真空冷凍干燥機——凍干工藝優(yōu)化方法之退火工藝設(shè)計（一）

更新時間：2021-10-22 點擊次數(shù)：2528

前言

冷凍干燥工藝三個步驟：

預凍

—次干燥

二次干燥

其中預凍階段除了將液體凍結(jié)為固體，還有將溶質(zhì)與溶液通過相變進行分離的作用，因此一個好的預凍工藝不僅決定了后續(xù)步驟中干燥的效率，也會影響產(chǎn)品的關(guān)鍵質(zhì)量屬性（如：產(chǎn)品的水分，復溶速率等）。而在預凍工藝的設(shè)計中，退火是優(yōu)化凍干工藝非常重要的一個手段。

#01

預凍過程介紹：

在退火程序開始前，溶液已經(jīng)經(jīng)歷了一次預凍過程被凍結(jié)成固體，此時固體的組成對研究退火工藝至關(guān)重要。可以通過二元相圖進行簡要的描述預凍過程。

階段一：

(A→B→C→D)溶液從室溫A開始降溫，到達冰點B，由于無晶核存在，不發(fā)生結(jié)晶，從而形成過冷溶液，當?shù)竭_C點時，形成晶核，發(fā)生結(jié)晶，整個溶液溫度會回到冰點D點讓水繼續(xù)結(jié)晶。

階段二：

(D→Te)隨著水結(jié)晶增多，未凍結(jié)相溶質(zhì)濃度增大，當?shù)竭_共晶點Te時，理論上會形成共晶體，但是實際上會有部分溶液無法形成共晶（根據(jù)溶質(zhì)性質(zhì)，形成共晶的比例會不同)

階段三：

(Te→E→Tg’）非晶態(tài)溶液繼續(xù)降溫形成過飽和溶液，最終在Tg’點*固化，形成玻璃體，同時玻璃體中也會包含部分未來得及結(jié)晶的水分子即結(jié)合水。

階段四:

(Tg’→F）進一步降溫，這時結(jié)晶相和非晶相比例不會改變，此時形成了一個即有水的冰晶，共晶體，玻璃體的混合物。

以上的四個階段都是理想的狀況，而實際的預凍過程會更加復雜，預凍速率的加快會加重這種復雜程度，首先有部分水分子沒有來得及按照理想狀況形成晶格，而被包裹進非晶相溶液中；其次結(jié)晶快速生長會將非均相溶液分散隔絕開，不同區(qū)域內(nèi)溶質(zhì)濃度、性質(zhì)區(qū)別也很大，如表面富集現(xiàn)象。

#02

退火的原理：

退火程序是將已凍結(jié)樣品由溫度F點升高到一定溫度維持，再降低到F點凍結(jié)的過程。

從動力學角度來看，退火過程遵循吉布斯-居里-烏洛普的表面能理論：晶體的平衡形狀應(yīng)該是使晶體單位體積具有最小的總表面積自由能，簡單來說就是表面積；體積比值趨向于最小化，即小的體積變成大體積，片狀變成球狀或圓柱狀。

從熱力學角度來看，退火過程中存在兩個變化，非晶態(tài)物質(zhì)在高于Tg’時粘度會隨溫度升高而降低，從而發(fā)生流動、聚合；晶態(tài)的物質(zhì)，小的冰晶分子會向大的冰晶遷移。

四環(huán)凍干機

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