在傳統(tǒng)納米材料制備的過程中，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、自動化程度低等問題，各大廠家正尋求新的途徑提升產(chǎn)品質(zhì)量以及自動化程度。
制藥行業(yè)一直是流動化學(xué)興起的主要推動力，有機(jī)合成一直是所有在流動化學(xué)設(shè)備上開展的研究工作重點(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)勢中受益。
專門研究納米顆粒合成的公司和大學(xué)對連續(xù)流微通道反應(yīng)器需求不斷增長。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。
其他化學(xué)方法來分批生產(chǎn)納米顆粒存在以下問題：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)性有問題。批處理過程通常取決于化學(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)勢以及研發(fā)人員在納米材料合成方面的長期試驗(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，無需摸索放大條件，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于納米藥物。
產(chǎn)品類型：脂質(zhì)納米粒子、脂質(zhì)體、多聚納米顆粒、微乳、無機(jī)/有機(jī)納米顆粒、納米級的懸浮液。
基于納米沉淀原理，開發(fā)了一種基于微反應(yīng)器的連續(xù)過程，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，專用紡錘形納米碳酸鈣的粒子非常細(xì)小，與水完全潤濕，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納米涂料配方調(diào)制中，可以降低基料粘合劑的用量，來降低成本，提高產(chǎn)品技術(shù)含量，開發(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)來制得。然而，這一工藝的合成過程中，分散、混合和傳質(zhì)問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，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。研究中也通過不同的微通道設(shè)計(jì)以及工藝過程的優(yōu)化很大程度上展現(xiàn)了在傳質(zhì)上的優(yōu)勢。
在碳酸鈣的沉淀過程中，過飽和比被定義為:
[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：
從動力學(xué)角度來分析，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)慢過程，混合過程決定了碳酸離子的濃度。所以，過飽和值主要由二氧化碳的傳質(zhì)效率來決定。所以，相與相之間的混合以及二氧化碳的傳質(zhì)對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程中的幾何級數(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)器可以以優(yōu)于傳統(tǒng)釜式100倍的傳質(zhì)效率來強(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在納米材料的合成工藝過程中容易形成堵塞。
毫米級尺寸反應(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)部潤濕通道的直徑非常小，通常在0.3-1 mm的范圍內(nèi)。這對微型反應(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)動粘度。對于低雷諾數(shù)（低于4,000），流動條件是層流的；對于高雷諾數(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。
通過使用專門設(shè)計(jì)的微型反應(yīng)器（稱為微型混合器芯片），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研究小組的流動具有更窄的顆粒分布。Fitzner及其同事在流動微反應(yīng)器中制備膠體金也表明了這種趨勢。
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)流動的過程靈活性
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)懸浮液來合成數(shù)克的納米顆粒。
通過添加自動進(jìn)樣器并通過軟件使系統(tǒng)自動化，系統(tǒng)的功能得以擴(kuò)展，非常適合過程優(yōu)化和研究反應(yīng)參數(shù)?？梢钥焖僭O(shè)置，自動運(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)置來研究反應(yīng)溫度對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，這通常被稱為“過熱”，從而提高了反應(yīng)動力學(xué)并創(chuàng)造了超快反應(yīng)條件。最重要的是，對系統(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)器和流動化學(xué)是多步工藝（通常稱為“伸縮合成--telescoping synthesis”）的理想選擇。通過簡單地將第一反應(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。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)過程進(jìn)行，因此節(jié)省了時(shí)間和人工。
流動化學(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，連續(xù)流可能會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，且對比傳統(tǒng)釜式工藝，微反應(yīng)器具有以下優(yōu)勢：
① 設(shè)備體積小，減少廠房投入；
② 設(shè)備為靜設(shè)備，能耗低（僅靠計(jì)量泵提供動力），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，無批次差異；
⑤ 連續(xù)化生產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)自動化控制，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)過程，得到氫氧化鋅漿料，再經(jīng)過洗滌分離、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
對比傳統(tǒng)釜式工藝，微反應(yīng)器制備納米材料具有以下優(yōu)勢：
① 生成的納米材料粒度分布均勻、產(chǎn)品品質(zhì)可控、無批次差異；
② 設(shè)備為靜設(shè)備、能耗低、操作維修簡單，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。