微射流均質(zhì)機(jī)助力破碎納米顆粒團(tuán)簇的機(jī)制研究

一、介紹
本文隸屬于微射流均質(zhì)機(jī)應(yīng)用專題，全文共 42000字，閱讀大約需要 20 分鐘。

摘要
微射流均質(zhì)機(jī)能高效地將納米二氧化硅團(tuán)簇解聚成約150納米的聚集體。其破碎機(jī)制主要為侵蝕，且最終細(xì)度由材料本身決定。研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)完全解聚所需的能量（表現(xiàn)為操作壓力和處理次數(shù)）隨顆粒濃度或液體粘度的增加而增加，其中粘度升高因抑制湍流而影響更為顯著。該設(shè)備功率密度極高，甚至能將高濃度下的凝膠狀分散體轉(zhuǎn)變?yōu)榈驼扯鹊呐ｎD流體，展現(xiàn)出強(qiáng)大的分散能力。
關(guān)鍵詞

微射流均質(zhì)機(jī)；納米顆粒分散；破碎；斷裂；解聚

二、整體框架



三、引言
微射流處理器作為高功率密度設(shè)備，廣泛應(yīng)用于乳液、懸浮液、細(xì)胞破碎及納米材料合成等過(guò)程。隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)納米顆粒在液體中的高效分散（解團(tuán)聚）已成為其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵步驟。

然而，納米顆粒的大規(guī)模生產(chǎn)通常采用火焰熱解法，所得到的粉末由初級(jí)顆粒形成的團(tuán)聚體和聚集體組成。

使用常規(guī)攪拌器無(wú)法達(dá)到亞微米級(jí)的分散效果，因此必須依賴轉(zhuǎn)子-定子器、高壓均質(zhì)機(jī)等高強(qiáng)度設(shè)備。本研究旨在系統(tǒng)評(píng)估一款商用微射流處理器在解聚納米二氧化硅團(tuán)簇時(shí)的性能、機(jī)理與動(dòng)力學(xué)，以期為工藝設(shè)計(jì)和放大提供依據(jù)。

解聚過(guò)程可通過(guò)剝離、斷裂或粉碎三種機(jī)制實(shí)現(xiàn)，不同破碎機(jī)制會(huì)導(dǎo)致在處理過(guò)程中顆粒粒徑分布（PSD）呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，具體如圖 1b 所示

術(shù)語(yǔ)解釋

英文術(shù)語(yǔ)	中文翻譯	定義
Rupture	斷裂	指團(tuán)聚體在外力作用下發(fā)生斷裂，被分割為若干較大碎片的過(guò)程。本文將其與侵蝕、破碎并列為納米顆粒團(tuán)簇的三種主要破碎機(jī)制，不同機(jī)制對(duì)應(yīng)獨(dú)特的粒徑分布演變特征。
Erosion	侵蝕	指通過(guò)流體剪切力從團(tuán)聚體表面持續(xù)剝離出細(xì)小顆粒（通常為初級(jí)顆粒或微小團(tuán)聚體）的過(guò)程。研究證實(shí)，此為Microfluidizer M110-P處理Aerosil® 200V二氧化硅團(tuán)簇的主導(dǎo)破碎機(jī)制，且與轉(zhuǎn)子-定子設(shè)備觀察結(jié)果一致。
Shattering	破碎	指團(tuán)聚體在極高應(yīng)力下瞬間崩解為大量粒徑分布廣泛的碎片。本文將其視為一種潛在的團(tuán)簇破碎機(jī)制，其導(dǎo)致的粒徑分布演變規(guī)律與斷裂和侵蝕存在顯著差異。
Kolmogorov microscale (λₖ)	柯?tīng)柲�哥洛夫微尺�?/td>	表征湍流中最小的渦旋尺度，計(jì)算公式為 (λₖ = ν^{3/4}/ε^{1/4})。本研究指出，連續(xù)相粘度升高會(huì)導(dǎo)致λₖ增大，使得湍流渦旋尺度變大，從而削弱其對(duì)納米團(tuán)簇的破碎效率。
Reynolds number (Re)	雷諾數(shù)	用于判定流體流動(dòng)狀態(tài)的無(wú)量綱數(shù)，本研究采用 (Re = 4Q_i ρ / (μπd)) 進(jìn)行計(jì)算。數(shù)據(jù)分析表明，連續(xù)相粘度增加會(huì)顯著降低Re（例如從3.8×10⁴降至8.8×10²），致使流動(dòng)由湍流向?qū)恿鬟^(guò)渡，此為高粘度體系中破碎動(dòng)力學(xué)減慢的主因。
d₃₂ (Sauter mean diameter)	索特平均直徑	采用面積加權(quán)平均算法表征顆粒群比表面積的當(dāng)量直徑。本研究結(jié)果表明，在不同操作條件（壓力、濃度、粘度）下，Aerosil® 200V經(jīng)破碎后其細(xì)顆粒的d₃₂穩(wěn)定于約150 nm，此尺寸被認(rèn)定為機(jī)械破碎所能達(dá)到的極限（聚集體尺寸），遠(yuǎn)大于其12 nm的初級(jí)粒徑。

四、基本流程

項(xiàng)目	內(nèi)容
核心設(shè)備	微射流均質(zhì)機(jī)（Z型相互作用腔室，通道尺寸100 µm）
對(duì)比設(shè)備	Silverson 在線轉(zhuǎn)子-定子器（配備EMSC乳化頭）
操作壓力	35, 69, 103 MPa（即 5, 10, 15 kpsi）
分散相	Aerosil® 200V 氣相二氧化硅（初級(jí)粒徑12 nm，親水）
連續(xù)相	蒸餾水（粘度 0.001 Pa·s）與甘油溶液（粘度 0.01, 0.09 Pa·s）
研究變量	顆粒濃度（1, 5, 10, 15, 17% wt.）；連續(xù)相粘度（1% wt.下）
預(yù)處理	使用Hielscher UP200S超聲儀進(jìn)行初步分散，防止堵塞
表征方法	粒徑分析（Beckman Coulter LS230）；形貌觀測(cè)（FEI XL30 SFEG SEM）；流變測(cè)量（Anton Paar Rheolab QC）

五、結(jié)果與討論
功率輸入
通過(guò)脈沖體積法計(jì)算出微射流均質(zhì)機(jī)在35至103 MPa操作壓力下的功率密度高達(dá)7.8×10³至1.5×10⁵ kW/m³，這一數(shù)值較傳統(tǒng)在線或批次轉(zhuǎn)子-定子器高出三個(gè)數(shù)量級(jí)，從而揭示了該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)納米團(tuán)簇高效解聚的核心優(yōu)勢(shì)在于其極高的能量輸入強(qiáng)度。
 
分散介質(zhì)流變學(xué)
低濃度（1%）Aerosil® 200V甘油分散體（粘度0.01及0.09 Pa·s）的流變行為與純?nèi)軇┮恢�，均表現(xiàn)為牛頓流體，表明低固含量下顆粒未形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

相比之下，高濃度（15%和17%）水基預(yù)分散體呈現(xiàn)出典型的假塑性剪切稀化行為，其流動(dòng)曲線符合冪律模型（如15%濃度時(shí)，τ=0.033γ̇^0.81，r²=0.9998），證實(shí)顆粒間形成了凝膠狀三維網(wǎng)絡(luò)。

最關(guān)鍵的是，經(jīng)微射流均質(zhì)機(jī)高剪切處理（如15%濃度樣品經(jīng)過(guò)一次通過(guò)）后，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被有效破壞，分散體流變行為轉(zhuǎn)變?yōu)榕ｎD流體，且粘度顯著降低至約0.004-0.006 Pa·s，這一轉(zhuǎn)變直觀印證了設(shè)備強(qiáng)大的解聚與結(jié)構(gòu)破壞能力。

在35MPa的操作壓力下，1%氣相二氧化硅在甘油溶液(粘度為0.01Pa秒)中的粒度分 布演變

微射流均質(zhì)機(jī)破碎納米顆粒團(tuán)簇的機(jī)制
研究明確揭示了微射流均質(zhì)機(jī)破碎納米顆粒團(tuán)簇的主導(dǎo)機(jī)理為侵蝕。粒徑分布的演變顯示，處理過(guò)程中較大的團(tuán)簇尺寸逐漸減小，同時(shí)亞微米細(xì)顆粒的比例穩(wěn)步增加，這是侵蝕作用的典型特征。該機(jī)理與作者前期采用在線轉(zhuǎn)子-定子器研究同一物系的結(jié)論一致。這表明，即使在高功率密度的微射流均質(zhì)機(jī)中，破碎機(jī)理主要由材料本身的性質(zhì)（固-液體系）決定，而非設(shè)備類型或操作條件。由于處理后粒徑分布常呈現(xiàn)雙峰特征，后續(xù)分析聚焦于亞微米細(xì)顆粒的索特平均直徑及其體積分?jǐn)?shù)的變化。

顆粒濃度與功率輸入對(duì)破碎動(dòng)力學(xué)的綜合影響
在低濃度條件下（1%和5%），僅需單次通過(guò)微射流均質(zhì)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)團(tuán)簇的完全解聚。然而，當(dāng)濃度提升至10%及以上時(shí)，為實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)別的完全分散，必須增加處理次數(shù)或提高操作壓力（即功率輸入）。粒徑分布的演變特征進(jìn)一步證實(shí)，在所有濃度下，破碎的主導(dǎo)機(jī)理均為侵蝕。具體數(shù)據(jù)表明，首輪處理可使細(xì)顆粒分?jǐn)?shù)達(dá)到85%以上，而通過(guò)優(yōu)化操作條件，最終均可實(shí)現(xiàn)100%的解聚目標(biāo)。這證明，針對(duì)高濃度體系，可通過(guò)增強(qiáng)能量輸入有效克服其破碎動(dòng)力學(xué)的減緩。


分散介質(zhì)黏度與功率輸入對(duì)破碎動(dòng)力學(xué)的綜合影響
維持1%的低顆粒濃度，將分散介質(zhì)粘度從0.001 Pa·s（水）提升至0.01 Pa·s（甘油溶液）后，在35 MPa壓力下所需的完全解聚次數(shù)從1次增加至3次。當(dāng)粘度進(jìn)一步增至0.09 Pa·s時(shí)，破碎過(guò)程進(jìn)一步延緩。然而，通過(guò)提高操作壓力（即功率輸入）可有效補(bǔ)償高粘度帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)，例如在103 MPa下，處理0.09 Pa·s的分散體僅需2次通過(guò)即可完成解聚。與顆粒濃度的影響相比，粘度的增加對(duì)破碎動(dòng)力學(xué)的減緩作用更為劇烈，這歸因于高粘度會(huì)顯著降低雷諾數(shù)、增大柯?tīng)柲�哥洛夫微尺度，從而抑制湍流�?qiáng)度。

分散極限 —— 可獲得的最小粒徑
無(wú)論操作壓力、顆粒濃度或連續(xù)相粘度如何變化，所得細(xì)顆粒的索特平均直徑均穩(wěn)定在150納米左右。該尺寸遠(yuǎn)大于標(biāo)示的12納米初級(jí)粒徑，表明機(jī)械破碎的極限并非初級(jí)顆粒，而是其聚集體。

這一現(xiàn)象根源于材料的生產(chǎn)工藝：火焰法在極高溫度下使初級(jí)粒子碰撞、合并并通過(guò)牢固的橋鍵部分熔合，通過(guò)牢固的-Si-O-Si-橋鍵部分熔合，形成難以被機(jī)械力拆散的整體性聚集體。因此，最小可達(dá)尺寸本質(zhì)上是由材料本身的特性所決定的。

設(shè)備性能對(duì)比
微射流均質(zhì)機(jī)與在線轉(zhuǎn)子-定子器的性能進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，兩種設(shè)備的主導(dǎo)破碎機(jī)理均為侵蝕，且最終所能達(dá)到的細(xì)顆粒平均直徑也相同（約150納米），這再次證明最終分散細(xì)度由材料屬性決定。在能量密度相近時(shí)，兩者在低粘度流體中的破碎動(dòng)力學(xué)相似；然而，在高粘度條件下，微射流均質(zhì)機(jī)表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，其細(xì)顆粒生成速率遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)子-定子器。這一差異歸因于微射流均質(zhì)機(jī)能夠提供高出數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)的功率密度，從而更有效地克服高粘度對(duì)湍流的抑制作用。盡管兩種設(shè)備因處理規(guī)模不同（實(shí)驗(yàn)室級(jí)與工業(yè)級(jí)）而非直接替代關(guān)系，但比較結(jié)果突顯了微射流均質(zhì)機(jī)在處理高粘度納米分散體系方面的卓越性能。

六、結(jié)論
本研究系統(tǒng)評(píng)估了微射流均質(zhì)機(jī)用于解聚納米二氧化硅團(tuán)簇的性能，得出以下核心結(jié)論：

1. 高效解聚能力：該設(shè)備能有效實(shí)現(xiàn)完全解聚，在高達(dá)17%的顆粒濃度和0.09 Pa·s的粘度范圍內(nèi)，均可獲得約150納米細(xì)度的分散體。

2. 破碎機(jī)理與極限：破碎主導(dǎo)機(jī)理為侵蝕，且最小可達(dá)尺寸由材料本身屬性決定，機(jī)械力無(wú)法破壞火焰法形成的牢固聚集體。

3. 關(guān)鍵操作參數(shù)：

   • 低濃度/粘度下單次通過(guò)即可完成破碎。
   • 隨顆粒濃度或連續(xù)相粘度增加，破碎動(dòng)力學(xué)減緩，需更高通過(guò)次數(shù)或操作壓力（能量輸入）來(lái)實(shí)現(xiàn)完全分散。
   • 粘度增加通過(guò)降低雷諾數(shù)、抑制湍流，對(duì)動(dòng)力學(xué)的影響比濃度增加更為顯著。

4. 流變行為轉(zhuǎn)變：設(shè)備的高剪切力能破壞高濃度分散體的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其從假塑性流體轉(zhuǎn)變?yōu)榕ｎD流體。

5. 設(shè)備性能優(yōu)勢(shì)：其極高的功率密度使其在高粘度體系中的破碎效率優(yōu)于在線轉(zhuǎn)子-定子器。

微射流均質(zhì)機(jī)是規(guī)模制備納米分散體的強(qiáng)大工具，其破碎機(jī)理與最終細(xì)度由材料決定，而破碎動(dòng)力學(xué)可通過(guò)操作參數(shù)優(yōu)化。

微射流均質(zhì)處理整體解決方案