工业结晶论文汇总十篇

时间:2023-03-21 17:03:13

工业结晶论文

篇(1)

中图分类号:TQ241.52 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2013)01(b)-0000-00

第一章 实验部分

1.1药品与设备

1.1.1实验药品

由鞍钢化工总厂精萘车间生产的工业萘

1.1.2实验设备

1.2实验步骤及工艺流程

1.2 1实验步骤

将工业萘加热至85℃,全部熔融后装入结晶器内。将结晶器水套(超级恒温水浴)温度升高,控制在85℃。恒温30分钟后开始以一定的降温速度进行降温。当达到所需要的温度后继续进行恒温。若干小时后开始放出液体,装入接受瓶内。然后再继续升温升至85℃,将剩余物料放出,装入另一个接受瓶内,进行熔点测定。

1.2.2工艺流程图

1.3实验结果分析方法

1.3.1测定熔点的方法

本次实验采用的是对熔点进行测定,利用测得的熔点来分析精萘产品的纯度。

1.3.2测定熔点的步骤

1.将热台放置在显微镜底座上,并使放入盖玻璃片的端口位于右侧。

2.取两片盖玻片(干净、干燥的),在一片上放适量的待测物品(不大于0.1mg),并使药品均匀分布,盖上另一片载玻片,轻轻压实,然后放置在热台中心,盖上隔热玻璃。

3.调整好显微镜,直到目镜中能清晰看到热台中待测物体的象为止。

4.打开电源开关,仪表上显示出热台的即时温度值。将开关拨向自动控制。

5.观察被测物料的熔点过程,纪录初熔和全熔时的温度值,用镊子取下隔热玻璃和盖玻片,即完成测试。

1.3.3原料的熔点与纯度的关系

根据资料查得原料的熔点与纯度关系表如下表1.2。

1.4实验结果分析

1.4.1原料纯度的测定

原料纯度对结晶操作起着重要的作用,根据纯度可以确定熔融结晶的操作温度。萘的纯度测定采用熔点法,鞍钢工业萘的纯度见表1.3。

1.4.2.结晶时间对产品的影响

试验采用不同的结晶时间对工业萘进行第一步纯化处理,其实验结果见表1.4。

1.4.3.降温速度对产品的影响

试验控制原料工业萘初始温度在85℃,结晶温度为78℃,结晶时间为20h时,采用不同的降温速率,对工业萘的第一步纯化进行了考察,实验结果如表1.5所示。

对于降温过程中,降温速率增大,结晶率也增大,晶体的纯度就会降低。

1.4.4.恒温时间对产品的影响

试验在原料工业萘初始温度在85℃,结晶温度为78℃,结晶时间为20h时,降温速度为2℃/h时,采用不同的恒温时间,考察工业萘第一步结晶的效果,结果见表1.6。

通过上表可以得出,恒温时间越长,纯度越高。但是它收率就会降低。在生产中,一定要严格控制恒温时间,才能得出相对较高的收率和纯度。

1.4.5.结晶步骤对产品的影响

试验在原料的初始温度在85℃,第一步结晶温度为78℃,第二步结晶温度为78.5℃,结晶时间为20h时,降温速度为2℃/h时,恒温时间为16.5h,采用两步结晶工艺,第二步的结晶原料为第一步的结晶产品,考察工业萘的两步结晶的效果,结果见表1.7。

经过分析发现,第一步的纯度比第二步的纯度高,可以发现随着操作步骤的增多,产品的纯度就越高。由此表明在相对稳定的条件下,经过多次重复操作能得到较高纯度的萘,完全可以达到工业生产的目的。

结论

通过本次实验,得出以下结论:

1.用熔融结晶法从工业萘中提取精萘的方法可行。此操作方法工艺简单,操作方便,能耗低、不需要溶剂等优点。

2.实际操作时应采取多部结晶工艺,经过多次结晶,这样可以使产品的纯度提高。

篇(2)

[中图分类号] TN141.9 [文献标识码] A

1 引言

随着科学技术的日趋高速发展,近年来液晶显示屏(LCD)被广泛地应用于各类电子产品中,并逐渐取代了传统显示屏。由于液晶显示屏具有微功耗、无辐射、不闪烁、重量轻、体积小等独到优异的特性,因此液晶显示技术被广泛地用于工业、商业以及军事等各领域的电子产品中,如:电视机、计算机、手机、数字相机和军用仪器仪表上的液晶显示屏等[1]。

液晶显示屏是一个复杂的层合结构,主要由玻璃基板、液晶层、偏振片等部分组成。其中的液晶层主要是由液晶材料和层间隔垫物[2]等构成的,由于液晶层厚度一般在几微米,大约只有玻璃基板的1/100,又由于液晶屏本身的复杂结构使得液晶屏的研究成为一个难题,因此合理的简化液晶层就具有实际的意义。现有对液晶屏方面的研究主要有屏幕的加固以及温度作用下的分析等[3-4]。文献[4]中的液晶层未考虑其中隔垫物的作用,这不符合液晶层的结构特点。本文综合考虑层中液晶和隔垫物的作用,采用复合材料力学方法进行分析,旨在为液晶屏的研究提供帮助。

2 理论分析

液晶屏各部分的材料参数,如表1所示。根据图1a中列形隔垫物的分布形式,取图1b中的体积代表单元,图1中深色的为隔垫物,浅色的为液晶。根据复合材料力学中的分析方法[5],将其简化为一种均质材料,得到材料参数的理论值分别为:

E1=3.0MPa,E2(=E3)=24.0GPa,v31(=v21)=0.18,v13(=v12)≈0,v23(=v32)=0.23,G31(=G12)=1.15MPa,G23=9.96GPa,α1=175.2×10-6℃-1,α2=(=α3)=8.31×10-6℃-1。

3 液晶层有限元模型分析

建立液晶层的二维模型,检验热膨胀系数理论值的有效性。由于液晶和玻璃隔垫物是两种不同的材料,因此在两者交界的边缘处,应力的变化会比较剧烈,而中间部分的位移分布会比较均匀。为此,根据图1b所示的结构,建立边长为480 μm的二维分析模型,如图2所示,是由液晶和玻璃隔垫物所组成的非均质液晶层模型,设x方向为液晶层宽度方向,z方向为液晶层厚度方向。

选用四节点四边形的Plane42单元[6],如图3所示,令x=0,z=0边界法线方向的位移为0,令温度的改变量为Δt=20 ℃,读取模型中间处沿x、z方向的位移值,求得热膨胀系数的有限元值,与理论值的比较列于表2。

由表2可见,热膨胀系数的理论值和有限元值吻合良好,误差较小。

4 液晶屏有限元模型分析

建立二维的液晶屏模型,图4所示为简化的液晶屏模型结构及各部分的几何尺寸。如图5所示,模型尺寸为20 mm×1.008 mm,两层玻璃基板厚度均为0.5 mm,中间液晶层厚度为0.008 mm,各层长度均为20 mm;其中图5a的二维非均质模型的液晶层是由隔垫物和液晶构成的非均质层,图5b的二维均质模型的液晶层采用本文中简化的均质材料层。

在二维非均质模型液晶层下表面z=0边界处沿z方向施加位移约束,在模型左端x=0边界处沿x方向施加位移约束。取0 ℃为参考温度,令温度上升30 ℃,模型各部分的材料参数取表1中相应的数值。

均质模型与非均质液晶层模型的约束条件和温度变化情况相同,仅将液晶层的材料参数设定为根据复合材料力学方法求得的理论值。图6所示为网格划分情况。

为检验模拟结果,如图7所示,分别读取非均质模型和均质模型相同位置处沿x、z方向的位移,点的位置位于x=12 mm处,分别取液晶层上中下表面和玻璃基板上表面的点作为比较对象,两种模型各点位移的比较结果列于表3中,表中的误差为均质模型相对于非均质模型的。

由表3可见,均质模型和非均质模型相应位置各点处的位移吻合良好,误差均在0.1%以内。

5 总结

本文将由液晶和一种列形玻璃隔垫物构成的液晶层视为一种均质材料层,通过ANSYS有限元计算软件建立二维液晶层模型对此简化模型的热膨胀系数进行了检验,建立了液晶屏的二维均质和非均质模型并对两种模型中相同位置点的位移进行了比较,结果表明在温度变化时本文建立的简化模型是可行的。

参考文献:

[1]毛学军.液晶显示技术[M].北京:电子工业出版社,2008.

[2]张麦丽,王秀峰,张方辉等.液晶显示器用隔垫物的研究现状与最新进展[J].液晶与显示,2004,19(1):24-29.

[3]曹允,王勇,范彬等.加固液晶显示器关键技术[J].光电子技术,2011,31(2):73-77.

[4]华懿魁,冯奇斌,牛红林.加固液晶显示器高温环境下热应力探究[J].现代显示,2012,(7):38-44.

篇(3)

(灵宝市高级技工学校,河南灵宝472500)

【摘要】作为一名技工学校的教师,大多面对的是学习兴趣和能力有限的学生,在平时的教学工作中教师应该把更多的精力和时间放在课堂教学的研究上,上一堂课简单,但上一堂有特色的、经典的、让学生能够更好地完成教学任务的课并不简单。针对《电子技术基础》这门专业课中《晶闸管的识别与检测》这节课,教师可以从五个方面(课前准备、导入新课、主体探究、巩固拓展、课后反思)进行课堂设计。

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关键词 晶闸管;课堂教学;教学设计

关于课堂教学设计,美国教育心理学家加涅曾在(教学设计原理)(1988年)中界定为“教学设计是一个系统化规划教学系统的过程”。而《电子技术基础》是一门理论性较强的专业实践课,要求学生在掌握理论知识的基础上,完成动手操作。因此,在《晶闸管的识别与检测》的课堂教学设计中,重点要引导学生在已有知识和现实生活的环境中学习晶闸管的相关知识。

1课前准备方面

磨刀不误砍柴工,教师不应打无准备之仗。在课前准备中,教师应对教学对象(学生)进行充分分析,根据教学大纲和现实生活的实际需求设定合适的教学目标,明确教学中的重难点,寻找合适的教学方法引导学生的学习。

1.1学生基本情况

《电子技术基础》这门专业课面对的学生是维修电工专业第二学期的学生,他们虽然经过了一学期的电工基础、电工仪表和维修电工技能训练等相关课程的学习,对电路方面有一定的了解,但仍然存在理论基础比较差,实践操作能力不强的问题,在本节课的学习中应该重点培养学生认知方面及学习分析能力。

1.2教学内容基本情况

元器件的识别和检测是电子技术基础教学的重要内容,是学生进行电工电子技能训练和实际应用能力的重要组成部分。而《晶闸管的识别与检测》这节内容位于中国劳动社会保障出版社出版的电工类专业通用教材《电子技术基础》(第四版),第六章第一节,即教材的P122-126的内容。主要讲解的是在电子技术中弱电控制强电的重要元件—晶闸管的相关知识,晶闸管在“电力”、“电子”和“自动化控制”等设备中都有广泛的应用,对它的掌握和应用是整个电子电路教学的重要内容。经过这次课的学习,可以为以后学习电子电路中延时控制、自动控制与智能电路等打好基础。

1.3教学重、难点

通过本次课的学习,应该让学生重点掌握两个方面的内容:(1)晶闸管的符号及外形;(2)晶闸管的工作特性。其中晶闸管的内部结构和其工作特性较难理解,教师应作为难点内容,用多种教法相结合引导学生理解学习。

1.4教法学法设计

学生是课堂的主体,教师是课堂的引导者。本次课内容理论性强,教学过程中教师要将多种教法相融合,引导学生学习。比如用实物教学法,让学生直观的认识何为晶闸管;用多媒体教学法,将实验过程进行模拟;用提问、归纳、总结法让学生针对实验结果进行分析,得出晶闸管工作特性的结论。

2新课导入方面

温故而知新,新知识的学习也需要旧知识的复习。首先,考勤复习。

检查学生的学习情况的同时,也为本次课做准备。可以通过课前一支歌,挺高学生的精神面貌;通过课前点名,确保学生的出勤率;通过提问的方式让学生复习前一课主要知识点(二极管和三极管的工作特性),为本节课打好基础。其次,导入新课。一方面可以根据之前复习的二极管、三极管的内部结构,提出问题:如果在一块半导体材料上制作一个四层三个PN结的半导体器会有什么作用;另一方面,通过彩灯视频、家庭中的调光开关、楼道路灯由亮变暗的亮度调节等的导入让学生将抽象的理论知识与现实生活联系起来,提高学生的学习兴趣,增强学生的学习效果。

3主题探究方面

利用课件,刺激学生的视觉、听觉等,激发学生的学习兴趣,完成三个方面的学习。

3.1晶闸管的发展史

主要采用多媒体教学法,简述晶闸管的主要应用范围,让学生产生好奇,利用学生的好奇心完成教学任务。

晶闸管又称可控硅,是一种大功率半可控元件。1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管,1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品,1958年商业化。它主要用于整流、逆变、调压、开关四个方面,应用最多的是晶闸管整流。

3.2晶闸管的结构与符号

主要采用实物教学法和实验教学法,通过图片展示不同晶闸管的外形,并引导学生用二极管、三极管的电极判断法用万用表的欧姆档判断不同形状的晶闸管的三个电极。

晶闸管具有J1、J2、J3三个PN结,是PNPN四层半导体结构。在阳极和阴极间有三个PN结,无论如何加电压,总有一个PN结处于反向阻断状态,正反向电阻均很大。门极和阴极间反并联了一个二极管,可以对其间的反向电压进行限幅,防止PN结反向击穿。

3.3晶闸管的工作特性

主要采用多媒体教学法,在电脑上根据电路原理图模拟实验过程,让学生直观看到实验现象,再根据实验现象分析晶闸管的工作特性。

实验一晶闸管的导通条件:实验条件(阳极加反向电压,门极分别加正向电压和反向电压),实验结论(晶闸管阳极在反向电压作用下,不论门极为何种电压,它都处于关断状态);实验二晶闸管的导通条件:实验条件(阳极加正向电压,门极分别加正向电压和反向电压),实验结论(晶闸管正向导通条件:阳极加正向电压,同时门极也加正向触发电压);实验三晶闸管导通后的实验(原来灯亮):实验条件(阳极加正向电压,门极分别加正向电压和反向电压),实验结论(晶闸管一旦导通,门极即失去控制作用);实验四晶闸管导通后的关断实验(原来灯亮):实验条件(门极加正向电压,改变阳极电压),实验结论(要使已导通的晶闸管关断的方法:将阳极电流减小到小于其维持电流)。

4巩固拓展方面

首先,总结课堂中的主要教学内容,让学生对于课堂内容进行再次回顾。晶闸管的工作特性:(1)晶闸管具有反向阻断能力,与二极管相似。(2)晶闸管还具有正向阻断能力,即晶闸管正向导通必须具备一定条件:阳极加正向电压,同时控制极还要加正向触发电压。(3)晶闸管一旦导通,控制极即失去控制作用,使晶闸管关断的方法是将阳极电流减小到小于其维持电流。由此可知,晶闸管是一个半可控的单向开关元件。其次,利用课堂作业检查学生对于教学目标的完成情况。作业一:晶闸管导通及关断的条件有那些?最后,进行知识拓展,布置课后作业,下次上课时进行检查。作业二:学生查资料找出晶闸管在节能照明和舞台灯光方面的应用。

5课后反思方面

晶闸管作为一种半导体器件,学生觉得最难理解的应该是它的内部结构,在讲解时,应该引导学生将晶闸管的工作特性作为学习的重点,并且通过模拟实验,用flash动画的形式,展现晶闸管的特性,让学生明白晶闸管的应用。在平时的教学中,要尽量采用多种形式、多样教法让学生觉得理论知识的学习,也并不是那么的枯燥,并注意与现实生活的联系。

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篇(4)

中图分类号:G642.0?摇 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2013)33-0076-02

人工晶体是高等工科院校材料学专业开设的一门专业课,主要讲授各类人工晶体合成工艺、晶体的形成和生长机理等内容。人工晶体是近代晶体学的重要分支学科,也是材料科学的一个重要组成部分和无机功能材料的发展前沿。通过本课程的学习,学生将熟悉和掌握人工晶体生长方面的基础知识,了解常见的人工晶体合成技术工艺、应用领域、发展前景,拓宽专业知识面,完善专业知识结构,有助于将来的升学和就业。笔者在授课过程中发现,人工晶体课程和其他专业课一样,概念内容多,记忆内容多,各章内容无多少联系,学生学起来感到很枯燥且内容庞杂。人工晶体课不如基础学科逻辑性强,章节联系密切,公式定理等一环扣一环,有所遵循。如果这门专业课教学也像基础课那样去讲授,势必会让学生感到枯燥和困惑。如何提高人工晶体课程的教学质量,提高学生学习的积极性已成为任课教师亟待解决的问题。因此,笔者针对人工晶体课程特点和教学实际,对本课程的教学方法进行了初步的实践和探讨。

一、增加课程内容的趣味性

在授课之前要针对专业特点和本门课程的总体结构,结合教学大纲和教材,对教学内容进行精心选择。在备课过程中,要把教学内容中的基本概念、理论与著名人物、历史事件和发生的背景结合起来,融会贯通,加以故事性和艺术性的陈述,使枯燥的基本概念和理论融入一个个故事之中,从而增强课程内容的趣味性和艺术性,引起学生学习的探索兴趣。比如人工晶体发展过程的介绍,就可以从讲故事开始。从中国古代“煮海为盐”中最早的人工晶体的利用,到封建社会盛行的“炼丹术”;从国外的人工红宝石、水晶的合成,到现代高科技材料激光晶体的诞生。通过一个个精彩的小故事描绘出人工晶体从古到今、国内外的发展过程。学生在品味故事的同时,掌握了教学知识点,并且印象深刻。再比如,讲述准晶体内容时,可结合准晶体的发现者舍特曼的生平介绍、学术界对准晶结构的质疑、舍特曼对科学的热爱与坚持及2011年所获得的诺贝尔化学奖等相关介绍。在这些故事性的讲述中,准晶体的概念、结构性质、与晶体的差别,伴随着科学巨人严谨执执著的科学态度自然而然地被学生接受,同时也激励了学生树立远大理想攀登科学高峰的斗志。

二、及时更新教学内容

人工晶体课程涉及到无机非金属材料专业的发展前沿,而科学技术和新材料的发展日新月异。与基础课不同,本门专业课的讲授不能仅传授已有的书本知识,必须跟踪本专业领域内的发展动态,广泛收集本专业的最新科技成果,将它们充实到课堂教学中。只有这样才能开阔学生的视野,对学生的创造性思维培养大有裨益。人工晶体课程内容更新主要体现在两方面:一方面要删除课程中已显陈旧和冗杂的内容。因此,课程内容的删减必须根据学科基本结构的要求,在不失其教学意义的前提下加以压缩删减,同时维护课程的系统性和完整性;另一方面,对新内容的选取也要认真加以研究。当前科学知识爆炸性地增长,新技术新产品更新速度非常快,这就要求我们从教学需要、学生知识结构的整体优化等角度出发,合理选取有助于形成和发展的认知结构。教学实践中,内容的更新依赖于国内外新型人工晶体材料的研究成果,众多的科研成果是课堂教学无法完全容纳的。因此,要根据新材料所属的类别(如按应用领域、制备方法划分等),筛选出具有代表性的新型人工晶体材料,将它们引入到传统的课程体系中进行重点讲解,分析其发展趋势,这将有助于学生更清楚地把握人工晶体的发展方向,更新知识储备。

三、多媒体技术的应用

人工晶体课程内容涉及到一些经典的晶体生长理论,这部分的讲授,理论内容较多,枯燥难懂,对于高年级学生来说,经历了初入高校时新奇感、成就感和热情的学习阶段,对于理论学习普遍热情不高。因此,针对这种情况,人工晶体的教学应首先激发学生的学习兴趣,启迪他们的科学思维。采用多媒体授课能提高教学效率,将节省的板书时间,充分用在与学生交流和对重点知识的讲解上。在讲授课程时,利用计算机多媒体技术,运用声音、图像及大量色彩鲜明、生动活泼的音响动画,来调动学生的多种感觉,使教学内容生动有趣地展现在学生面前。比如在讲授层生长理论和螺旋位错生长理论时,就可以利用动画模拟手段,动态地描绘质点在晶体表面逐层堆积的形式,有效地加深学生对晶体生长理论的理解和记忆。再如,新型人工晶体材料的讲授更是离不开多媒体技术的支持。大量的生动鲜活的图片、视频资料能让学生更直观地了解科技日新月异的发展过程,极大地增强学生的学习热情和兴趣。

四、课堂教学和实验课的紧密结合

实验课是巩固理论知识、增强实际操作技能的有效手段,特别是对于即将毕业的高年级本科生来说,实践能力亟待提高,对实验教学的环节更应加倍重视。人工晶体教学大纲中规定了一定课时的实践环节,要求学生自己动手培养硫酸铜单晶体,以训练他们的动手能力,帮助理解课堂讲授的理论内容。在完成规定的实验任务后,实验室为学生提供了更多的实践机会,鼓励学生亲自动手设计实验。在人工晶体实验教学过程中,让学生按照个人兴趣组成小组,以组为单位根据所学的知识自我设定题目,结合实验室条件设计一套晶体生长的实验方案,并在课堂上对实验方案进行讨论,最终付诸实践。在方案实行过程中,自己发现问题,解决问题。这不仅能提高学生自主学习能力,在与组员的沟通中,也是一种人际交往能力的提升,有助于团队精神的培养。

篇(5)

1 前言

在磨具的制备材料中,磨料是最主要的功能组分,磨料的种类、粒度和硬度决定了磨具加工零件的材质、光洁度以及加工效率。最常见的磨料有刚玉磨料、碳化硅磨料等普通磨料,以及金刚石、CBN等超硬磨料。传统的刚玉磨料通常是由电熔法制备,近些年,随着技术的进步和材料科学的发展,加之对节能减排的重视,市场上出现了一种新型烧结刚玉磨料。

这种新型烧结刚玉磨料出现于20世纪80年代,由西方发达国家主导发展,分别以不同的牌号来命名,比如,圣戈班公司的SG磨料、3M公司的Cubitron磨料、德国Hermes公司的CB磨料、日本Noritake公司的CX磨料、以及郑州玉发公司的CA磨料等等,业内被称为微晶刚玉磨料、超微晶刚玉磨料、TG磨料的产品等也都属于新型的烧结刚玉磨料。这种磨料多采用溶胶-凝胶工艺合成前驱体,然后进行凝胶化、干燥、预破碎、制粒、筛选、烧结,进而制成的一种具有较高韧性和硬度的磨料。该生产工艺中常常加入一些助剂来促进晶粒的形成、抑制晶粒的长大,同时降低这种新型磨料的烧结温度。

2 新型烧结刚玉磨料的优越性能

新型烧结刚玉磨料与普通电熔刚玉磨料相比,除了生产制造时节能显著之外,还具有一些优越性能:

(1) 切削能力:由于这种新型烧结刚玉磨料每颗磨粒由成千上万个微米级或亚微米级的细小晶体组成,磨粒晶体尺寸仅为普通刚玉磨料的1/15~1/200,这些微晶磨粒使新型烧结刚玉磨料具有更锋利的切削刃和较高的磨削效率,可进行大切深、大进给、重负荷等高效磨削。有数据显示,单行程进给量可以达到0.25 mm,金属去除率比普通刚玉砂轮高50%以上;

(2) 韧性:由于这种新型磨料的微晶结构特点,磨粒的韧性好,在磨削过程中受到冲击时常发生晶粒的沿晶断裂,并使破裂后留在基体上的磨粒仍然具有良好的磨削能力。与传统电熔刚玉磨料常发生穿晶断裂或整个磨粒脱落的情形相比,新型磨料具有出色的韧性特征,新磨料制备的砂轮使用时磨损小、形状保持性好,在保证加工精度的情况下减少了砂轮的修整次数,使砂轮的寿命比传统磨料制品提升了2~3倍。在工件的精密磨削和成型磨削时易于实现较高的尺寸精度和形状一致性。

随着各机械加工企业调结构、降成本、提效率的发展需求,磨具制造企业为了适应新的发展形势也要进行产品的更新换代,加快新型烧结刚玉磨料磨具产品的生产制备研究。比如,昆山NSK公司,其企业效率提升的新需求是拟将之前沿用的6遍粗磨加2遍精磨的生产工序改为1遍粗磨1遍半精磨和1遍精磨的新工序,以提高效率、简化操作步骤。这就对当前所供磨具产品的改型换代以及拟用的磨料提出了新要求,而且这中间的产品试制和试用磨合时间很短,改用新型SG磨具是一个可行的方向。虽然成本有所增加,但是考虑到工作效率以及综合性价比,这个决策是合理的。

新型烧结刚玉磨料制成的砂轮一般依照其取代传统刚玉磨料的比例分为1SG、2SG、5SG、SG砂轮,其中1SG指砂轮制成时新型烧结刚玉磨料取代传统刚玉磨料的比例为10%,2SG为20%等,而SG砂轮则指使用磨料全部为新型烧结刚玉磨料。

新型烧结刚玉磨料产品的主要成分为氧化铝,而中国河南区域氧化铝资源丰富,但是新产品售价很高,国际品牌产品售价高达20万元/吨,而且不对中国的磨具生产企业销售,往往需要曲线转由中间路径获得。国内相似性能产品的生产企业少、产品合格率低,售价高达6~12万元/吨。所以对新型烧结刚玉磨料制备技术进行进一步的研究很有必要。

3 新型烧结刚玉磨料国内研究现状及展望

作为地处氧化铝资源丰富的河南省地域的科技人员,如果将新型烧结刚玉磨料的生产技术本土化,对于推动地方的经济发展和科技创新意义深远。在进行市场和文献调研的过程中获悉,国内的一些高校和研究机构早在上世纪90年代后期就开始了对新型烧结刚玉磨料的研究,比如,岳隆明于1998年发表了论文《新型陶瓷刚玉磨料CJY9106的研制》;叶伟昌于1998发表过简讯《新一代陶瓷刚玉SG磨料》,声称“新一代以溶胶―凝胶工艺合成、以烧结法制成的陶瓷刚玉SG磨料已由七砂集团公司开发成功”;李志宏在服务于郑州工业高等专科学校时于2000年发表了论文《陶瓷刚玉磨料制造及应用进展》、《陶瓷刚玉磨具制造及其磨削应用》,服务于天津大学后的2006年发表了《烧结添加剂和晶种对新型陶瓷刚玉磨料烧结的影响》,2007年发表了《陶瓷刚玉磨料行星磨干法造粒研究》、《烧结温度对陶瓷刚玉磨料性能的影响》、《MgO和SiO2烧结添加剂对陶瓷刚玉磨料性能的影响》;中国铝业股份有限公司郑州研究院的陈玮于2002年发表了论文《微晶氧化铝磨料的特性及制造》,河南工业大学的徐三魁于2006年发表了论文《超微晶氧化铝磨料的研究》,于2007年发表了《超微晶刚玉磨料的生产技术及应用》[1~10]。

业界经过近二十年的科研探索和研究,有一些论文和专利资料问世,但是我国自主知识产权的新型烧结刚玉磨料制备技术仍不是十分成熟,产品生产状况令人担忧。据悉,目前市场上在售的有山东鲁信高新公司生产的产品和上海度朔公司生产的产品和郑州玉发的CA磨料产品。这些产品售价不菲,但其产品性能和质量与进口产品相比仍有较大的差距。

我司与白鸽磨料磨具有限公司共同组成的研究团队,汲取他人的成功经验和智慧,拟以更加简洁的工艺技术路线,融入等静压与微波烧结技术,制备性能可靠、技术和原料本土化的新型烧结陶瓷刚玉磨料产品。

参考文献

[1]岳隆明.新型陶瓷刚玉磨料CJY9106的研制[J].成都大学学报(自然科学版),1998(4):5~12.

[2]李志宏,詹欲生.陶瓷刚玉磨料制造及应用进展[J].金刚石与磨料磨具工程, 2000(3):37~38.

[3]李志宏,赵松泉.陶瓷刚玉磨具制造及其磨削应用[J].金刚石与磨料磨具工程, 2000(4):29~33.

[4]陈玮,尹周澜,周海龙,等.微晶氧化铝磨料的特性及制造[J].轻金属, 2002(12):9~11.

[5]张云浩,李志宏,朱玉梅.烧结添加剂和晶种对新型陶瓷刚玉磨料烧结的影响[J].金刚石与磨料磨具工程, 2006(5):74~76.

[6]李剑,李志宏,崔希文,等.陶瓷刚玉磨料行星磨干法造粒研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2007(4):55~58.

[7]张云浩,李志宏,朱玉梅.MgO和SiO2烧结添加剂对陶瓷刚玉磨料性能的影响[J].稀有金属材料与工程, 2007, 36(s1):235~237.

篇(6)

中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2014)26-0026-03

一、《晶硅电池片生产技术》课程实施项目化教学的必要性

近年来光伏产业在我国得到蓬勃发展,特别是晶硅电池片加工,其产量已连续四年稳居世界第一。虽然光伏产业在我国得到快速发展,但是光伏专业人才培养却相对滞后。常州工程职业技术学院于2011年开设“光伏材料加工与应用技术”专业,其中《晶硅电池片生产技术》课程是高职光伏专业的一门操作性很强的专业基础课,课程主要研究内容为将硅片经过复杂的物理和化学处理过程加工成具有光伏效应的电池片。通过该课程的学习,学生的综合职业技能培养和职业素质培养起着主要支撑功能。由于传统教学方法在高职人才培养过程中存在许多不足[1],这就需要探索适合光伏人才培养方式的教学方法。

项目化教学(Project-oriented Teaching)作为一种创新性实践教学模式,源自于美国,在德国得到广泛推广,其是把整个教学过程分解为一个个具体的工作情境,从而设计出一个个项目教学案例,教学在实际项目的带动进行展开。项目化教学注重培养学生的职业综合能力,让学生直接参与到项目过程中。在教师的引导基础下,学生完成所有教学项目,在项目化教学过程中学生需要掌握授课计划涵盖的所有教学知识点。同时保证了“教、学、做、评”等相结合,理论与实践一体化,从而实现最终教学效果[1]。

我院开设的《晶硅电池生产技术》课程以高职教育理念,即“理论以够用为度,强化操作技能训练”为基础,遵循“实际、实用、实践”的基本教学规则,采用了基于工作情境的项目化教学法,该教学法注重全面培养学生的职业素养,可使学生主动参与到教学过程中,实现“教、学、做”相结合,实践与理论相统一,实现由重视理论知识教学向重点强调操作技能教学的转变[2]。

二、《晶硅电池片生产技术》项目化方案设计

通过教师走访光伏企业、行业专家,了解企业的生产工作流程,及应具备的专业能力和素质。在此基础上,召集相关教师、行业专家与光伏企业技术人员,结合《晶硅电池片生产技术》课程内容,在遵循由简单到复杂的原则基础上,确定教学项目。根据课程特点,我们设计的项目分为两大类,即课内项目(见表1)和课外项目。每一个学习项目其实就是晶硅太阳能电池片生产一个工序,在项目的设计过程中,按照电池片加工过程先后顺序,学习情境中的任务是根据车间工作岗位进行划分。课内项目是实际生产中的典型工艺流程,在项目化实施过程中学生的学习与实践更具有针对性和实操性,在项目完成过程中可掌握更贴近于生产一线的实际操作技能。在课内项目基础上,补充一些课外项目,课外项目能够保证学生相关知识体系的完整而课内项目又无法涵盖的部分。

三、《晶硅电池片生产技术》课程的项目化方案分析

项目化方案执行过程就是教学任务实施过程,其不仅培养学生学习能力过程,也是让学生获取专业知识与技能的过程,其是项目教学核心环节[3]。在项目化开始实施时,首先要确定项目小组及成员。为了让学生更加深刻感受晶硅太阳能电池企业生产过程,尽快与实际工作岗位衔接,在项目化教学过程中引入企业的管理运营模式,建立一套完整的行政管理体系,在岗位设计过程中设置车间经理、领班、组长等职位;其次是教学项目分配。小组项目确立后,由各组长负责组织项目论证,开展小组讨论,拟定项目实施规划等。课堂项目要求以每位同学准备为主,小组内合作为辅。

下面以“学习情境2”中的“单晶硅片制绒液配制”项目为例进行阐述。在实施项目化教学过程中,学生负责信息的收集、方案的确定、项目的实施及最终的评价等,学生在项目化教学教学过程中其作绝对主体作用,而教师在项目化执行过程中起到引导者、指导者和监督者身份。项目化教学实施过程如下:①明确任务,教师将“单晶硅片制绒液配制”分配给各学习小组,并分析该项目的终极教学任务是使学生能从事单晶硅片制绒工序工艺岗位。具体教学任务是使学生掌握单晶硅片制绒四个方面的知识与技能:制绒目的、制绒原理、制绒液组成及各化学品作用、制绒影响因素;②任务分析,各个项目小组依据自己的项目内容进行自学习,主要通过教材、参考文献、标准、专业网站等,获取关于项目任务的相关知识内容,查阅一些相关联的专业资料,最终完成项目报告;③制定计划,在任务分析基础上,每位小组成员都要制定项目计划,列出项目执行的内容、顺序、各阶段划分和所需实验耗材等。各项目组从多种方案中优化出最佳的“单晶硅片制绒液配制”方案,最后以小组的形式作出决策;④实施计划,项目小组开始配制单晶硅片制绒液,并记录所有项目实施过程;⑤总结分析,项目小组在单晶硅片制绒液配制完成后总结项目实施过程中存在的问题及原因,并优化项目计划;⑥成果评定,为了检验教学效果和促进教学目标的落实,同时为发现在项目化教学中出现的一些不足,教学效果评价是项目化教学中非常重要的一环。项目化教学评价由两部分组成,即项目化结果性评价和过程性实施评价。过程评价主要包括学习态度、仪器操作规范、成果质量、组内同学合作情况和6S完成情况。过程性评价采用自评、互评、教师点评等方法[4]。在各个项目完成时对学生理论知识与实践技能测试是结果性评价主要内容,其主要采用试卷测试方式进行。其组成部分见表2所示。通过以上实施过程,可以做到“教”“学”“做”“评”四个环节环环相扣,交互进行,形成一个有机整体。

四、实施效果

通过项目化教学过程实施,有助于培养学生的学习兴趣、分析问题与解决问题能力综合能力、严谨的职业态度和团队合作意识,增强学生的知识应用能力,学生的综合素质得到显著提高,“工学结合,能力为本”的现代职业教育的教育理念得到充分贯彻,课堂教学的成效得到大幅度提升。

参考文献:

[1]姜大源.职业教育学研究新论[M].北京:教育科学出版社,2007.

[2]张荣,罗冲.高职《市场营销》课程项目化教学的实践[J].职教论坛,2012,(2):28-30.

[3]朱红雨.高职项目化教学中教学情境创设的实践[J].职教论坛,2011,(11):29-31.

篇(7)

陈学安出生于1965年11月,是我国材料科学事业发展的中坚力量。早在上世纪80年代末期,他考入中科院化学研究所求学深造,1991年获得博士学位后留在化学所工作四年,从理论到实践方面都积累了丰富的经验。

从1995年起,陈学安赴国外工作,先后在美国、德国、日本等国家做了将近8年的科研工作,期间曾获得美国Rutgers大学化学系博士后,并获得德国的洪堡基金会奖学金,旅日期间还曾任广岛大学助理教授职位。

国外优越的研究和生活条件没能留住陈学安,在异国他乡求学和工作的经历对他而言是一种磨练、一笔宝贵的人生财富,而他事业的根基在祖国。2003年7月,他毅然回国工作,受聘于北京工业大学材料科学与工程学院,投身在祖国的新材料科学研究事业当中。

陈学安的主要研究方向是新晶体材料的探索及其晶体结构研究,多年来,因为对科学真理的执著探索精神,他在新晶体材料的探索合成、晶体结构、光谱性质以及电子结构计算方面取得了一系列令人瞩目的研究成果。迄今为止,他已在国内外的权威学术刊物上发表学术论文达70余篇,其中被SCI收录的就有大约60篇,因为在科研工作上做出的突出成绩,2006年入选北京市的人才工程“中青年骨干教师培养计划”。

探索创新科研之路

因为材料科学在工业发展、国民经济生产中所具有的特殊地位,对新型晶体材料的探索和研究已在近几十年内成为受到广泛关注的热门学科项目之一,同时因为激光技术的飞速发展,具有非线性光学效应等功能的晶体材料被广泛应用于激光技术、光学通讯、光学信号存储和光数据处理等方面,所以在科学研究中对晶体材料的要求也拓展了新的方面。除了对现有的晶体材料设法继续提高质量或掺质改变性能外,关于晶体组成的研究、晶体结构与性能间的相互关系、探索寻找新型晶体等均是国家重点课题研究项目。

陈学安目前的在研项目――新型硼酸盐氧化物的探索合成和晶体结构研究,是国家自然科学基金项目。因为形成压电、热释电、铁电和非线性光学(NLO)等功能材料的先决条件是化合物具有非对称中心结构,而在众多研究体系中,硼酸盐由于在晶体化学方面广泛的可变性令其有可能产生数目众多、结构各不相同的硼酸盐类型,所以在研究试验中最受青睐。陈学安的项目即是系统地探索合成结构中包含易形成畸变配位多面体的高价态过渡金属离子(或者含有Bi3+,Pb2+等载有孤对电子的离子)的复合硼酸盐,力争得到多个具有非对称中心的化合物,进而探索合成出新型的硼酸盐功能材料。

科学是严谨的,科研工作注定了不可能一蹴而就。经过几年时间的研究探索和上百次反复试验,陈学安的课题组利用高温溶液缓慢降温和固相反应相结合的方法,成功制备并得到了一系列新型硼酸盐化合物,共计有二十多种,并且进行了结构和性能关系的研究。因此课题组的研究不仅丰富和发展了既有的硼酸盐结构化学,而且对新型硼酸盐功能材料的探索合成具有积极的指导意义,也正因为此,陈教授带领的课题组在硼酸盐的合成和结构研究领域内开始获得国际上的认可,拥有了一定的国际知名度。

Bi2ZnB2O7和CaBiCaB2O7由加拿大学者Barbier等人首先发现,陈学安教授带领研究课题组生长出硼酸盐单晶,进行了精确的结构测定和系统理论计算,发现硼酸盐化合物Bi2ZnB2O7具有较强的粉末倍频效应(其强度大约为KDP(KH2PO4)的4倍),在比较宽的频率范围内能够实现相位匹配,UV漫反射光谱表明其吸收边约为360nm;而另一种化合物CaBiGaB2O7的粉末倍频效应相当于KDP的2倍,其吸收边大约为427nm,也能实现相位匹配。Bi2ZnB2O7和CaBiGaB2O7是潜在的新型非线性光学晶体材料,如果能生长成大块晶体,并将其制作成有用的器件应用于激光系统中,能够促进光电技术等高技术产业的发展,产生社会、经济效益。

到目前为止,陈学安和他的团队对硼酸盐体系进行了系统的研究,不仅制得了多类型的硼酸盐化合物,而且已在国际学术刊物上发表了近三十篇论文,在固体化学领域拥有了一定的国际影响力。同时,从2007年起,课题的项目负责人陆续为“Inorganic Chemistry”和“Journal of Solid State Chemistry”等国际著名学术刊物评审论文二十余次,赢得了国际上同行业科学家的认可。

对综合利用矿产资源的技术研究

矿产资源是不可再生资源,但是运用循环经济模式强化废弃物的综合回收利用、对矿产资源进行最大限度的开发、提高利用效率,有利于减少浪费、获得较高的经济效益。总理在视察甘肃省兰州金川科技园时提出来要对矿产资源“吃干榨尽”,金川集团有限公司为了积极响应号召、实现尾矿中资源的综合利用,提高经济效益,将“尾矿酸浸液中铁和镁分离技术研究”作为2010年的重大科研课题,由陈学安负责该项目的研究工作。

在此科研项目中,如何经济除铁以及铁的合理资源化成为能否成功回收金属的关键课题,并且同时还需要对如何从残液中提取、分离硫酸镁,如何利用综合工艺技术开发高附加值产品等问题做系统研究。

篇(8)

近年来,人类的生活水平的提高,高品质、高附加值产品日益增加,高档饮料、果汁、生物制药等也逐渐成为人们日常消费的主体。推动了食品的加工技术与方法的发展,食品原料中含有的营养成分与风味物质等要得到最大限度的保护就离不开冷冻浓缩技术。

一、冷冻浓缩技术国内外发展现状

(一)国外发展概况

自上世纪50年代末学者们开始关注冷冻浓缩这一工艺以来,人类对冷冻浓缩技术的研究已有较长的历史。荷兰Eindhoven大学Thijssen等在70年代成功地利用奥斯特瓦尔德成熟效应设置了再结晶过程造大冰晶,并建立了冰晶生长与种晶大小及添加量的数学模型,从此冷冻浓缩技术被应用于工业化生产。依此制造的Grenco冷冻浓缩设备在食品工业中用于果汁、葡萄酒、咖啡提取物、牛奶等的浓缩,得到了高质量的产品。

之后,Shirai等为降低成本在采用悬浮结晶冷冻法时将小冰晶凝聚成为大冰晶来减小单位体积冰晶的表面积。研究者以10%(质量分数)的葡萄糖溶液做试料,在0.212K的过冷却度下,添加占溶液总量6%(质量分数)的种晶,经7h凝聚成直径为0.77mm~2.85mm的大冰晶。他们还将此方法用于海水淡化及烧酒废液处理等方面。Marino Rodriguez等[3]对比研究了反渗透法和冷冻浓缩法在从废水中去除戊酸中的应用,两种操作方法的经济运算结果表明冷冻浓缩法的能耗虽是反渗透的五倍,但却正好折中了反渗透中所用膜的代价。

F.A. Ramos将冷冻浓缩技术应用于一种生长于安第斯山脉的浆果,发现此技术并未改变其果肉的色泽及PH值,并明显降低了挥发性物质的损失量,且很好地保留了浆果独特的香味。

Osato Miyawaki将管式结冰渐进式冷冻浓缩系统应用于咖啡萃取物可其溶液浓缩至30%,含果肉的番茄汁可浓缩至12.5%,而将夹带有5%果肉的冰相溶解再次经过管状结冰器浓缩后所得冰相的浓度低至0.25%,如果事先将果肉去除,则番茄汁可浓缩至40%,蔗糖水溶液可由41.8%浓缩至54.8%,且浓缩效果非常好。

(二)国内研究及应用现状

由于冷冻浓缩的基本原理很简单,我国传统的老陈醋生产工艺中就曾应用过冷冻浓缩技术。近年来,该技术在国内已被广泛应用于各行业中,并在相关理论和设备开发上取得了许多新进展。

1. 酿酒业。冷冻浓缩的优势尤其可用于酿酒产业。冷冻浓缩技术最先在啤酒工业中应用,可在除去冰晶的同时除去形成混浊的多酚、丹宁酸等物质,从而减少啤酒的贮存容积,特别是对冷冻浓缩后的啤酒采用混合水技术可以完全恢复到原来的啤酒。后来,有人通过对葡萄酒进行冷冻分离试验,发现酒精和还原糖比较易于利用冷冻法在液相中进行浓缩分离,通过冷冻浓缩技术改善了干白葡萄酒的品质。

2.果汁工业。我国是生产甘蔗的大国,将糖蔗改种果蔗并加工成甘蔗汁既解决了甘蔗的销路,又满足了人们对果汁日益增长的需要。甘蔗汁的热敏性很强,对其进行普通的蒸发浓缩极容易使甘蔗汁焦糖化,丧失其特有的风味。应用冷冻浓缩工艺对甘蔗汁的处理,对浓缩前后的甘蔗汁进行了感官上的比较,发现浓缩后的甘蔗汁品质稳定,除了在颜色、气味、甜味方面感觉更加浓重外,其它基本保持了冷冻浓缩前甘蔗汁的原有风味。

3. 制药业。冷冻浓缩已发展应用到制药工业,因此它为开发新产品和改良品种大开方便之门,并且通过其高效的加工节省能源。用冷冻浓缩工艺对中药水提取液进行中试规模的浓缩试验制取口服液,试验表明用冷冻浓缩工艺代替真空蒸发浓缩可免去某些口服液制造过程中的醇沉工序,从而改善口服液的口感。

由于木聚糖酶解所得到的低聚木糖溶液常常需要脱水浓缩,如采用真空蒸发浓缩,可能导致低聚木糖在加热管表面结焦变性,降低产品的质量。江华等研究了低聚木糖溶液冷冻浓缩时的冰晶生长动力学以及悬浮结晶法冷冻浓缩低聚木糖溶液过程中各因素对低聚木糖在固液两相中分配的影响,为低聚木糖冷冻浓缩过程的开发利用提供了理论依据。 转贴于

二、冷冻技术发展方向

食品冷冻浓缩技术与传统浓缩方法相比,其浓缩产品的质量是最好的,但仍存在某些问题。当物料粘度高时难以生成大冰晶,且由于迅速冷却而形成的微小冰晶不能彻底从母液中分离出来,难以回收附在冰晶上的可溶性固形物和一些有效成分,从而限制了它的推广与使用。

近年来有关冷冻浓缩的理论和技术又取得一些新进展。其中,将冰核细菌(Ice Nucleation-Active Bacteria,简称INA细菌)用于食品冷冻浓缩中,是生物技术在食品中的一项独特应用。国外已有相关文献报道,表明INA细菌可显著提高食品的过冷点,缩短冷冻时间,节省大量能源;还可促进较大冰晶的生长,使结晶操作成本降低,同时又使分离操作所需费用及因冰晶夹带所引起的溶质损失减少。

Kumeno等用X.campestris INXC-1对蛋清冷冻浓缩后加热形成硬胶,其物理性质如起泡性、稳定性、硬度、粘弹性等均优于常规生产的产品。Minjung等用P.syringae冷冻浓缩苹果汁,加入细菌的样品在-2.2℃就出现冰核并开始结冰,而不加细菌的样品则无结冰现象。

Watanabe等用海藻酸钙包埋E.ananas制成活性胶囊,加入蛋清中做冷冻试验,发现加了细菌的约在-3℃就有冰晶析出,而没加的则在-18℃才有冰晶出现,熔化冰晶阶段无显著差异;又用E.ananas冷冻浓缩柠檬汁,浓缩汁的可溶性固形物回收率高,风味营养成分保持好,GC分析和感官评定均表明与原汁无异。

三、冷冻技术的发展前景

冷冻浓缩技术现已证明优质可靠,极具市场活力。随着社会的进步,经济的发展,人们生活水平的提高,冷冻浓缩这一低能耗、可生产高质量产品的加工技术具有很大的发展潜力。此方法除了用于浓缩,也可考虑用于有机废水的处理,活性物质的回收再利用等方面。同时,整体的冰结晶又是很好的蓄冷、降温用冷源。这些方面对于保护环境、促进资源的再利用都是很有意义的。

对食品冷冻浓缩技术来说,应在提高冰晶纯度、减少固形物损失及降低生产成本方面加以深入研究,这样才能充分发挥其自身的优势。冰核微生物用于食品冷冻浓缩中,属于生物技术与食品加工相结合的一项高新技术,极富应用潜力。

参考文献:

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近年来,人类的生活水平的提高,高品质、高附加值产品日益增加,高档饮料、果汁、生物制药等也逐渐成为人们日常消费的主体。推动了食品的加工技术与方法的发展,食品原料中含有的营养成分与风味物质等要得到最大限度的保护就离不开冷冻浓缩技术。

一、冷冻浓缩技术国内外发展现状

(一)国外发展概况

自上世纪50年代末学者们开始关注冷冻浓缩这一工艺以来,人类对冷冻浓缩技术的研究已有较长的 历史 。荷兰eindhoven大学thijssen等在70年代成功地利用奥斯特瓦尔德成熟效应设置了再结晶过程造大冰晶,并建立了冰晶生长与种晶大小及添加量的数学模型,从此冷冻浓缩技术被应用于 工业 化生产。依此制造的grenco冷冻浓缩设备在食品工业中用于果汁、葡萄酒、咖啡提取物、牛奶等的浓缩,得到了高质量的产品。

之后,shirai等为降低成本在采用悬浮结晶冷冻法时将小冰晶凝聚成为大冰晶来减小单位体积冰晶的表面积。研究者以10%(质量分数)的葡萄糖溶液做试料,在0.212k的过冷却度下,添加占溶液总量6%(质量分数)的种晶,经7h凝聚成直径为0.77mm~2.85mm的大冰晶。他们还将此方法用于海水淡化及烧酒废液处理等方面。marino rodriguez等[3]对比研究了反渗透法和冷冻浓缩法在从废水中去除戊酸中的应用,两种操作方法的 经济 运算结果表明冷冻浓缩法的能耗虽是反渗透的五倍,但却正好折中了反渗透中所用膜的代价。

f.a. ramos将冷冻浓缩技术应用于一种生长于安第斯山脉的浆果,发现此技术并未改变其果肉的色泽及ph值,并明显降低了挥发性物质的损失量,且很好地保留了浆果独特的香味。

osato miyawaki将管式结冰渐进式冷冻浓缩系统应用于咖啡萃取物可其溶液浓缩至30%,含果肉的番茄汁可浓缩至12.5%,而将夹带有5%果肉的冰相溶解再次经过管状结冰器浓缩后所得冰相的浓度低至0.25%,如果事先将果肉去除,则番茄汁可浓缩至40%,蔗糖水溶液可由41.8%浓缩至54.8%,且浓缩效果非常好。

(二)国内研究及应用现状

由于冷冻浓缩的基本原理很简单,我国传统的老陈醋生产工艺中就曾应用过冷冻浓缩技术。近年来,该技术在国内已被广泛应用于各行业中,并在相关理论和设备开发上取得了许多新进展。

1. 酿酒业。冷冻浓缩的优势尤其可用于酿酒产业。冷冻浓缩技术最先在啤酒工业中应用,可在除去冰晶的同时除去形成混浊的多酚、丹宁酸等物质,从而减少啤酒的贮存容积,特别是对冷冻浓缩后的啤酒采用混合水技术可以完全恢复到原来的啤酒。后来,有人通过对葡萄酒进行冷冻分离试验,发现酒精和还原糖比较易于利用冷冻法在液相中进行浓缩分离,通过冷冻浓缩技术改善了干白葡萄酒的品质。

2.果汁工业。我国是生产甘蔗的大国,将糖蔗改种果蔗并加工成甘蔗汁既解决了甘蔗的销路,又满足了人们对果汁日益增长的需要。甘蔗汁的热敏性很强,对其进行普通的蒸发浓缩极容易使甘蔗汁焦糖化,丧失其特有的风味。应用冷冻浓缩工艺对甘蔗汁的处理,对浓缩前后的甘蔗汁进行了感官上的比较,发现浓缩后的甘蔗汁品质稳定,除了在颜色、气味、甜味方面感觉更加浓重外,其它基本保持了冷冻浓缩前甘蔗汁的原有风味。

3. 制药业。冷冻浓缩已发展应用到制药工业,因此它为开发新产品和改良品种大开方便之门,并且通过其高效的加工节省能源。用冷冻浓缩工艺对中药水提取液进行中试规模的浓缩试验制取口服液,试验表明用冷冻浓缩工艺代替真空蒸发浓缩可免去某些口服液制造过程中的醇沉工序,从而改善口服液的口感。

由于木聚糖酶解所得到的低聚木糖溶液常常需要脱水浓缩,如采用真空蒸发浓缩,可能导致低聚木糖在加热管表面结焦变性,降低产品的质量。江华等研究了低聚木糖溶液冷冻浓缩时的冰晶生长动力学以及悬浮结晶法冷冻浓缩低聚木糖溶液过程中各因素对低聚木糖在固液两相中分配的影响,为低聚木糖冷冻浓缩过程的开发利用提供了理论依据。

二、冷冻技术 发展 方向

食品冷冻浓缩技术与传统浓缩方法相比,其浓缩产品的质量是最好的,但仍存在某些问题。当物料粘度高时难以生成大冰晶,且由于迅速冷却而形成的微小冰晶不能彻底从母液中分离出来,难以回收附在冰晶上的可溶性固形物和一些有效成分,从而限制了它的推广与使用。

近年来有关冷冻浓缩的理论和技术又取得一些新进展。其中,将冰核细菌(ice nucleation-active bacteria,简称ina细菌)用于食品冷冻浓缩中,是生物技术在食品中的一项独特应用。国外已有相关 文献 报道,表明ina细菌可显著提高食品的过冷点,缩短冷冻时间,节省大量能源;还可促进较大冰晶的生长,使结晶操作成本降低,同时又使分离操作所需费用及因冰晶夹带所引起的溶质损失减少。

kumeno等用x.campestris inxc-1对蛋清冷冻浓缩后加热形成硬胶,其物理性质如起泡性、稳定性、硬度、粘弹性等均优于常规生产的产品。minjung等用p.syringae冷冻浓缩苹果汁,加入细菌的样品在-2.2℃就出现冰核并开始结冰,而不加细菌的样品则无结冰现象。

watanabe等用海藻酸钙包埋e.ananas制成活性胶囊,加入蛋清中做冷冻试验,发现加了细菌的约在-3℃就有冰晶析出,而没加的则在-18℃才有冰晶出现,熔化冰晶阶段无显著差异;又用e.ananas冷冻浓缩柠檬汁,浓缩汁的可溶性固形物回收率高,风味营养成分保持好,gc分析和感官评定均表明与原汁无异。

三、冷冻技术的发展前景

冷冻浓缩技术现已证明优质可靠,极具市场活力。随着社会的进步, 经济 的发展,人们生活水平的提高,冷冻浓缩这一低能耗、可生产高质量产品的加工技术具有很大的发展潜力。此方法除了用于浓缩,也可考虑用于有机废水的处理,活性物质的回收再利用等方面。同时,整体的冰结晶又是很好的蓄冷、降温用冷源。这些方面对于保护环境、促进资源的再利用都是很有意义的。

对食品冷冻浓缩技术来说,应在提高冰晶纯度、减少固形物损失及降低生产成本方面加以深入研究,这样才能充分发挥其自身的优势。冰核微生物用于食品冷冻浓缩中,属于生物技术与食品加工相结合的一项高新技术,极富应用潜力。

参考 文献:

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【关键词】 头孢曲松钠; 晶体结构; 晶习; X-射线衍射

ABSTRACT Studies of differential scanning calorimetry (DSC), Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy, and X-ray powder diffraction (XRPD) on ceftriaxone sodium purified in laboratory indicate that the ceftriaxone sodium crystal belongs to monoclinic crystal system and space group of P21/c. The crystal structure of ceftriaxone sodium was determined on workstation SGI IRIX of Cerius2 based on the minimizing energy law; the crystal habit was predicted by BFDH law and AE law, respectively, of which the crystal habit predic-ted by AE law was plate, close to the practical habit grown from solution. The effects of crystal growth conditions on crystal habit of ceftriaxone sodium were qualitatively studied by experiments.

KEY WORDS Ceftriaxone sodium; Crystal structure; Crystal habit; X-ray powder diffraction

晶体的微观结构与物质的宏观物理、化学性质密切相关,决定着物质的晶形、密度、熔点等。对物质晶体结构的了解,将有助于在原子尺度上阐明物质各种性能的机制,对研究物质结构与性能之间的关系和规律具有重要意义[1]。晶习是表征晶体外部整体形态的量[2]。晶态有机固体的外形是其固液分离体系设计和操作的一个重要参数,影响下游操作过程(如过滤、洗涤、干燥)的效率和物质的性能(如堆密度、机械应力、润湿性)[2~4]。晶体内部结构特性以及外部生长环境都能影响晶习[5],如何利用这些信息去预测和控制真实条件下生长晶体的晶习在精细化工领域,尤其是制药业,越来越受到关注和重视[6~8]。 头孢曲松钠(ceftriaxone sodium,C18H16N8Na2O7S3·3.5H2O),曾译头孢三嗪,是新型、长效、广谱的第三代半合成头孢菌素,属于β-内酰胺类抗生素,结构式如Fig.1所示[9],1978年由瑞士Roche公司研发成功,1982年首次在瑞士上市,1984年12月21日获得FDA认证,1996年专利到期。自上市以来,产品畅销全世界,2000年头孢曲松钠在世界前200个畅销药中列第43位,在国内的销售额居各抗感染药物之首[10,11]。目前头孢曲松钠的研究热点集中于合成以及药理,鲜有报道其晶体结构和晶习方面的研究。由于头孢曲松钠难以培养出满足测试要求的单晶,本文通过X-射线粉末衍射分析,应用分子设计软件Cerius2(4.6

Fig.1

Structure of ceftriaxone sodium

版本)根据能量最小化方法得到了头孢曲松钠分子空间结构,并在此基础上预测了产品晶习,为头孢曲松钠工业结晶过程的设计、优化提供了理论指导。

1 实验部分

1.1 实验原料

头孢曲松钠粗品由山东瑞阳制药有限公司提供,实验室精制后产品纯度经高压液相色谱(HPLC)检测不小于99.5%。试样再经研磨、筛分,选取粒度范围在38~45μm之间的细晶用于X-射线粉末衍射测试。

1.2 DSC分析

差示扫描量热仪(NETZSCH Thermal Analysis DSC204):样品置于封口的Al2O3坩锅中,参比物为空的α-Al2O3坩锅;升温速率为5℃/min,升温范围从室温到330℃;载气为N2,流量50ml/min。仪器的热焓采用铟作为标准物校正。

1.3 TG分析

本文采用NETZSCH TG209热重分析仪测试头孢曲松钠的TG曲线,升温速率为10℃/min,载气为N2,流量为18ml/min。样品用量为5.08mg,升温范围从室温到200℃。

1.4 红外分析

本文采用KBr压片法在NICOLET 560型傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)上对头孢曲松钠进行红外光谱分析。

1.5 扫描电镜(SEM)

本文采用Hitachi X650扫描电镜(SEM)表征实验样品的晶习,操作电压15kV,样品放在黏着双面胶的金属片上,在观察前需在氩气保护下间歇喷金。

1.6 X-射线粉末衍射分析

头孢曲松钠的X-射线粉末衍射数据在日本理学(Rigaku)D/max-2500型单色X-射线衍射仪上收集,CuKα射线(λ=1.5405),石墨单色器,扫描速率1s/step,工作电压40kV,工作电流100mA,测试温度(25±1)℃。为保证样品表面与测角仪轴心平行共面,装样采用铝板背压法。

2 实验结果与讨论

2.1 DSC曲线

头孢曲松钠的DSC谱图如Fig.2所示,样品在260℃附近存在一个尖锐的放热峰,在放热峰前还存在两个小的吸热峰。头孢曲松钠DSC曲线260℃附近的放热峰是样品热分解放热所致[12,13],实验测定的热分解峰顶温度TP为262.30℃,接近文献值240~265℃[12,13]。与其他大多数头孢菌素一样[13],头孢曲松钠的DSC曲线也没有熔点峰,表明头孢曲松钠在熔化前已发生热分解,故无法用量热法来测定其纯度。

2.2 TG-DTG分析

头孢曲松钠的TG-DTG谱图如Fig.3所示,虽然TG曲线没有表现出明显的直角台阶状,但DTG曲线的双峰却说明了头孢曲松钠在室温至200℃之间的失重是分两步完成的。根据TG线的失重百分率计算结果可知,第一步失重约6.30%,第二步失重约3.31%。头孢曲松钠分子中结晶水的理论百分含量是9.53%,参照中国药典(CP2005)附录M水分测定法中的费休氏法测得头孢曲松钠水分含量为9.5%,而实验测得TG失重为9.61%,与理论结晶水含量基本相符。因此可推断头孢曲松钠在室温至200℃之间的TG失重是脱除结晶水所致[14],Fig.2中DSC曲线热降解放热峰前出现的两个小峰正是头孢曲松钠分两步脱水而产生的吸热峰。而且,头孢曲松钠的DSC曲线并未再出现脱溶剂峰,结合Fig.3所示的TG-DTG谱图,可以初步判定实验精制头孢曲松钠过程中未见形成溶剂化合物。

2.3 红外分析

实验室制备的头孢曲松钠与市售国外产品的红外谱图如Fig.4所示。β-内酰胺与杂环并接产生的特征峰出现在1740cm-1处,在3440~3260cm-1处出现的强而宽的峰是-OH和-NH伸缩振动引起的谱带,-OH和-NH的伸缩振动频率在此区域相互重叠而不易区分,由于分子内氢键,吸收频率向低频方向还存在一定的平移。1610cm-1附近处的强峰是芳核骨架振动的特征峰,1000cm-1附近的特征峰是芳环C-H面向弯曲振动引起的强吸收峰,但Ar-H在3030cm-1附近的特征峰由于-OH和-NH的存在而不明显。1740cm-1处的强峰是羰基伸缩振动的特征峰,而1650cm-1处的强峰则是酰胺的羰基伸缩振动引起的。

2.4 X-射线粉末衍射分析

测试中发现当2θ>50°后,头孢曲松钠的XPRD谱图不再出现明显的衍射峰,因此在Rigaku D/max-2500X射线衍射仪上收集5°

2.5 头孢曲松钠晶体结构的确定

分子的空间结构信息对于确定晶体结构,研究晶体所属空间群和原子位置具有重要作用。因此,在研究晶体结构之前研究分子的空间结构是必要的。分子的空间结构一般可以由两种方法得到:一是通过实验的方法,主要包括X-射线单晶衍射和2D-NMR技术;另一个是通过计算机辅助分子设计的理论计算方法,目前主要包括“原始”机制、半经验机制以及分子机制模型,其中分子机制模型又有能量最小化、网格搜索、蒙特卡罗(Monte Carlo)以及分子动力学模拟等方法[15]。虽然单晶结构分析是诸多固态物质结构分析方法中提供信息最多、最常用的研究方法,已经成为合成化学及其相关学科、晶体工程和超分子化学等研究领域中必不可少的研究手段[16],但目前X-射线单晶衍射仪对测试晶体的三维尺度(最小维的空间尺度不小于0.01mm)和质地(晶体不能出现缺陷)有严格的要求,由于头孢曲松钠晶体是薄片状晶习,难以培养出合乎单晶测试要求的晶体,有一维的空间尺度小于0.01mm。头孢曲松钠是一种大分子有机盐类,具有离子化合物的特性。因此本论文应用分子设计软件Cerius2(4.6版本)中的3D-sketcher环境画出分子结构图,再通过电荷分配,选择Dreading 2.21力场,最后根据能量最小化方法得到可能的头孢曲松钠分子空间结构如Fig.6所示。

头孢曲松钠晶体的晶胞投影如Fig.7所示,晶胞中每2个头孢曲松钠分子和7个水分子按Fig.6所示组成一个不对称单元。由Fig.1可知,头孢曲松钠是一种大分子有机羧酸钠盐,存在钠离子(Na+)与头孢曲松酸根离子(C18H16N8O7S3)2-之间强的离子键;除此之外,每个晶胞中还存在众多既是质子受体又能提供质子的水分子,而且每个(C18H16N8O7S3)2-中还含有2个-NH(与电负性大的N原子形成强极性键的氢原子)和6个-CO-(电负性大且又能提供孤对电子的氧原子),易与水分子或其它头孢曲松钠分子之间的-CO-和-NH形成氢键,如Fig.7中虚线所示。

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2.6 头孢曲松钠晶习预测

在获得头孢曲松钠晶体结构以及晶胞参数等数据以后,应用分子设计软件Cerius2(4.6版本)中的morphology模块,分别选取BFDH模型、AE模型对头孢曲松钠进行晶习预测,结果如Fig.8、Fig.9所示。由于完全基于晶体几何结构理论的BFDH模型没有考虑原子、键型、局部电荷、生长环境等对晶习的影响,当晶体中分子间的键能越大,各向异性越明显时,模型预测的晶习与实际晶习的一致性也就越差[8]。头孢曲松钠是一种大分子有机钠盐,金属钠离子以及分子间氢键的存在,以及生长环境中溶剂极性、杂质的影响,使得采用BFDH模型预测的头孢曲松钠晶习(呈短棒状)与在水-丙酮体系中生长的头孢曲松钠实际晶习(呈薄片状)相差较大(Fig.10)。

较之BFDH模型,AE模型考虑了晶体的内部结构单元以及相互作用对晶习的影响,因而采用AE模型预测的晶习与实际晶习更相近,也呈薄片状(如Fig.10所示), 这也表明晶体内部结构基元以及相互作用键能对晶体的形态有重要的影响。AE模型预测的头孢曲松钠晶习由10个晶面包围构成,101、101、002、011、011及其对应的等价晶面101、101、002、011、011。应用分子设计软件Cerius2(4.6版本)中的surface builder模块中的cleave crystal surface命令,可以展现出头孢曲松钠晶体不同晶面上的分子排列方式和密度,如Fig.11所示。

由Fig.11可见,不同晶面显露出的原子或基团及其排列密度是不一样的,图中小球代表氧原子。虽然晶面氨基和羰基交替显露,但羰基上的甲基基团增加了空间位阻,不利于头孢曲松钠分子之间或头孢曲松钠分子与极性溶剂分子之间形成氢键。101晶面上的氨基以一定角度显露,羰基沿法线方向显露,较101晶面更易形成分子间氢键。002、011、011晶面也都有羰基、氨基显露,而没有甲基显露增加空间位阻,更有利于氢键的形成。因此101及其等价对称晶面101具有较慢的生长速率,表现出较大的显露面,而101、002、011、011晶面较101有更快的生长速率,表现出较小的显露面,导致头孢曲松钠晶体呈片状晶习。

2.7 生长环境对头孢曲松钠晶习的影响

影响晶习的主要因素除了晶体内部结构外,还有晶体生长过程中所处的外部环境, 例如温度、 溶剂体系、杂质等[2~4]。本文定性考察了不同结晶操作条件以及含钠离子添加剂对头孢曲松钠溶析结晶产品晶习的影响。

由于头孢曲松钠的热敏性以及溶解度特性[9,11,14,17~20],一般采用溶析结晶法分离、提纯头孢曲松钠[11,21]。相同实验条件下分别采用乙醇和丙酮作溶析剂得到的头孢曲松钠结晶产品的电镜照片如Fig.12所示,晶习都呈薄片状。这表明在实验范围内选用不同的溶析剂并未从宏观上改变头孢曲松钠结晶产品的晶习。

相同溶析剂不同溶析结晶温度得到的头孢曲松钠产品晶习的电镜照片如Fig.13所示,在实验选定温度范围内,虽然温度升高会导致晶面生长速率增大,但各晶面的相对生长速率并没有明显变化,所以温度并没有对头孢曲松钠溶析结晶产品的晶习造成明显的影响,只是使得温度较高时得到的产品的平均粒度有所增大。

相同操作条件下,考察了氯化钠、碳酸氢钠、阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠对头孢曲松钠溶析结晶产品晶习的影响,结果如Fig.14所示。含钠离子添加剂的加入,头孢曲松钠溶析结晶产品的晶习并没有什么明显的变化,还是呈薄片状,这说明在实验条件下氯化钠、碳酸氢钠、阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠对头孢曲松钠晶体各晶面的相对生长速率没有明显的影响。

3 结论

(1)头孢曲松钠溶析结晶产品的DSC、TG、FT-IR和XRPD分析测试结果表明,在实验条件下得到的头孢曲松钠晶体具有相同的晶体结构。

(2)采用JADE 4.0软件对XRPD数据进行指标化、精修,得到头孢曲松钠晶胞参数为a=9.2493,b=15.779,c=20.619,α=γ=90°,β=121.34°,属于单斜晶系,空间群为P21/c。

(3)在Cerius2工作站SGI IRIX上应用能量最小化法确定了头孢曲松钠的晶体结构;基于BFDH、AE模型预测了头孢曲松钠晶体的晶习,其中AE模型预测的晶习与实际生长晶习相近,呈薄片状。

(4)定性实验研究范围内,溶析剂种类、结晶温度、含钠粒子添加剂对头孢曲松钠溶析结晶过程产品的晶习没产生明显的影响。

(5)为获得片状晶习的头孢曲松钠晶体产品,工业上可以采用乙醇或丙酮作为溶析剂,但氯化钠、碳酸氢钠、阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠不宜选作头孢曲松钠结晶产品晶习的改进剂。

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