-
Thông tin E-mail
fengjunjie@noozle.com.cn
-
Điện thoại
13918684639
-
Địa chỉ
Tòa nhà số 4, số 3255 đường Shengang, quận Songjiang, Thượng Hải
Về chúng tôi
Nuoze Fluid Technology (Shanghai) Co., Ltd
Nghiên cứu cơ học của các cụm hạt nano nghiền đồng nhất microjet
Ngày:2025-11-14Đọc:2
Nghiên cứu cơ học của các cụm hạt nano nghiền đồng nhất microjet
I. Giới thiệu
Bài viết này thuộc chuyên đề ứng dụng máy đồng nhất vi phản lực, toàn văn tổng cộng 42.000 chữ, đọc khoảng 20 phút.
Tóm tắt
Máy đồng nhất Micro JetNó có thể phân tích hiệu quả các cụm nano silica thành các cụm khoảng 150 nanomet.Cơ chế nghiền của nó chủ yếu là xói mòn, và độ mịn cuối cùng được xác định bởi chính vật liệu. Nghiên cứu đã phát hiện ra rằng năng lượng cần thiết để đạt được sự khử trùng (biểu hiện bằng áp suất vận hành và số lần xử lý) tăng lên khi nồng độ hạt hoặc độ nhớt của chất lỏng tăng lên, trong đó độ nhớt tăng lên đáng kể hơn do ức chế nhiễu loạn. Thiết bị này có mật độ công suất cao và thậm chí có thể chuyển đổi các chất phân tán giống như gel ở nồng độ cao thành chất lỏng Newton có độ nhớt thấp, cho thấy khả năng phân tán mạnh mẽ.
Từ khóa
Máy đồng nhất vi phản lực; Phân tán các hạt nano; vỡ; gãy; Giải hội
II. Khung tổng thể
III. Giới thiệu
Là thiết bị mật độ công suất cao, bộ vi xử lý phản lực được sử dụng rộng rãi trong nhũ tương, đình chỉ, phá vỡ tế bào và tổng hợp vật liệu nano và các quá trình khác. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ nano, việc đạt được sự phân tán hiệu quả (giải đoàn tụ) của các hạt nano trong chất lỏng đã trở thành một bước quan trọng trong ứng dụng thương mại hóa của chúng.
Tuy nhiên, quá trình nhiệt phân ngọn lửa thường được sử dụng để sản xuất hàng loạt các hạt nano, và bột thu được bao gồm sự kết tụ và tập hợp được hình thành bởi các hạt sơ cấp.
Hiệu ứng phân tán ở cấp độ dưới micron không thể đạt được bằng cách sử dụng máy khuấy thông thường, do đó phải dựa vào các thiết bị cường độ cao như rôto-stator, đồng nhất áp suất cao. Nghiên cứu này nhằm mục đích đánh giá một cách có hệ thống hiệu suất, cơ chế và động lực học của một bộ vi xử lý phản lực thương mại trong việc khử các cụm nano silica để cung cấp cơ sở cho quá trình thiết kế và khuếch đại.
Giải thích thuật ngữ
| Thuật ngữ tiếng Anh | Tiếng Việt | Định nghĩa |
|---|---|---|
| Vỡ | Phá vỡ | Đề cập đến quá trình mà một tập hợp bị phá vỡ bởi một lực bên ngoài và được chia thành một số mảnh lớn hơn. Bài viết này liệt kê nó cùng với xói mòn, nghiền thành ba cơ chế nghiền chính của cụm hạt nano, với các cơ chế khác nhau tương ứng với các đặc điểm tiến hóa phân bố kích thước hạt độc đáo. |
| Xói mòn | Xói mòn | Đề cập đến quá trình liên tục loại bỏ các hạt nhỏ (thường là các hạt sơ cấp hoặc các khối tụ nhỏ) khỏi bề mặt của một hợp chất bằng lực cắt chất lỏng. Nghiên cứu đã xác nhận rằng điều này xử lý Aerosil cho Microfluidizer M110-P ® 200V silica cụm cụmMáy nghiền hàng đầuVà phù hợp với kết quả quan sát của thiết bị rotor - stator. |
| Đánh nát | Phá vỡ | Đề cập đến sự tan rã ngay lập tức của một tập hợp dưới áp suất cao thành một số lượng lớn các mảnh vỡ có kích thước hạt phân bố rộng rãi. Bài viết này coi đây là một cơ chế nghiền cụm tiềm năng, có sự khác biệt đáng kể giữa các quy luật phát triển phân bố kích thước hạt do nó gây ra so với gãy và xói mòn. |
| Kích thước vi mô Kolmogorov (λ) ₖ) | Kích thước vi mô Kolmogorov | Mô tả thang xoáy nhỏ nhất trong nhiễu loạn, được tính theo công thức (λₖ=ν^{3/4}/ε^{1/4}). Nghiên cứu này cho biết,Tăng độ nhớt pha liên tục dẫn đến tăng λ ₖLàm cho quy mô xoáy nước chảy xiết trở nên lớn hơn, từ đó làm suy yếu hiệu suất nghiền nát của nó đối với các cụm nano. |
| Số Reynolds (Re) | Số Reynolds | Số không thứ nguyên được sử dụng để xác định trạng thái dòng chảy của chất lỏng, nghiên cứu này được tính bằng (Re=4Q_iρ/(μπd)). Phân tích dữ liệu cho thấy,Tăng độ nhớt pha liên tục sẽ làm giảm đáng kể Re(ví dụ, giảm từ 3,8 × 10⁴ xuống 8,8 × 10⁴) dẫn đến quá trình chuyển đổi dòng chảy từ hỗn loạn sang dòng chảy tầng, đây là nguyên nhân chính làm chậm động lực học nghiền trong các hệ thống có độ nhớt cao. |
| d₃₂ (Đường kính trung bình Sauter) | Đường kính trung bình Soter | Thuật toán trung bình có trọng số diện tích được sử dụng để mô tả đường kính tương đương của diện tích bề mặt cụ thể của nhóm hạt. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy rằng trong các điều kiện hoạt động khác nhau (áp suất, nồng độ, độ nhớt), Aerosil ® 200V sau khi nghiềnd₃₂ ổn định ở khoảng 150 nmKích thước này được xác định là giới hạn mà máy nghiền có thể đạt được (kích thước tập hợp), lớn hơn nhiều so với kích thước hạt chính 12 nm của nó. |
IV. Quy trình cơ bản
| dự án | nội dung |
|---|---|
| Thiết bị cốt lõi | Microjet Homogenizer (buồng tương tác loại Z, kích thước kênh 100 µm)
|
| Thiết bị tương phản | Silverson Online Rotor-Stator (với EMSC Emulsification Head) |
| Áp suất hoạt động | 35, 69, 103 MPa (tức là 5, 10, 15 kpsi) |
| Giai đoạn phân tán | Aerosil ® 200V silica bốc hơi (kích thước hạt chính 12 nm, hydrophilic) |
| Giai đoạn liên tục | Nước cất (độ nhớt 0,001 Pa · s) với dung dịch glycerin (độ nhớt 0,01 Pa · s) |
| Biến nghiên cứu | Nồng độ hạt (1, 5, 10, 15, 17% wt.); Độ nhớt pha liên tục (1% wt. dưới) |
| Tiền xử lý | Phân tán sơ bộ với siêu âm Hielscher UP200S để ngăn chặn tắc nghẽn |
| Phương pháp đặc tính | Phân tích kích thước hạt (Beckman Coulter LS230) Quan sát hình dạng (FEI XL30 SFEG SEM) Đo lưu biến (Anton Paar Rheolab QC) |
V. Kết quả và thảo luận
Công suất đầu vào
Mật độ công suất lên tới 7,8 × 10³ đến 1,5 × 10⁵kW/m³ được tính toán bằng phương pháp khối lượng xung, một giá trị cao hơn ba bậc cường độ so với stator rotor-stator trực tuyến hoặc lô truyền thống, do đó tiết lộ lợi thế cốt lõi của thiết bị có thể đạt được sự giải tụ hiệu quả của cụm nano nằm ở cường độ đầu vào năng lượng cao của nó.
Phương tiện phân tán Lưu biến học
Nồng độ thấp (1%) Aerosil ® Hành vi lưu biến của các chất phân tán glycerin 200V (độ nhớt 0,01 và 0,09 Pa · s) phù hợp với các dung môi tinh khiết và cả hai đều biểu hiện dưới dạng chất lỏng Newton, cho thấy cấu trúc mạng không gian không được hình thành bởi các hạt có hàm lượng rắn thấp.
Ngược lại, nồng độ cao (15% và 17%) các phân tán tiền phân dựa trên nước thể hiện hành vi pha loãng giả dẻo điển hình với đường cong dòng chảy phù hợp với mô hình luật lũy thừa (ví dụ, ở nồng độ 15%, τ=0,033γ ^ 0,81, r²=0,9998), xác nhận sự hình thành của một mạng ba chiều giống như gel giữa các hạt.
Quan trọng nhất, sau khi xử lý cắt cao bằng máy đồng nhất microjet (chẳng hạn như mẫu nồng độ 15% trải qua một lần vượt qua), cấu trúc mạng này bị phá vỡ một cách hiệu quả, hành vi lưu biến phân tán được chuyển thành chất lỏng Newton và độ nhớt giảm đáng kể xuống khoảng 0,004-0,006 Pa · s, một sự thay đổi trực quan xác nhận khả năng phá hủy cấu trúc và phân tụ mạnh mẽ của thiết bị.
Cơ chế nghiền cụm hạt nano cho máy đồng nhất Microjet
Nghiên cứu đã tiết lộ rõ ràng cơ chế thống trị của các cụm hạt nano bị phá vỡ bởi các máy đồng nhất microjet là xói mòn. Sự phát triển của sự phân bố kích thước hạt cho thấy kích thước cụm lớn hơn trong quá trình xử lý giảm dần trong khi tỷ lệ các hạt mịn dưới micron tăng đều đặn, điển hình của hành động xói mòn. Cơ chế này phù hợp với kết luận trước đó của các tác giả về việc sử dụng rôto-stator trực tuyến để nghiên cứu cùng một dòng. Điều này cho thấy rằng ngay cả trong máy đồng nhất microjet với mật độ công suất cao,Cơ chế nghiền chủ yếu được xác định bởi bản chất của vật liệu (hệ thống rắn-lỏng), không phải loại thiết bị hoặc điều kiện hoạt động. Vì sự phân bố kích thước hạt thường thể hiện đặc điểm đỉnh kép sau khi xử lý, các phân tích tiếp theo tập trung vào những thay đổi về đường kính trung bình của Soter đối với các hạt mịn dưới micron và phân số thể tích của chúng.
Ảnh hưởng kết hợp của nồng độ hạt và đầu vào năng lượng trên động lực nghiền
Trong điều kiện nồng độ thấp (1% và 5%), việc khử trùng cụm có thể đạt được chỉ bằng một lần đi qua bộ đồng nhất microjet. Tuy nhiên, khi nồng độ tăng lên 10% trở lên, để đạt được mức độ phân tán dưới micron, cần phải tăng số lượng xử lý hoặc tăng áp suất hoạt động (tức là đầu vào nguồn). Đặc điểm tiến hóa của sự phân bố kích thước hạt xác nhận thêm rằng ở tất cả các nồng độ, cơ chế phân mảnh chiếm ưu thế là xói mòn. Dữ liệu cụ thể cho thấy rằng việc xử lý vòng đầu tiên có thể cho phép phân số hạt mịn đạt hơn 85%, trong khi mục tiêu khử trùng 100% cuối cùng có thể đạt được bằng cách tối ưu hóa điều kiện hoạt động. Điều này chứng minh rằng sự chậm lại trong động lực phân mảnh của nó có thể được khắc phục hiệu quả bằng cách tăng cường đầu vào năng lượng cho các hệ thống tập trung cao.
Hiệu ứng kết hợp của độ nhớt môi trường phân tán với đầu vào năng lượng trên động lực nghiền
Sau khi duy trì nồng độ hạt thấp 1%, tăng độ nhớt của môi trường phân tán từ 0,001 Pa·s (nước) lên 0,01 Pa·s (dung dịch glycerol), số lần khử trùng cần thiết ở áp suất 35 MPa tăng từ 1 đến 3. Khi độ nhớt tiếp tục tăng lên 0,09 Pa · s, quá trình nghiền bị trì hoãn hơn nữa. Tuy nhiên, các hiệu ứng tiêu cực do độ nhớt cao có thể được bù đắp hiệu quả bằng cách tăng áp suất hoạt động (tức là đầu vào công suất), chẳng hạn như ở 103 MPa, phân tán xử lý 0,09 Pa · s có thể hoàn thành quá trình khử trùng chỉ với 2 lần vượt qua. Sự gia tăng độ nhớt có tác dụng làm chậm động lực học nghiền mạnh hơn so với ảnh hưởng của nồng độ hạt, được cho là do độ nhớt cao làm giảm đáng kể số Reynolds và tăng thang vi mô Kolmogorov, do đó ức chế cường độ nhiễu loạn.
Giới hạn phân tán - kích thước hạt tối thiểu có thể thu được
Các hạt mịn thu được có đường kính trung bình ổn định khoảng 150 nanomet, bất kể áp suất hoạt động, nồng độ hạt hoặc độ nhớt pha liên tục thay đổi như thế nào. Kích thước này lớn hơn nhiều so với kích thước hạt chính 12 nanomet được đánh dấu,Nó chỉ ra rằng giới hạn của sự phá vỡ cơ học không phải là các hạt chính, mà là sự kết hợp của chúng。
Hiện tượng này bắt nguồn từ quá trình sản xuất vật liệu: phương pháp ngọn lửa làm cho các hạt sơ cấp va chạm, hợp nhất và hợp nhất một phần thông qua liên kết cầu vững chắc ở nhiệt độ để tạo thành một tập hợp toàn diện khó phân tách bởi các lực cơ học.Do đó, kích thước tối thiểu có thể đạt được về cơ bản được xác định bởi các đặc tính của chính vật liệu.。
So sánh hiệu suất thiết bị
Hiệu suất của microjet homogenizer được so sánh với rotor stator trực tuyến. Kết quả cho thấy cơ chế nghiền chiếm ưu thế của cả hai thiết bị đều bị xói mòn và các hạt mịn cuối cùng có thể đạt được có cùng đường kính trung bình (khoảng 150 nanomet).Độ mịn phân tán cuối cùng được xác định bởi các thuộc tính vật liệu. Động lực nghiền của cả hai trong chất lỏng có độ nhớt thấp là tương tự ở mật độ năng lượng gần nhau; Tuy nhiên, trong điều kiện độ nhớt cao, máy đồng nhất microjet cho thấy lợi thế đáng kể, với tốc độ tạo hạt mịn cao hơn nhiều so với rôto-stator. Sự khác biệt này là do khả năng của máy đồng nhất phản lực siêu nhỏ để cung cấp mật độ công suất cao hơn nhiều thứ tự cường độ, do đó khắc phục hiệu quả hơn sự ức chế của độ nhớt cao đối với nhiễu loạn. Mặc dù hai thiết bị khác nhau về quy mô xử lý (cấp phòng thí nghiệm so với cấp công nghiệp) thay vì mối quan hệ thay thế trực tiếp, kết quả so sánh nhấn mạnh hiệu suất của các máy đồng nhất microjet trong việc xử lý các hệ thống phân tán nano có độ nhớt cao.
VI. Kết luận
Hệ thống nghiên cứu này đánh giá hiệu suất của các máy đồng nhất microjet để khử trùng các cụm nano silica, đưa ra các kết luận cốt lõi sau:
Khả năng khử trùng hiệu quả caoThiết bị này có hiệu quả trong việc khử trùng và có thể thu được các phân tán có độ mịn khoảng 150 nanomet ở nồng độ hạt lên đến 17% và độ nhớt 0,09 Pa · s.
Máy nghiền và giới hạn: Cơ chế chủ đạo nghiền làXói mònHơn nữa kích thước tối thiểu có thể đạt được do thuộc tính của vật liệu quyết định, lực cơ giới không thể phá hủy tập thể vững chắc hình thành bởi phương pháp ngọn lửa.
Thông số hoạt động chính：
Nồng độ/độ nhớt thấpPhá vỡ có thể được hoàn thành với một pass tiếp theo. VớiNồng độ hạthoặcĐộ nhớt pha liên tụcTăng, động lực nghiền chậm, cầnSố lần vượt qua cao hơn hoặc áp suất hoạt động(Nhập năng lượng) để thực hiện phân tán. Tăng độ nhớtBằng cách giảm số Reynolds, ức chế nhiễu loạn, ảnh hưởng đến động lực học cụ thể tăng nồng độĐáng chú ý hơn。 Thay đổi hành vi: Năng lượng cắt cao của thiết bịPhá vỡ cấu trúc mạng ba chiều của các chất phân tán tập trung caoLàm cho nó chuyển từ chất lỏng giả thành chất lỏng Newton.
Lợi thế hiệu suất thiết bị: của nóMật độ năng lượngLàm cho nó hiệu quả nghiền trong hệ thống độ nhớt caoTốt hơn so với Rotor-Stator trực tuyến。
Microjet Homogenizer là một công cụ mạnh mẽ để chuẩn bị phân tán nano trên quy mô, cơ chế nghiền và độ mịn cuối cùng được xác định bởi vật liệu, trong khi động lực nghiền có thể được tối ưu hóa bằng các thông số hoạt động.
Giải pháp tổng thể cho xử lý đồng nhất Microjet
