 氩气、乙炔、丙烯、氢气和甲基三氯硅烷 ( MTS) 供气压力为0.2~0.3MPa。 然后抽真空, 通氩气, 升温, 气体从包覆炉底部的喷嘴送入, 在包覆炉升温达到一定温度后, 将UO2燃料核芯从包覆炉顶部的装料器中放入。 分四层进行包覆。

第一层, 疏松热解碳层。

将包覆炉升温至1200℃, 氩气作为稀释和载带气体, 通入反应气体乙炔, 生成疏松热解碳层。 疏松热解碳层的密度小于1.1g/cm3, 厚度为50~140μm, 它的主要作用是储存气态裂变产物, 吸收辐照引起的核芯肿胀, 缓冲辐照以及温度变化引起的应力, 防止裂变反冲核直接轰击致密热解碳层以及解脱燃料核芯与致密热解碳层间的机械耦合。

第二层, 内致密热解碳层。

将包覆炉升温至1400℃, 氩气作为稀释和载带气体, 通入反应气体乙炔和丙烯, 生成内致密热解碳层。 内致密热解碳层的密度约1.9g/cm3, 厚度为20~60μm, 它作为Si C层沉积的基底, 用来防止在包覆Si C层时产生的HCl和UO2核芯反应, 延缓金属裂变产物对Si C层的腐蚀, 承受辐照时对包覆层产生的内压。

第三层, 碳化硅层。

将包覆炉升温至1500℃以上, 氩气作为保护气体, 氢气作为稀释和载带气体, 通入反应气体甲基三氯硅烷 ( MTS) , 生成碳化硅层。 碳化硅层的密度大于3.18g/cm3, 厚度约为25~45μm, 由于它的强度高、弹性模量大、具有耐腐蚀性, 因此是承受包覆燃料颗粒内压以及阻挡裂变产物释放的关键层。 它阻挡固态裂变产物的能力比热解碳层高1~3个量级, 强度比热解碳层高好几倍。

第四层, 外致密热解碳层。

将包覆炉降温至1400℃, 氩气作为稀释和载带气体, 通入反应气体乙炔和丙烯, 生成外致密热解碳层。 外致密热解碳层的密度约1.9g/cm3, 厚度为20~60μm, 它是阻挡裂变产物释放的又一道屏障, 并且能够保护Si C层免受机械损伤。

在完成疏松热解碳层和内致密热解碳层沉积之后要分别取样, 用作性能检验。最后包覆炉降温冷却, 卸出包覆燃料颗粒产品, 进行滚筒筛的筛分和振动台的分选, 除去尺寸和球形度不合格的包覆燃料颗粒次品, 经性能检验, 合格的包覆燃料颗粒送大球制备工序制造球形元件。 不合格的包覆燃料颗粒送返品破碎煅烧工序处理。

包覆第一、二和四层过程产生的尾气经炭黑除尘器 ( 三级分离:旋风分离、布袋除尘、精密过滤) 除去炭黑, 剩余的可燃气体在点火装置点火后排入通风系统;包覆第三层 ( 碳化硅层) 过程产生的尾气经吸收塔吸收除去HCl气体, 剩余的可燃气体在点火装置点火后排入通风系统, HCl吸收产生的NaCl废液排入天然蒸发池。

在包覆颗粒的包覆过程中, 是由水环真空机组对整个系统进行抽真空, 确保包覆炉炉压为微负压 ( -1~1k Pa) , 满足工艺生产要求。

3 关键设备

整个包覆系统是由包覆炉、MTS供给系统、配气柜、炭黑除尘器、吸收塔、水环真空机组和点火器组成[2]。 其中关键设备为包覆炉, 包覆燃料颗粒的制备过程都是在包覆炉中完成的。

包覆炉及辅助系统主要由包覆炉、真空系统、循环冷却水系统、加热电源及温控系统、装卸料系统、防爆管路等组成。

4 结论

包覆燃料颗粒各包覆层的厚度、密度方面的性能主要受包覆各层时的反应气体流量、沉积温度、沉积时间的影响[3]。 包覆颗粒制备工艺试验投料为贫料, 设定好各包覆层的反应气体流量、沉积温度、沉积时间, 进行包覆。 包覆完毕, 再根据制备出的包覆燃料颗粒各包覆层厚度、密度检测结果, 调整工艺参数, 经过多次试验, 最终制备出各项性能都满足产品技术条件的包覆燃料颗粒, 为下一步穿衣颗粒制备工序打下良好的基础。

摘要：本文首先介绍了高温气冷堆核燃料元件生产线工程 (827工程) 概况, 然后讲述包覆燃料颗粒的构成, 制备工艺流程及关键设备, 最后调试结果表明此制备技术可以生产出各项性能都满足产品技术条件的包覆燃料颗粒。

关键词：包覆燃料颗粒,流程,制备技术

参考文献

[1]高温气冷堆核电站示范工程燃料元件生产线工程初步设计输入资料[S].

[2]包覆炉系统用户手册[S].

扫描电镜样品的制备技术 篇8

SEM可以满足多数样品的观测,但并不是所有的材料都适合。要满足SEM的观测,样品通常需要满足以下基本要求:

(1)具有良好的导电性。样品在电子束的反复扫描下,易积累电荷,电位升高,产生放电现象。对于导电性差的陶瓷或生物材料,需进行喷镀(喷碳、镀金)处理;

(2)材料要尽可能干燥,电镜内部处于真空状态,材料中水分的挥发,轻则造成图片模糊、漂移,重则损坏光阑和灯丝等部件。对于头发、蛋壳等含水量低的材料,经喷镀处理后可直接进行观测;对于大部分生物样品,必须进行脱水和干燥;

(3)材料不易分解、热稳定性高。在电子束的连续轰击下,材料表面温度升高,样品容易损伤。对于热稳定性差的材料,有可能发生分解,产生气体或其它物质,应尽量减少该类物质的测试;如必须进行测试时,应避免电子束对观测处的长时间、连续扫描。

不符合以上几点要求的材料,需进行适当的预处理,以满足观测和分析的需要,样品制备虽然简单但非常重要。

1 样品的预处理[5]

1.1 取样

SEM的样品室,并不是放入任意尺寸的样品都可进行观测。受到样品台尺寸和承重的限制,往往需要对样品进行分切。不同的材料对分切方法的选用也不同,对于较薄的金属或高分子材料,如仅需对样品表面进行观测,在不损伤表面的情况下,可直接用剪刀剪下,厚度较大时可采用样品切割机;对于陶瓷和矿物类材料,可采用砂轮切割机;如需观测样品的内部结构时,通常还需将样品断开,对于高分子材料可选择冲断和脆断(低温下)来获得断口;当对断口的测试要求较高时,一般采用离子束蚀刻,即利用高能离子束,从不同角度切割样品,获得满足要求的抛光断面。

1.2 清洁或清洗

对样品的表面形貌进行观测,是SEM仪器的主要功能。当样品表面附着有油污、灰尘、油脂以及自生成物等污染物时,将掩盖样品的真实表面,进而影响结果的准确性。此外,当样品表面附有污染物时,这些污染物会进入SEM的真空系统,污染电镜内部,所以必须对被污染的样品进行清洁或清洗。对于易溶于水的污染物,可直接用去离子水进行冲洗或漂洗;对于油类污染物可在丙酮、乙醇和其混合液中,进行超声波清洗(注意控制超声波清洗的时间和频率,以免损伤样品);对于蜡类污染物,可用氯仿处理后,再进行冲洗。

1.3 干燥处理

对于含水量少的样品,经导电处理后,可直接进行观测。对含水量较多的生物样品等,必须先进行干燥处理,才可进行观测。进入真空室后,水分的挥发、电离,可能导致无法成像,甚至损耗部件。生物样品的干燥程序较为复杂,干燥过程中需注意不能引入其他杂质,也要保证生物样品的原有形貌,不因干燥脱水而变形,以真空干燥法和冷冻法最为常用。

1.4 样品的安装

(1)块状样品

导电样品:将导电双面胶带(含碳或银)粘在样品台,撕开背纸后,将样品直接与胶带压牢即可;

非导电样品:按常规方法将样品固定于导电胶带后,在样品表面引出导电胶带与样品台相连,即“搭桥”,以在样品与样品台之间形成电子通路,避免电荷积累,如图1所示。碳粉胶带、银粉胶带以及铜导电胶带是最为常用的双面导电胶带。

(2)粉体样品

样品为粉末或颗粒状时,必须确保粉体与样品台粘接牢固,以免观测时颗粒脱落,污染电镜内部。此外,为了便于观测单颗粉体的形貌,必须使粉体尽可能的分散(颗粒越小,比表面积越大,越容易团聚)。粉体的分散方法可分为干法和湿法两类。

干法:该法适用于较大颗粒的观测(见图2)。先将样品均匀、平铺的洒在样品台的导电双面胶上,轻弹样品台四周,抖掉多余的粉体(也可用洗耳球吹扫);然后轻压样品表面,使其与导电胶粘牢,再用洗耳球吹扫就完成了。干法步骤可归纳为:撒、抖、压、吹四个字。

湿法:该法更适合于表面能高的粉体颗粒的观测,如亚微米和纳米颗粒等,此类样品特别容易团聚。常用方法是将样品分散于无水乙醇,通过超声波进行分散。当颗粒均匀的分散于乙醇时,用吸管取出,滴在载玻片上(载玻片通过导电胶带固定于样品台),待乙醇挥发完全后,即可准备进行喷镀处理。需要注意的是,并不是所有样品的分散都适合以无水乙醇作为分散剂,需根据粉体的特性,选择合适的分散剂。图3为湿法制备样品的表面形貌图。

2 样品的喷镀处理

喷镀处理即导电处理,又称镀膜处理,是观测非导电样品通用的处理方法。经导电处理后,样品表面形成的导电膜可以导走样品表面积累的电荷,并传递部分热量,防止样品放电和热损伤。常用的喷镀材料有碳(C)、铝(Al)、铬(Cr)、金(Au)、铂(Pt)或其合金。C膜是最经济的材料单但不适合用于高倍观测;Cr用于场发射电镜等对样品观测要求较高的场合;Au适合于中低分辨率的观测;Pt适合于高分辨率图像。真空蒸发和离子溅射[6,7]是目前最为常用的镀膜方法。

2.1 真空蒸发法

真空蒸发镀膜在真空蒸发仪中进行,真空度要求维持在10-3以上,镀膜材料与电极相连。当真空度达到要求时,通入大电流,使镀膜材料受热蒸发,在样品表面形成镀层。真空度越高,镀层越致密。

2.2 离子溅射法

离子溅射法可分为:直流溅射、磁控溅射和离子束溅射等[8,9,10]。

直流溅射:镀膜靶材位于真空室上方作为阴极,样品位于下方作为阳极。当真空度满足要求时(10-2～10-1 Pa),电极间施加高电压,真空室的气体辉光放电,产生的正离子撞向靶材,产生镀膜原子,沉积于样品表面。该法简单,操作容易,但镀层颗粒较大,一般用于中低分辨率图像的观测。

磁控溅射:原理和操作与直流溅射法相似。唯一的区别就是阴极附近增设了一块永久磁体,用于改变高能电子的转向,以降低样品的撞击和热损伤。永磁体还可以延长电子的运动路径,从而增加离子的电离率,提高了沉积效率。

离子束溅射:与上述两者不同,离子束溅射要求再高真空下进行。通过离子枪发射出高能离子束,撞击镀膜靶材,轰击出原子沉积于样品表面。离子束溅射适合于高分辨率成像,一般用于场发射电镜的样品观测。

导电处理在真空下进行,如果样品中含有较多的水分,等离子区域呈红色,水分中带有的杂质离子会使沉积速率降低。溅射前,一般通入高纯氮气或高纯氩气,以排尽残余的空气和水汽等。高纯氩气的溅射效果好,所以通入气体一般以氩气为主。观察聚丙烯隔离膜、陶瓷等多孔性材料时。由于空洞中含有大量的空气,所以抽真空时间较长,有时还需要多次抽气,以保证最佳的镀膜效果。

镀膜层厚度也是一个不可忽略的影响因素。镀膜层太薄,导电性差,可能与样品粘结不牢;太厚,则会掩盖样品的真实形貌。通常镀膜时间控制在3～5 min,膜厚在10 nm左右(样品不同,厚度不同)。样品进行导电处理后,即可进行电镜观测。

3 结 语

随着技术的发展和普及,扫描电子显微镜已经从基础研究走向了生产测试。SEM不仅应用于材料学,还应用于电子学、医学和生物学等领域,也不仅是对样品的表面形貌进行观测,还可实现对相组织和晶体结构进行分析。SEM用途广泛、功能强大,但制样的好坏将直接影响测试结果的准确性。对不同样品选择合适的制样方法,以保证测试结果的准确度和精密度,是一项基础而又必需掌握的技能,这也是扫描电镜能充分发挥功能的前提。

摘要：样品的预处理作为扫描电子显微镜观测前的必要工序,对观测结果的精确性和准确度有重要影响。本文论述了扫描电子显微镜样品预处理工艺的顺序,介绍了样品的安装方法,重点介绍了样品导电处理的方法,并对真空蒸发和溅射法工艺进行了简单归纳。

关键词：扫描电子显微镜,导电处理,离子束溅射,真空蒸发

参考文献

[1]C.M.Hussain,S.Mitra.Nanomaterials for Sample Preparation[J].Comprehensive Sampling and Sample Preparation,2012,2:389-418.

[2]Kamani Ratnayake,Daryl C.Joyce,Richard I.Webb.A convenientsample preparation protocol for scanning electron microscope examina-tion of xylem-occluding bacterial biofilm on cut flowers and foliage[J].Scientia Horticulturae,2012,140:12-18.

[3]Agnieszka Dudkiewicz,Karen Tiede,Katrin Loeschner,et al.Charac-terization of nanomaterials in food by electron microscopy[J].TrACTrends in Analytical Chemistry,2011,30(1):28-43.

[4]G.Salviati,L.Lazzarini,T.Sekiguch,et al.Assessment of Semicon-ductors by Scanning Electron Microscopy Techniques[J].Comprehen-sive Semiconductor Science and Technology,2011,4:308-356.

[5]郭素枝.扫描电镜技术及其应用[M].厦门:厦门大学出版社,2006:76-78.

[6]张大同.扫描电镜与能谱仪分析技术[M].广州:华南理工大学出版社,2009:142-143.

[7]王醒东,林中山,张立永,等.扫描电子显微镜的结构及对样品的制备[J].广州化工,2012,40(19):28-30.

[8]G.Topalov,G.Ganske,E.Lefterova,et al.Preparation and proper-ties of thin Pt-Ir films deposited by dc magnetron co-sputtering[J].International Journal of Hydrogen Energy,2011,23(36):15437-15445.

[9]Miaomiao Li,Fanggao Chang,Chao Li,et al.CIS and CIGS thin filmsprepared by magnetron sputtering[J].Procedia Engineering,2012,27:12-19.

导电油墨制备技术及应用进展 篇9

1 导电油墨的组成及分类

导电油墨是一种功能性特种油墨,一般由导电功能单元与基体材料组成。导电功能单元多为导电金属粉末、导电高分子材料,而基体材料则为陶瓷粉体和高分子聚合物,主要起粘接与机械支撑作用。为了便于操作使用,往往需要加入分散剂、稀释剂等,用于调节产品的黏度等[3]。由此可见,导电油墨的组成材料种类较多。这些材料在种类和性质上的多样性决定了导电油墨的种类多样。按照导电油墨组成材料的性质,大体上可分为无机系导电油墨、有机系导电油墨和复合导电油墨3大类。

无机系导电油墨的功能单元是导电金属粉体,如分散在陶瓷粉体中的导电银浆等。该类产品具有可靠性高、稳定、储存性能高等优点,但固化温度较高。

有机系导电油墨的功能单元为合成导电高分子材料,如表面电阻值在1011~1012Ω以下可消除积累静电荷的防静电油墨。该类材料具有固化温度低、使用方便、可实现分子线路与器件的制造等优势,但目前性能还不稳定、电阻率较高[4]。

复合导电油墨是由无机导电功能单元和支撑体有机材料组成,具有导电性能良好、固化温度低、工艺操作性强等特点,成为最具有竞争力的一大类。但无机材料与高分子材料的亲和性较差,必须使金属纳米颗粒在油墨中保持高浓度的单颗粒化,并保证不会发生凝聚等问题[5]。

近年来,通过应用纳米技术,填充纳米级金属颗粒的复合导电油墨具有了一系列与传统导电油墨大不相同的特性,使该类产品从只具有简单的导电性向具有特殊的光、电、磁等多种性能方向发展,成为导电油墨中发展最快的种类。本文主要讨论这种复合型导电油墨。

2 复合导电油墨的制备技术

2.1 银浆油墨

银浆油墨是以超细银粉和热塑性树脂为主体而组成的液型油墨[6],主要应用于挠性印制电路、薄膜接触开关、电磁屏蔽、发热元件的预涂层等,也可应用于PET、PC、PVC片材上。它具有极强的附着力和遮盖力,可低温固化,导电性可控,电阻值很低。

目前,复合银浆制备中的银源多为AgNO3。Zhengchun Liu等[7]以去离子水和二甲亚砜(DMSO)作溶剂,还原硝酸银制备油墨,所得银浆粘度为4.5mPa·s,表面张力为41mN/m,制成的印制层电阻约为1.5×10-5Ω·cm。Dongjo Kim等[8]以多元醇法制备银纳米颗粒油墨,将硝酸银溶于多元醇,在回流冷凝器中进行还原,离心后银粉经乙醇反复洗涤后室温干燥,再将制得的银纳米颗粒、分散剂等加入溶剂体系中球磨,5μm尼龙网过筛后得到银粒径约为20nm的导电油墨,并将其用于喷墨打印,结果证实合成油墨的低温过程可以满足柔性基板要求。

研究发现,用硝酸银作为复合银浆的银源,存在硝酸银见光易分解、合成的产品Ag含量一般较低等问题。莫黎昕[9]研究了用柠檬酸银代替硝酸银改进复合银浆制备技术。实验选取柠檬酸代替硝酸银,用抗坏血酸(Vc)进行还原制备银浆油墨。结果表明,当Vc过量1倍时,柠檬酸银乳液还原彻底,其粒径分布在10~50nm,无明显团聚现象;当固化银浆涂层厚度为3μm时,得到表面电阻小于10Ω/□的低电阻薄导电涂层。

2.2 铜浆油墨

铜浆油墨是以含铝、铜锌合金或超细铜粉(经抗氧化性处理)和热塑性树脂为主体而组成的液型油墨,应用于印刷线路及微电子装置,包括细导线与印刷线路、电镀底板、陶瓷被粘物的金属层、金属地盘连接,粘接导线与管座,粘接元件与穿过印刷线路的平面孔,粘接超微线路板以及孔修补。它具有极强的附着力和遮盖力,可低温固化,有较好的导电性和较低的电阻值。

金属纳米粉末是制备导电油墨的关键成分之一[10],可以通过减小材料相对粒径来极大地降低纳米材料的熔点,而低熔点使得金属纳米颗粒适用于印制电子,是因其可在低温形成低阻抗导电通路。Bong Kyun Park等[11]以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作抗氧化剂,溶于二甘醇(DEG)溶剂中,在大气环境下,以次亚磷酸钠为还原剂还原五水硫酸铜,制得可作为油墨填料的单分散球形纳米铜颗粒。在最优条件下所得铜粉粒径为(54±8)nm;XRD研究表明,所获得的铜颗粒为面心立方结构;由于PVP化学吸附在铜表面,放置30天后所得铜粉稳定性良好。Wencheng Hu等[12]以次亚磷酸钠为还原剂,利用水热合成法制得稳定性良好的纳米级铜粉,其可作为导电填料应用于油墨中。刘美娜[13]以800目铜粉作油墨填料,在铜粉处理的基础上通过大量单因素实验得到具有较低电阻的铜浆油墨配方:铜粉6.3g,丁酮1.0g,丙烯酸树脂10.5g,钛酸酯溶液1.0g,邻苯二甲酸二丁酯适量。

与复合银浆相比,复合导电铜浆具有更低的应用成本,目前急需要解决的难题是超细铜粉的抗氧化、特种形貌超细铜粉的制备等。

2.3 碳浆油墨

复合碳浆油墨是一种热固型导电油墨,导电填料为导电碳核。油墨固化后,能起到保护铜箔和传导电流的作用,具有良好的导电性及较低的阻抗。油墨膜层不易氧化,性能稳定,固化后耐酸、碱和化学溶剂腐蚀。油墨的附着力强,抗剥离,与铜箔或玻璃布板结合良好。但由于碳与导线材料(如铜)的化学活泼性质差异较大,如果两者暴露在潮湿的大气中,连接处的电化学腐蚀将会影响设备的使用寿命,限制该类产品的使用。

陈雷等[14]以端异氰酸酯聚氨酯改性环氧树脂作为连结料,炭黑、石墨作为导电填料,加入固化剂、溶剂和分散剂后进行研磨,得到改性环氧树脂基碳浆油墨。该油墨与PET薄膜有良好的附着力,印制的导电线路抗弯折性达到10万次,满足柔性印刷电路的要求。

刘魁等[15]研制了薄膜开关柔性导电油墨的制备技术及其最佳配方。研究结果显示,石墨与炭黑的质量比为3∶2、填料与连结料质量比为50∶12,经研磨细度为10μm时导电率最佳,固化油墨膜方阻值在10Ω/□以下,可以满足柔性线路的基本要求。

2.4 其它制备方法

铜粉价格约为银粉的1/20,但铜在空气和水作用下会产生氧化层使导电性变差,采取在铜粉表面镀一层银的方法可在一定程度上克服这些缺陷。方芳[16]介绍了导电镀银铜粉油墨的制备:用助剂、硝酸银、氨水配制的溶液与铜粉发生置换反应,在铜表层镀一层银;钛酸酯和乙醇配制成偶联剂与铜粉反应,在镀银层表面形成一层防氧化层。所得的镀银铜粉油墨具有良好的导电性,导电率小于10-3Ω·cm,化学稳定性好。

Jae Hee Song等[17]以乙二醇作溶剂,加入二氯化钯、硝酸银、PVP、聚苯胺于160℃回流制得银纳米线,将硝酸银和表面活性剂溶于甲苯中,滴加烷烃后加入硼氢化钠还原,分离、乙醇和丙酮洗后得到银纳米颗粒,将银纳米线、银纳米颗粒与聚苯胺混合制得导电油墨。所得油墨为含超细银纳米颗粒的水性油墨,银纳米线平均直径为75nm,平均长度为10μm。混合导电油墨的电导率为2.3×105S/cm,可满足RFID天线、数字印制多层电路板、智能封装等的应用要求。

3 复合导电油墨的导电机理

关于填充型复合油墨的导电机理,目前仍然是材料理论研究中的一个课题,在许多方面还有待完善,较成熟理论主要有2个,即宏观的渗流理论(导电通道学说)和微观的量子力学隧道效应。

渗流理论即宏观的导电通道学说[18]认为,材料的导电是通过导电的填料粒子间相互接触,形成导电通路而使油墨具有导电性。油墨干燥固化前,材料中的导电填料颗粒处于独立分散状态,颗粒之间接触不稳定,因而不具有导电性能;油墨干燥固化后,由于溶剂的挥发和连结剂的固化引起油墨体积收缩,导电粒子间形成如Flory凝胶的无限网链结构,从而使材料呈现导电性。应用渗流理论能够很好地解释导电胶的导电性能随着体系内导电粒子数量的增加,体系电阻值减小的现象,以及渗流阀值的存在。但是,对于金属-聚合物类导电油墨,体系内导电颗粒的完全接触是一种理想状态,实际上导电颗粒之间必然存在非导体聚合物。该理论不能说明该聚合物层的种类、厚度等对油墨电学性能的影响。

微观的量子力学隧道效应理论认为,材料的导电性能不是通过导电填充粒子间的接触产生,而是在电场的作用下,相距很近粒子上的电子通过热振动越过粒子间隙势垒,形成电子通道使材料呈现导电性能。隧道效应的理论基础是量子力学[19],其能够合理地解释聚合物基体与导电填料呈海岛结构复合体系的导电行为,并与许多复合体系的实验数据相符。如果引进场发射效应,用微观隧道效应理论还可以解释复合材料导电性能的非欧姆特性。根据隧道效应理论,材料导电性能的决定因素是粒子之间的间隙宽度,当材料的种类与测试条件相同时,其电导率应该与间隙宽度呈线性关系,而通过实验数据模拟的方程皆为非线性的。另外,隧道效应理论也没有对导电颗粒的几何尺寸变化以及颗粒大小与间隙宽度的相对比例对材料导电性能的影响进行分析。

假设导电颗粒连续网络分布与全部分离状态都属于理想状态,在实际材料中,导电回路的形成是2种理想状态相互结合形成的,即填充型导电油墨导电情况可分为3种:(1)一部分导电粒子呈完全连续地相互接触形成导电通道;(2)一部分导电粒子不完全连续接触,相距很近而未直接接触的导电粒子之间由于隧道效应形成电流通路;(3)一部分导电粒子完全不连续,导电粒子间的隔离层较厚,是电的绝缘层。导电机理可用图1的模型来表示。图1分别为连续、部分连续、不连续导电通路和等效电路示意图,RL为相互接触的导电粒子电阻,Rg为由于隧道效应而产生电流通路的电阻,Cg为由于隧道效应而产生电流通路的电容,C为绝缘层电容。

4 复合导电油墨的应用

复合导电油墨早期主要用于代替电子设备制造中使用的焊锡和抗静电材料,随着材料制备技术与性能的改进,复合导电油墨的应用领域获得极大的拓展。目前,作为一种功能性电子材料,导电油墨已经成为全印制电路技术、半导体封装、印制电子器件等技术领域中的关键材料。应用导电油墨有利于实现电子设备的高密度化、微型化组装以及电子设备轻、薄、功能集成等要求。可以预见,随着导电油墨性能的提高和各种高档电子设备、消费电子产品的大量出现,导电油墨的应用将进一步扩大。目前,导电油墨已经获得应用的技术领域有以下几个方面。

4.1 智能标签天线

智能标签[20,21]也称电子标签,是一种通过无线电波来达到非接触的资料存取技术。RFID是标签领域的高新技术产品,是由芯片、天线等多层构成的射频电路,可应用于生产、物流、交通、医疗、防伪、身份验证等众多行业。目前,RFID已在产品包装和防伪中发挥重要作用,具有逐步替代传统产品标签和条形码的趋势。世界最大的零售商沃尔玛要求其供应商使用RFID技术,美国国防部要求其4万多个供应商在最小可能包装水平上使用RFID标签[22]。

在RFID技术中,固化导电油墨的功能为天线,以接收无线信息流。用导电油墨制作RFID天线具有2个主要的优点:(1)传统的压箔法或腐蚀法制作的金属天线,工艺复杂,成品制作时间长,而应用导电油墨印刷天线是利用高速的印刷方法,高效快速,成本低廉,这对降低智能标签的制作成本有很大的意义[23];(2)应用导电油墨制作天线,可以避免传统的压箔法或腐蚀法在刻蚀阶段产生的金属材料浪费和大量废水。目前,导电油墨已开始取代某些频率段的蚀刻天线,如超高频段(860~950MHz)和微波频段(2450MHz),其性能与传统蚀刻的铜天线相似。此外,导电油墨还用于印制RFID中的传感器及电子线路。

4.2 印制电路

印制电路是指在绝缘基板上通过各种方法形成为电子元件连接的导电通路,是电子工业的重要部件之一。用导电油墨代替蚀刻技术制作线路是现代印制电路制作技术的发展方向,该技术被称为全印制电路技术。

全印制电路是印制电子的关键技术之一,该技术的关键之一就是高性能导电油墨的制备。导电油墨应用于全印制电路技术的优势在于[24,25]:(1)减少印制板制作工序,采用导电油墨印刷线路板完全避免了传统刻蚀方法中成膜、曝光、掩膜、刻蚀等一系列工序,使生产成本降低,能耗减少,几乎不产生三废,具有更高灵活性;(2)低温工艺,低于200℃的低固化温度可使油墨用在对温度敏感的材料或无法焊接的材料上、芯片在玻璃上的组装、芯片在柔性基板上的贴装等[26]。采用导电油墨喷墨打印技术开发的全印制电路技术将成为印制电路工业生产的主流技术。

4.3 薄膜开关

所谓薄膜开关是用丝网印刷方法,按预先设计的接点和电路,将导电油墨网印在PC或PET薄膜上,然后将印好的薄膜与装潢艺术面板等组合而成。这种开关与传统的机械式开关相比,具有结构简单、外形美观、耐环境性优良、使用寿命长(100万次以上)等优点,并且便于高密度化(各种大小按键可混合设计),被广泛用于传真机、复印机、电话机、电子玩具、测量装置和医疗仪器等。薄膜开关及其相关制品,销售市场很大,并且仍在迅速增长之中。

4.4 电子器件

接触式传感器面板是在188μm厚度的聚酯膜上丝网印刷厚度约8μm的特殊碳墨,然后在碳墨层上按设计要求用银墨印刷电路板,做成电阻元件薄膜,在这样两片电阻元件薄膜中间设置压敏型导电橡胶板组合而成。电路内的电流随着手指触碰发生变化,从而产生感应效果。导电油墨还可应用于传统包装领域[27]。采用导电油墨印制包装盒,可通过触摸激发,而不需要使用繁琐的导线、开关、按钮及其它传统的电气元件,节约了成本。

除上述列举的用途外,导电油墨还可应用于低成本太阳能电池、图形转移、埋嵌无源元件、智能地毯、智能服装等。

5 结束语

基于功能性导电油墨发展起来的全印制电子技术已经成为很多新电子产品创新应用的源泉。研制具有良好稳定性、低阻抗的纳米金属填充和功能性油墨是目前该领域中的研究热点。由于银浆、铜浆油墨等的实际操作工艺温度相对较高,对于基材有一定影响及限制,开发能在较低温度甚至室温下固化的导电油墨仍为导电油墨新品种研发的重要课题之一[28];纳米粉体制备工艺的要求较高、成本较高,开发具有良好导电性、力学性能以及较好载流能力的有机高分子材料即本征导电油墨将成为今后的发展方向;此外,传统导电油墨在使用过程中有大量有机溶剂挥发,不但污染环境也危害操作工人的身体健康,开发环境友好的水性导电油墨将更加受到人们的重视。

利用超微粉碎技术制备参茸片 篇10

1 处方

处方来源:参茸固本片为《中国药典》收载方, 为补气养血剂, 临床应用多年, 疗效较好。药物组成:西洋参、鹿茸、当归、牡丹皮、枸杞子、茯苓、五味子、泽泻、熟地黄、杜仲、菟丝子、白芍、沉香。功能主治:补气养血, 用于治疗气血两亏、诸虚百损、耳鸣目眩、四肢倦怠等症。

处方分析:西洋参味甘辛, 性凉, 无毒。对肺火旺、咳嗽、多痰、精神虚弱、失血 (各种出血) 、心身疲劳、精神不安等有治疗作用。西洋参归心、肺、肾经, 可益肺阴、清虚火、养肺生津。现代研究表明其含人参皂甙、树脂、挥发油等, 有较强的强壮作用和镇静作用。鹿茸为血肉有情之品, 味甘咸, 性温, 入肝、肾二经, 功主壮元阳、补气血、益精髓、强筋骨。《本草经疏》载:“鹿茸, 禀纯阳之质, 含生发之气”“肾虚有火者不宜用, 以其偏于补阳也”。《本草纲目》载曰:“生精补髓、养血益阳、强健筋骨。”当归补气活血, 调经止, 润肠通便;牡丹皮清热凉血、活血化瘀;枸杞子益补肝肾、益精明目;茯苓利水渗湿、健脾守心;五味子收敛固涩、益气生津、补肾宁心;泽泻利小血、清湿热;熟地黄滋阴补血、益精填髓;杜仲补肝肾、强筋骨、安胎;菟丝子滋补肝肾、固精缩尿、安胎、明目、止泻;白芍平肝止痛、养血调经、敛阴止汗;沉香行气止痛、温中止呕、纳气平喘。

2 实验研究

2.1 实验研究流程

西洋参、鹿茸、当归、牡丹皮、枸杞子、茯苓、五味子、泽泻、熟地黄、杜仲、菟丝子、白芍、沉香分别用万能粉碎机粉碎, 过100目筛, 球磨机分别粉碎西洋参、鹿茸、沉香各175min, 转速355r/min, 所得微粉末混匀后直接压片, 质量检查。

2.2 超微粉碎工艺流程

2.2.1 工艺流程相关设备与仪器

万能粉碎机 (FW80型) ;普通电子显微镜;变频行星式球磨机 (南京科析实验仪器设备厂) ;透射电子显微镜 (Philips) ;扫描电子显微镜 (Philips) 。

2.2.2 超微粉碎实验操作流程

将药材净制干燥并用万能粉碎机初步粉碎后备用 (西洋参过100目, 鹿茸过20目) , 称取适量药粉放置球磨罐中, 设置转速及时间, 开启球磨机。

2.2.3 球磨机粉碎最佳工艺参数筛选

取适量沉香、鹿茸、西洋参, 考察球磨机粉碎的最佳工艺参数, 改变投料量和转速, 以收粉率和粉末粒度为指标进行考察, 通过考察可见, 沉香、西洋参、鹿茸利用球磨机粉碎成纳米级微粉从工艺上看是可行的, 在转速为355r/min, 时间为175min时, 西洋参和鹿茸干法粉碎效果较好, 纳米级程度较高。在转速为255r/min, 时间为80min时, 沉香湿法粉碎所得粉末粒度已达纳米级。

2.3 成形工艺考察

2.3.1 剂型选择

中药片剂指药物细粉或提取物与适宜的赋形剂混合, 经加工压制而成圆形或其他形式的片状剂型, 供内服和外用。与中药其他常用剂型相比, 片剂具有以下优点: (1) 一般情况下片剂的溶出速率及生物利用度较丸剂好; (2) 剂量准确, 片剂内药物含量差异较小; (3) 质量稳定, 片剂为干燥固体, 且某些易氧化变质及潮解的药物可借包衣加以保护, 光线、空气、水分等对其影响较小; (4) 携带、运输、服用较方便; (5) 机械化生产, 产量大, 成本低, “卫生标准”也容易达到。但片剂也有不少的缺点, 如:片剂中药物的溶出速率较散剂及胶囊剂慢, 其生物利用度稍差。本实验主要利用超微细粉碎法制备片剂, 提高药物生物利用度。

2.3.2辅料筛选

辅料量的比例组合对成品指标的影响较大, 这是工艺优化的重点之一。片剂常用辅料包括五大类:稀释剂、润湿剂、粘合剂、崩解剂、润滑剂。根据主药的性质, 添加辅料。本实验首先试制添加辅料乳糖的参茸片, 结果发现崩解时限过长, 达61min, 远远超过药典所规定限度, 再次试验, 考虑不添加任何辅料, 结果所制成的片剂可压性好, 可塑性强, 各项指标完全符合规定, 故本试验未加任何辅料。

2.4 压片

2.4.1 制剂处方

西洋参粉4g、鹿茸粉2.7g、当归1.5g、牡丹皮0.8g、枸杞子1g、茯苓1g、五味子0.75g、泽泻0.6g、熟地黄1g、杜仲1g、菟丝子1g、白芍1.2g、沉香1g。以上原料共制成30片。

2.4.2 成型工艺

由处方工艺条件筛选出的有关数据计算片重及片数, 按干颗粒总重计算片重:片重= (干颗粒总重+辅料重) /预定应压片数。全方共计20.55g, 压制30片, 平均每片重约0.685g, 每日3次, 每次2片。

2.4.3 制法及工艺流程

将所有药材分别用万能粉碎机打成粗粉后备用 (鹿茸过20目筛, 其他均过100目筛) , 称取适量药粉放置球磨罐中, 设置转速355r/min, 时间175min, 开启球磨机, 粉碎完成所得粉末, 混匀, 压片, 即得。

3 质量检查

3.1 外观性状

本品表面色泽均匀, 有光泽, 无杂斑杂物。

3.2 重量差异

按片剂项重量差异方法检查, 结果见表1。

(n=20)

结论:片重差异未超过±5%, 符合药典规定。

3.3 硬度

用片剂四用仪测定, 每次测定6片, 求出平均值, 结果见表2。

(n=20)

结论:能承受30~40N的压力, 符合规定。

3.4 脆碎度

(n=20)

结论:按脆碎度检查方法测定, 符合相关要求。

3.5 水分含量测定

按水分含量法检查, 计算含水量, 经测定, 含水量为2.80%, 符合要求。

3.6 崩解时限检查

按崩解时限检查法项下方法检查, 结果见表4。

(n=20)

据药典规定, 药材原粉片各片均应在30min内全部崩解;浸膏片、半浸膏片、糖衣片应在1h内全部崩解。随机挑选的六个样品崩解时限均在规定范围内, 符合要求。

4 结论与讨论

根据处方功能主治和处方中药物的性质, 运用现代超微粉碎技术, 对参茸片的制备工艺、处方标准进行了初步研究, 结果显示本品各项指标均合格。研究结果表明, 本品制备工艺可行, 质量可控, 成品质量稳定。

近年来, 超微粉碎技术在中药粉碎中的应用日趋增多, 应用气流粉碎、超声粉碎、球磨机粉碎等现代超细微加工技术, 粉碎速度快, 且在粉碎同时就进行了分级, 可将传统粉碎工艺得到的中心粒径为150~200目 (75μm以下) 的粉末, 提高到5~10μm以下, 而在该细度下, 一般药材细胞的破壁率为95%, 其中的有效成分直接暴露出来, 药材成分的溶出和起效更加迅速安全。同时整个粉碎过程在密闭状态下进行, 减少了药物被微生物污染的机会。球磨机粉碎最大的优点在于使药材内容物暴露出来, 比表面积增加, 药物能较好地分散、溶解在胃肠液里且与胃肠黏膜接触面积增大, 可加快其在体内的溶解、吸收速度, 提高其吸收量, 从而大大提高生物利用度, 减少使用剂量。制成微粉纳米片, 服用方便, 耗材少, 成本低, 获得巨大的经济效益, 有广阔的发展前景。

本研究采用超微粉碎技术对西洋参和鹿茸进行粉碎, 随细度提高, 细胞、导管粉碎程度增加, 破壁率越高, 细胞内有效成分充分暴露出来, 显微镜观察显示有很大的不同。经万能粉碎机普通粉碎, 用电子显微镜观察, 西洋参可见较多类圆形大小不均的淀粉粒, 鹿茸可见散在角化棱形细胞, 而经球磨机粉碎后, 西洋参可见大量大小较均匀淀粉粒, 及许多破碎散在粒子, 仅有极少量完整细胞。

扫描电镜观察, 大部分细胞已破碎, 除极少量小粒径淀粉粒、油室以及被细小化的草酸钙结晶可显现外, 其他各特征显微组织 (如导管、木纤维、木栓细胞) 均没有完整结构, 混合在一起不能分辨, 只能观察到细胞碎片, 且各种成分在粉碎的同时, 均匀混合, 分散性较好。

透射电镜观察西洋参粉末, 可见小颗粒团聚成大颗粒, 是因粒子粉碎至纳米级, 总表面积增大, 表面能增大, 而粒子有降低表面能的趋势, 降低表面积, 所以发生自动聚集现象。

本实验处方中虽未加任何辅料, 却提高了每片中的药效成分含量, 减少服用剂量, 服用方便, 从病人角度考虑, 更具人性化。此外, 超微细粉制剂还存在减少剂量, 降低成本, 使各成分均匀化, 提高药用效果, 利于保留生物活性, 提高药效, 易成型, 便于应用, 污染小, 产品卫生质量高等优点。

参考文献

[1]魏·吴普等述, 清·孙显衍, 孙冯翼辑.神农本草经[M].上海:商务印书馆, 1995.

[2]马春霞.人参的药理作用及临床应用[J].社区医学杂志, 2008, 6 (10) :13-14.

[3]罗刚, 陈立庭, 周晶, 等.超微粉碎技术在中药研究中的应用[J].现代药物与临床, 2011, 26 (2) :108-112.

制备技术 篇11

关键词：超声波；酶解制备；作用机制；耦合技术；应用前景

中图分类号： TS201.1文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0013-04

收稿日期：2013-09-05

基金项目：国家自然科学基金（编号：31371723、31201449）。

作者简介：滕超（1981—），男，博士，副教授，研究方向为食品生物技术。E-mail：tengchao@th.btbu.edu.cn。

通信作者：李秀婷，博士，副教授，研究方向为食品微生物与酶工程。E-mail：lixt@th.btbu.edu.cn。超声波是指频率高于20 kHz的声波，它具有波动与能量的双重属性，属于机械波的一种。超声学至今已有超过100年的研究历史，而自20世纪80年代以来相关领域的研究发展迅猛，超声波除理论研究外在应用研究领域也取得了较大发展。目前，超声波技术已经广泛应用于食品加工、化工、医疗、生物工程等领域[1-3]。超声波与酶解反应的耦合技术在生工产品制备中的应用研究虽然起步较晚，但由于其独特的优势及应用潜力，近些年逐渐受到人们的重视。超声波技术在酶解制备中的应用主要是通过超声波能量作用于反应体系改变各个组成部分的作用方式，提高产物的合成效率来实现的。但由于酶解体系很复杂，其确切的作用机制尚需大量研究进行验证，本文就超声波对酶解产物制备的影响、超声波辅助酶解制备中关键影响因素等进行论述，对超声波辅助酶解制备的应用进展及现存问题进行介绍和分析。

1超声波对生化反应的一般作用机制

超声波由于频率相对较高而赋予其自身巨大能量。一般认为，高频能量使得被其辐射的分子急速运动，并伴有显著的声压作用，分子结构也因此受到一定程度的破坏，从而直接或间接改变反应速率。超声波在传播过程中与介质相互作用引起各种超声效应。超声效应一般有热效应、机械传质作用、空化效应等3种，而超声波的频率、强度等参数会直接影响上述3种作用的强弱[4]。其中，热效应一般会引起介质整体或边界外局部温升，而空化形成激波时则会导致波前处的局部产生加热现象等。超声波的热效应虽然不是超声波对生化反应过程作用的主要方式，但现已确定为重要影响因素之一。其次，超声波作为一种机械振动能量的传播形式，可以使介质质点进入振动状态，从而增强液态介质的质点运动，加速质量传递作用，进而在液体中形成有效的流动与搅动，导致介质结构的破坏，液体中的颗粒被粉碎，达到普通低频机械搅动所达不到的效果[4]。空化作用是当超声波在介质中传播时强度超过了某一空气阀值所产生的空化现象，主要表现为液体中微小空气泡核在超声波作用下被激活，出现泡核的振荡、生长、收缩、崩溃等一系列动力学过程。通常认为以上超声波所具有的效应对生物质提取尤其是酶催化反应具有重要的影响。

超声波在食品加工中的应用主要通过上述几种机制将声能转化为机械能实现。其中，空化效应通常被认为在催化过程中起主要作用。根据不同的特性，空化作用又可以分为瞬态空化和稳态空化2种。一般较高强度的超声会产生瞬态空化作用，空化泡崩溃的瞬间，释放出高温高压，导致大量自由基的形成，并伴有強大的冲击波或射流；高能量的自由基直接攻击酶分子发生化学变化，影响酶的活性中心，使酶活性减弱甚至失活；而酶分子在强大的冲击波或射流的作用下，分子结构被破坏甚至被剪切成小碎片而表现出活性减弱甚至失活的现象。稳态空化作用形成的空化泡则可使其周围的酶或细胞颗粒受微声流作用下的切应力作用，这种类型的空化作用同样对超声波在生物催化反应中的应用具有重要意义。

2超声波对酶解反应的影响

酶是一类具有生物催化活性的特殊蛋白质，具有催化效率高、高度专一性、易调节控制等优点，其应用范围十分广泛。酶催化在食品工业中的应用可以提高产率，降低能耗，甚至可以促进新产品、新技术、新工艺的兴起和发展。根据已有研究可知，众多种类物理场对酶活性均会产生不同程度的影响，例如，磁场、微波、电场、超声场等均可以不同程度地改变特定酶的性质。酶解反应速度通常主要取决于传质效率和酶分子构象等2个因素；而超声场则会通过加热、机械传质和空化等作用机制不同程度地影响这2个因素，进而改变酶催化反应进程。当前研究已经初步证实，超声波可以促进底物分子之间的相互作用，强化反应物进入及生成物离开酶活性中心的过程，提高酶的活性；另外，还可以改变细胞膜的透性，加强物质传输，因而被广泛用于酶解产物的制备过程中。

2.1超声波对酶解底物的预处理

超声波对底物的作用效果主要是通过提升底物的传质速率来实现的。在较低强度的超声作用下，超声还可以通过降低溶液的黏度和表面张力来增加底物的传质效果。另外，超声产生的机械传质作用和加热作用也可以增加底物分子（包括酶分子）的能量使其运动性加强，增加两者间的接触概率。在此基础上，合适的超声场还可以加强介质与酶之间的传质扩散过程，超声振动产生气泡的界面不仅有利于介质中的底物分子进入酶活性中心，同时也可以帮助酶解产物进入介质提高酶促反应速度。已有相关试验证实，较低强度超声产生的空化泡可使附近的酶分子受到微流产生的切力作用，可能会对疏通酶内外扩散的传质通道有利。此外，超声还可以使反应生成的水再分配，避免新生成的水在酶分子表面形成较厚的水化层而影响底物分子和产物分子的传质。

何荣海等在利用超声波辅助酶法生产紫菜降压肽的研究中，采用20 kHz、800 W的超声场对底物紫菜蛋白进行60 min的预处理，然后再用蛋白酶水解。结果显示，经超声波处理的紫菜蛋白与未处理的样品相比，相同条件下底物蛋白水解度增加110%，同时水解产物活性也有所提高（IC50降低295%）[5]。Imai等在超声辅助纤维素酶水解试验中也得到了类似结果，首先使用超声波对底物（纤维素）进行预处理而后酶解，使得酶解速度显著提高，说明可能是超声在改善传质效果的同时改变了底物分子的部分空间构象，增强了底物与酶分子的结合度，加快了酶解进程[6]。但对于不同反应体系及超声条件也可能会产生不同的作用效果，例如，林洮等在利用超声辅助胰蛋白酶水解米渣蛋白试验中发现，当使用超声波对底物蛋白溶液进行预处理后，酶解反应速率迅速降低；当超声预处理时间大于30 min时，酶解反而会被完全抑制。这可能是因为通过超声波预处理使得底物蛋白空间结构发生改变，减少了底物与水解酶的结合位点，进而降低了反应速度[7]。

2.2超声波对酶的预处理

酶活性的强弱主要取决于酶分子构象的合理程度。超声作用于酶分子时释放的能量可导致酶分子的构象发生一定程度的改变，从而影响到催化活性的变化。较低强度的超声处理会使酶分子能量增加以及介质发生温升，从而引起酶分子构象的微小变化，使酶分子的超微结构更具柔性、更合理，进而表现出较高的催化活性。如果超声强度进一步加强，酶分子结构则有可能进一步改变以趋向不合理的构象，导致酶分子本身的催化活性受到阻碍，表现为酶失活。

Wang等用圆二色谱（CD）对纤维素酶二级结构的变化进行分析，以α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲的含量来阐明二级结构与酶活性之间的联系[8]。如表1所示，超声引起一定数量的α-螺旋形变和无规则卷曲含量的增加，进而造成蛋白质的构象发生变化。这些变化使纤维素酶更具柔软性和灵活性，使底物更容易进入纤维素酶的活性中心，这也有利于纤维素酶活性的改善。但是过量的超声处理后，随着α-螺旋含量的增加和无规卷曲含量的减少，纤维素酶活性减弱，这表明酶活性中心可能被较紧凑的结构所包围，从而阻碍底物与酶反应。

Wang等在研究低强度超声波对纤维素酶预处理的影响中，用色氨酸荧光光谱（最大荧光发射波长为348 nm）对酶构象的变化进行了研究[8]。相关研究表明，酶分子的荧光强度随着超声功率、超声频率、超声时间的增加而逐渐减弱。这表明酶分子的构象随着超声波的预处理而逐渐改变，其原因可能是超声预处理诱导蛋白质分子展开，破坏了蛋白质分子的疏水相互作用，造成更多蛋白质分子的疏水基团暴露到外部[9-10]。

超声波产生的能量可以在一定程度上改变生物大分子（如蛋白质）结构，因此当适宜的超声波作用于酶时，可改变酶分子的空间构象使其折叠更趋合理（更易于与底物结合形成中间产物），从而提高酶催化效率[11]。另外也有观点认为，超声波主要通过对酶活性部位的结合位点施加影响，使失去活性的酶重新具有活性或有活性的酶失活进而改变酶解反应表1用超声波处理后纤维素酶的二级结构的含量

处理方法α-螺旋含量

（%）β-折叠含量

（%）β-转角含量

（%）无规卷曲含量

（%）酶活性

（U/mL）正常对照组26.226.621.924.850.42±1.7518 kHz、5 W超声处理5 min23.925.023.730.452.21±1.3824 kHz、15 W超声处理10 min23.425.023.732.159.58±1.4426 kHz、20 W超声处理10 min24.824.622.826.954.77±1.7129 kHz、50 W超声处理30 min27.626.423.522.231.62±4.23

进程[12]。在作用方式方面，超声波对酶的影响主要取决于超声频率、反应介质含水量以及介质的疏水性等。在低强度及适宜的频率下，通过超声波的空穴作用、磁致伸缩作用和机械振荡作用表现出对生化反应的促进功能或是对酶催化的协同加速作用。

2.3超声作用于酶解体系

如果在酶解反應发生时对整个体系施加超声，首先超声波热效应可以提高反应体系温度，在一定程度上能促进反应的进行。另外，当超声波振动时通过能量的传递引起媒质质点以极高的速度和加速度进入振动状态，也可以在一定程度上增加酶与底物的接触机会，进而改变酶解反应的进程。

林洮等发现，当用超声对底物蛋白和水解酶的混合液直接处理时，试验组底物的分解率比对照组高；但随着时间的延长，试验组底物最终分解率并没有提高。此结果可能是温升及蛋白质构象发生变化等因素导致的综合效果[7]。丁青芝等以双低菜籽饼粕蛋白为原料，分别考察了超声预处理蛋白酶、超声预处理蛋白原料和酶解过程前期施加超声等3种超声处理方式对该蛋白酶解制备ACEI活性肽的影响。结果显示，以上3种超声辅助方式都可以明显促进菜籽饼粕蛋白的酶解效率，而其中超声预处理蛋白原料效果最明显。可能是因为超声波对反应底物的均质作用起到了主要作用，通过超声对底物的预处理增加了酶与底物的接触面积，从而促进了酶解反应的进行[13]。

3影响超声波耦合酶解效果的主要因素

超声波与酶解反应的耦合作用机理较复杂，超声处理的强度及其他反应条件的差异均会对包括催化酶构象、底物均质、反应体系的温升等方面产生复合影响；另外，酶种类的差异、反应体系的不同均会对超声条件的选择产生直接影响[6]。因此，要达到促进酶解效果的目的，必须根据具体情况对超声条件进行系统考察。

3.1超声温度对酶解反应的影响

通常大多数酶的活性在最适温度范围内最强，酶促反应速度最大。而超声波作为一种能量形式具有加热作用和空化作用，因此对酶反应可产生促进和抑制的双重作用。当温度较低时，与空化作用相比，加热作用占主导地位，超声场下的反应体系吸收超声波能量，从而加速了酶促水解反应，表现为促进作用。随着温度的升高，空化作用逐步显现，一方面，当温度超过特定值时，由于酶本身发生热变性导致反应速率降低[14]；另一方面，由于空化作用在液体介质中微泡的形成和破裂并伴随能量的释放，在此过程中会产生瞬时局部高温、高压，同时可能伴有自由基（如水分子电离产生的 H·和OH·自由基）的形成，这些自由基可进入酶活性中心破坏酶分子的构象，进而降低反应速率，表现为抑制作用。

刘振家等发现，当超声温度小于40 ℃时，酶解制备的抗氧化肽1，1-二苯基-2-苦基苯肼（DPPH）清除率随着温度的升高而逐渐升高；在40 ℃时，DPPH清除率达到最大；超过40 ℃后，DPPH清除率呈明显下降趋势[15]。李利军等在对超声波对酶法水解丝素作用的研究中发现，在其他条件相同的情况下分别在30～50 ℃下进行超声处理，结果显示，在45 ℃时产物得率最高。说明合适的反应温度有利于超声耦合酶解反应的进行[16]。

3.2超声时间对酶解反应的影响

超声时间的长短主要会影响超声空化效应的产生和持续。刘振家等以抗氧化肽粗品清除DPPH的能力为指标研究超声时间对酶解脱脂小麦胚芽制备抗氧化肽的影响，结果显示，抗氧化肽的DPPH清除率随着耦合超声时间的延长逐渐升高，至3 min时达到最大；超过3 min后，酶解产物的清除率并没有随时间的延长而明显升高[15]。另外，还有试验发现，在超声作用过程中，产物活性略有下降，这可能是由于超声过程的热效应以及剪切力抑制了酶的活性[17]。杨柳等也发现，通过水酶法提取大豆油产物制备得率随超声时间的延长而升高，超声15 min后渐趋稳定，即继续延长超声时间制备得率保持不变[18]。

3.3超声波强度对酶解反应的影响

莫英杰等在超声辅助酶法制备大蒜素的研究中考察了不同超声强度（0.1～0.4 W/cm2）对大蒜素得率的影响，结果显示，大蒜素得率随超声强度的升高而升高，当强度为 0.4 W/cm2 时，大蒜素的得率最高[19]；但武赟等在超声波辅助酶解制备多孔淀粉的研究发现，酶解过程中较高强度的超声波处理反而降低水解率[20]。可能是因为较高强度的超声波会使酶中氢键断裂，导致蛋白质的结构展开；另外，超声过程中产生的OH-具有很强的氧化作用，能与酶中的氨基酸结合反应，致使酶失活降低水解率[21]。

3.4超声频率对酶解反应的影响

李利军等在对超声波对酶法水解丝素的研究中发现，不同频率超声波对碱性蛋白酶水解再生丝素液作用不同。在其他条件相同的情况下，分别用频率为 26、48、69 kHz超声处理，结果显示，超声频率为 26 kHz时，产物回收率最高。说明低频超声有利于提升酶解反应效果[16]。莫英杰等在超声辅助酶法制备大蒜素研究中考察的超声频率区段为 28～135 kHz，大蒜素得率随超声酶解频率的增加呈现出先增后降的趋势，当超声频率为 50 kHz 时，大蒜素的得率最高。可能是因为随着超声频率的增加，酶和底物分子的碰撞频率也增大，反应速度加快；而当超声频率继续增大时，酶分子构象可能会进一步发生改变，酶活性反而降低，影响了产物的生成[19]。

3.5超声功率对酶解反应的影响

与其他超声条件类似，超声功率对酶解反应同样具有双重效应。李利军等发现，不同功率的超声波（110～290 W）对酶解丝素蛋白作用效果存在明显差异，结果显示，产物回收率在超声功率为200 W 时最大[16]。丁莉莎等也有类似发现，通过考察不同超声功率（0、200、250、300 W）对酪蛋白水解效果的影响发现，在超声功率为200 W时，产物酪蛋白磷酸肽得率最高；而在超声功率为300W时，产物得率甚至低于无超声耦合的空白对照组[22]。此外，对于不同反应相的水解反应似乎也存在类似规律。杨柳等在用水酶法提取大豆油的研究中发现，反应过程中耦合的超声场产物提取率随着功率增大相应提高，当功率达到400 W时，提取率最高，为85.54%；而当功率超过400 W后，提取率反而减小。可能是由于功率过大导致超声瞬间热效应过于明显，使得局部温度过高，导致原料中蛋白质变性，进而影响油脂溶出[18]。

4展望

当前国内外相关研究已经充分证明，超声技术在包括酶解制备等生物催化领域具有良好的应用前景。相关工作已经在理论研究及应用推广领域广泛展开，并逐渐将研究重点转移到对其核心规律或理论的发掘和论证上。但由于生物催化反应体系本身的复杂性以及对超声化学认识的限制，很多本质的机理性问题远未得到明确阐释和说明。而先前未重点考察的影响因素最近被证实同样可能会对反应效果产生显著影响，例如，对于部分酶解试验采用复频共振的方式明显优于单一频率的提取率[22-23]，占空比对超声提取率及提取物的纯度可能会存在一定影响。另外，目前超声提取设备基本都是通过介质（一般为水）将超声间接作用于样品，而为提高超声波作用效率可进一步开发能满足复频、占空比等研究需要的制备仪器等。随着对超声耦合酶解体系研究的逐步全面和深入，很多深层次的问题包括超声与各类反应体系影响关系的分析、相关反应模型的确定等核心规律问题有望逐渐得到涉及和明确，从而可以有效推进该项技术在实际生产中的应用。

参考文献：

[1]Cocciardi R A，Ismail A A，Sedman J. Investigation of the potential utility of single-bounce attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy in the analysis of distilled liquors and wines[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2005，53（8）：2803-2809.

[2]Mitragotr S，Kost J. Low-frequency sonophoresis：a review[J]. Advanced Drug Delivery Reviews，2004，56（5）：589-601.

[3]Coupland J N. Low intensity ultrasound[J]. Food Research International，2004，37（6）：537-543.

[4]Patist A，Bates D. Ultrasonic innovations in the food industry：from the laboratory to commercial production[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies，2008，9（2）：147-154.

[5]何荣海，马海乐，周存山，等. 超声波在酶法生产紫菜降血压肽过程中的应用[J]. 江苏大学学报：自然科学版，2007，28（1）：4-7.

[6]Imai M，Ikari K，Suzuki I. High-performance hydrolysis of cellulose using mixed cellulase species and ultrasounication pretreatment[J]. Biochemistry Engineering Journal，2004，17（2）：79-83.

[7]林洮，江漓，赵小虎，等. 超声促进胰蛋白酶酶解米渣蛋白的研究[J]. 食品研究与开发，2012，33（3）：6-9.

[8]Wang Z B，Lin X M，Li P P，et al. Effects of low intensity ultrasound on cellulase pretreatment[J]. Bioresource Technology，2012，117：222-227.

[9]Gülseren I，Güzey D，Bruce B D，et al. Structural and functional changes in ultrasonicated bovine serum albumin solutions[J]. Ultrasonics Sonochemistry，2007，14（2）：173-183.

[10]Jambrak A R，Mason T J，Lelas V，et al. Effect of ultrasound treatment on solubility and foaming properties of whey protein suspensions[J]. Journal of Food Engineering，2008，86（2）：281-287.

植物透射电镜样品制备技术的改进 篇12

1 实验材料与仪器

在实验过程中,选择双子叶植物、单子叶植物的嫩茎、叶作为实验材料,并且在叶的质地上分别选择表面具毛的纸质叶和表面无毛的革质叶进行实验(表1);取样时间是2006年4月;取样植物中双子叶植物是:刺毛杜鹃Rhododendron championae Hook,华丽杜鹃[1]Rh.farrerae Tate et Sweet,满山红Rh.mariesii Hemsl.et Wils,马银花Rh.ovatum(Lindl.)Planch.ex Maxim.,滇白珠Gaultheria leucocarpa Bl.var.crenulata(Kurz)T.Z.Hsu,构树Broussonetia papyrifera(L.)Vent.;单子叶植物是广东石豆兰茎Bulbophyllum kwangtungensis Schltr.。实验所使用的透射电镜是日立H—600型,工作电压为75kv。

2 制备技术研究

2.1 取样与固定

取当年生叶片(展叶后7~20天),无病虫危害,无其他污染。及时剪成长1cm、宽0.5cm,迅速放在2.5%的戊二醛固定液中固定。戊二醛必须在0℃~4℃条件下保存,温度过高会使戊二醛分解失效。一般固定12~48 h,如果需要保存较长时间,必须每隔5天更换1次戊二醛液,但保存最长时间最好不要超过20天。

2.2 预处理

首先,从戊二醛固定液中取出植物物料,用磷酸缓冲液洗涤4次,每次15min,目的是把剩余的戊二醛冲洗干净。磷酸缓冲液的配制方法[2]是:①甲液:取Na2HPO4·2H2O 35.61 g,加蒸馏水1 000mL,配制成0.2mol/L的磷酸氢二钠溶液为甲液;②乙液:取Na2HPO4·2H2O 27.6 g,加蒸馏水1 000m L,配制成0.2mol/L的磷酸氢二钠溶液为乙液。然后按表2将甲、乙两种溶液混合即得到所需要的p H的缓冲液,本次实验取p H值6.6。

接着,用1%的四氧化锇(OsO4)作后固定液,固定12 h,固定温度为-4℃,然后用蒸馏水冲洗2次,每次15min[3],在常温下进行。

最后,进行逐步、渐进的乙醇或丙酮脱水。分别进行50%→70%→90%的乙醇脱水,每次15min。接着用90%乙醇和90%丙酮的等体积比例混合液脱水15min。再用90%丙酮脱水15min。最后用100%的丙酮脱水2次,每次15min。脱水温度均为0℃~4℃,即每次换好脱水剂之后立即放进符合温度要求的冰箱。

2.3 包埋

首先是渗透,即分别用丙酮:包埋剂(国产环氧树脂618)=3∶1、1∶1、和1∶3的渗透剂进行渗透,每种比例渗透24 h,共计渗透72 h,处理温度均为32℃~35℃。(先将样品放在青霉素瓶中,然后再加渗透剂进行渗透)。最后,加纯包埋剂(环氧丙烷包埋剂618)渗透24 h。

接着是聚合,这一步的具体做法是:把包埋剂注入包埋块板孔中,从青霉素瓶中取出样品(这是样品有些粘稠,动作要迅速),摆放在包埋板孔中(注意不要遮挡编号)。接着又用60℃聚合48 h(放在恒温箱)。最后取出进行修块、光镜定位。

2.4 切片

用于电镜观察的样品切片必须是超薄切片,可用LKB—5型机切片,厚度约为50~70nm。捞出后用构椽酸铅、2%醋酸铀双染色[4](分别用铀和铅染色),在日立H—600型电镜下观察、拍摄。

3 结果与讨论

从图版可以看出,不同类群的各种细胞器如质膜、叶绿体、前质体、油滴、液泡等都得到较好的保存,连很微细的内质网、微管也完整地保留下来了,而且比较清晰,说明这种方法适应于种子植物不同类群的电镜样品制备。此外,这次实验所使用的电镜是日本1980年代的产品,性能具有较大的局限性,如放大倍数仅25 000倍以下等,但观察拍摄的图片却比较清晰、完整,说明这次电镜样品制备技术的改进方法可以在实践中应用,并且能够获得较好的效果。

与常规的植物电镜样品制备技术相比,这次实验主要进行了2个环节的改进:①在渗胶过程中,不添加DMP(2,4,6三、二甲氨甲基苯酚)来控制组织块的硬度,而是利用植物组织中细胞壁富含果胶质、纤维素等物质自我调节组织块的硬度。②通过对所拍摄的照片进行分析,认为根据取样器官的幼嫩程度,调整渗胶的时间可获得较好的清晰度和完整的细胞器图象,即如果植物器官在发育时间为40~60天的阶段,则渗胶时间为60~64 h;如果植物器官在发育时间为40天以下,则渗胶时间为65~75 h。

图版说明:

1.马银花茎Rhododendron ovatum,×12000:A示内质网;B示高尔基体;C示胞质类核仁。

2.满山红茎Rh.mariesii,×12000:A示内质网;B示核膜孔[5];C示核膜;D示线粒体;E示叶绿体基粒;F示叶绿体的核糖体。

3.刺毛杜鹃茎Rh.championae,×5000:A示前质体;B示液泡。

4.华丽杜鹃叶Rh.farrerae,×17000:A示叶绿体基粒;B示淀粉粒。5.滇白珠Gaultheria leucocarpa Bl.var.crenulata,×3500:A示芳香油细胞;B示胞间连丝。

6.构树茎Broussonetia papyrifera,×8000:A示微官;B示核膜孔;C示叶绿体;D示淀粉粒。

7.构树茎(纵切)B.papyrifera,×4000:A示淀粉粒;B示筛板;C示液泡。

8.广东石豆兰茎Bulbophyllum kwangtungensis Schltr.,×8000:A示肼胝质壁;B示内质网;C示结晶细胞;D示线粒体。

摘要：应用植物透射电镜样品制备技术的改进方法对双子叶植物、单子叶植物营养器官进行电子显微镜超薄切片制备效果的实验研究,目的是找到一种比常规制备方法更简便、更经济、效果更好的制备技术。实验结果表明:通过对常规制备技术两个方面的改良,可以保存较多的微细结构而不被破坏,清晰度较高,并能保持其原有的形态;制备方法也简便、经济。

关键词：植物,电镜超薄切片,技术改进

参考文献

[1]Chamberlain D.F.&Rae S.J.A Revison of Rhododendron.Ⅳ Subgenus Tsutsusi.Edingburgh Journal ofBotany1990,47(2):144-146.

[2]李素文.细胞生物学实验[M].北京:高等教育出版社,2001.

[3]魏群.生物工程技术实验[M].北京:高等教育出版社,2002.

[4]蓝盛银,徐珍秀.植物花粉剥离观察扫描电镜图解[M].北京:科学出版社,1996.