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Studie der Mechanismen des Zerbrechens von Nanopartikelclustern mit Mikrostrahlhomogenen
Datum:2025-11-14Lesen Sie:2
Studie der Mechanismen des Zerbrechens von Nanopartikelclustern mit Mikrostrahlhomogenen
I. Vorstellung
Dieser Artikel umfasst 42.000 Wörter und dauert etwa 20 Minuten.
Zusammenfassung
MikrostrahlhomogeneizerSie können Nano-Siliziumdioxid-Cluster effizient in etwa 150 Nanometer große Aggregate auflösen.Der Brechmechanismus besteht hauptsächlich aus Erosion und die endgültige Feinheit wird vom Material selbst bestimmt.Die Studie ergab, dass die erforderliche Energie (ausgedrückt als Betriebsdruck und die Anzahl der Bearbeitungen), um die Depolymerisierung zu erreichen, mit einer Steigerung der Partikelkonzentration oder der Flüssigkeitsviskizität steigt, wobei die Steigerung der Viskosität durch die Unterdrückung von Turbulenzen deutlicher beeinflusst wird. Das Gerät verfügt über eine hohe Leistungsdichte und kann sogar gelförmige Dispersionen in hohen Konzentrationen in Newtonflüssigkeiten mit niedriger Viskosität verwandeln, was eine starke Dispersionsfähigkeit aufweist.
Schlüsselwörter
Mikrostrahlhomogeneizer; Nanopartikelstreibung; gebrochen; Bruch; Auflösung
II. Gesamtrahmen
III. Einleitung
Mikrostrahlprozessoren als Geräte mit hoher Leistungsdichte werden weit verbreitet in Prozessen wie Emulsionen, Suspensionen, Zellbrechen und Nanomaterialsynthese. Mit der rasanten Entwicklung der Nanotechnologie ist die effiziente Dispersion von Nanopartikeln in Flüssigkeiten zu einem entscheidenden Schritt für ihre kommerziellen Anwendungen geworden.
Die Massenproduktion von Nanopartikeln erfolgt jedoch in der Regel mit einer Flammenthermolyse, bei der das erhaltene Pulver aus Aggregaten und Aggregaten besteht, die sich aus primären Partikeln bilden.
Mit herkömmlichen Rührern können keine Dispersionseffekte auf Submikron-Ebene erreicht werden, daher müssen Sie sich auf hochfeste Geräte wie Rotoren-Statoren, Hochdruckhomogeneizer verlassen. Diese Studie zielt darauf ab, die Leistung, Mechanismen und Dynamik eines kommerziellen Mikrostrahlprozessors bei der Auflösung von Nano-Siliziumdioxid-Clustern systematisch zu bewerten, um eine Grundlage für die Prozessgestaltung und -vergrößerung zu schaffen.
Begriffserklärung
| Englische Begriffe | Deutsch Übersetzung | Definition |
|---|---|---|
| Rupture | Bruch | Es bezieht sich auf den Prozess, bei dem ein Aggregat unter äußerer Wirkung zerbricht und in mehrere größere Fragmente aufgeteilt wird. Dieser Artikel beschreibt seine drei Hauptbrechmechanismen mit Erosion und Zerbrechung als Nanopartikelcluster, die unterschiedlichen Mechanismen entsprechen den evolutionären Merkmalen der einzigartigen Teilchengrößenverteilung. |
| Erosion | Erosion | Es bezieht sich auf den Prozess, bei dem kleine Partikel (in der Regel Primärpartikel oder kleine Gruppen) durch flüssige Schärkraft kontinuierlich von der Gruppierungsoberfläche abgezogen werden. Studien bestätigen, dass diese Behandlung mit Aerosil für Microfluidizer M110-P ® 200V Siliziumdioxid ClusterDominierender Bruchmechanismusund im Einklang mit den Beobachtungen der Rotor-Stator-Geräte. |
| Zerbrechen | Zerbrochen | Es bezieht sich auf Aggregate, die sich sofort unter hoher Spannung in eine große Anzahl von Partikelgrößen verteilter Fragmente zusammenbrechen. In diesem Artikel wird es als ein potenzieller Cluster-Zerbrechungsmechanismus betrachtet, der zu deutlichen Unterschieden zwischen den evolutionären Gesetzen der Teilchengrößenverteilung und dem Bruch und der Erosion führt. |
| Mikroskala Kolmogorov (λ) ₖ) | Kolmogorov Mikroskala | Die kleinste Wirbelskala in einem Turbulens wird mit der Formel (λₖ = ν^{3/4}/ε^{1/4}) gekennzeichnet. Diese Studie stellt fest,Eine kontinuierlich erhöhte Viskosität führt zu einer Erhöhung von λDas macht die Turbulenzwirbelskala größer und schwächt dadurch die Zerbrechungseffizienz der Nanocluster. |
| Reynolds-Nummer (Re) | Renault Zahl | Für die Bestimmung des Flüssigkeitsstromzustands wurde in dieser Studie die Berechnung mit (Re = 4Q_i ρ / (μπd)) durchgeführt. Die Datenanalyse zeigt,Eine kontinuierliche Erhöhung der Viskosität verringert die Re(z.B. von 3,8×104 auf 8,8×10²) führt zu einem Übergang der Strömung von Turbulenz zu Schichtströmung, was die Hauptursache für die Verlangsamung der Bruchdynamik in hochviskosen Systemen ist. |
| d₃₂ (Sauter Durchmesser) | Durchschnittlicher Durchmesser Soter | Der äquivalente Durchmesser der relativen Oberflächenfläche der Partikelgruppe wird durch einen Flächengewichteten Mittelalgorithmus charakterisiert. Diese Ergebnisse zeigen, dass unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen (Druck, Konzentration, Viskosität), Aerosil ® 200V nach dem Zerbrechen seiner feinen Partikeld32 ist bei ca. 150 nm stabilDiese Größe gilt als die Grenze, die ein mechanisches Zerbrechen erreichen kann (Aggregatorgröße), die deutlich größer ist als seine Primärpartikelgröße von 12 nm. |
4. Grundprozess
| Projekt | Inhalt |
|---|---|
| Kernausrüstung | Mikrostrahlhomogenisator (Wechselwirkungskammer Typ Z, Kanälgröße 100 µm)
|
| Vergleichsgeräte | Silverson Onlinerotor-Stator mit EMSC-Emulsionskopf |
| Betriebsdruck | 35, 69, 103 MPa (also 5, 10, 15 kpsi) |
| Dispersionsphase | Aerosil ® 200V gasphasiges Siliziumdioxid (Primärpartikelgröße 12 nm, hydrophil) |
| Kontinuierliche Phase | Destillationswasser (Viskosität 0,001 Pa·s) und Glycerinlösung (Viskosität 0,01, 0,09 Pa·s) |
| Untersuchung der Variablen | Partikelkonzentration (1, 5, 10, 15, 17 Gew.-%); Kontinuierliche Viskosität (unter 1 Gew.-%) |
| Vorbearbeitung | Vorläufige Dispersion mit dem Hielscher UP200S Ultraschall zur Verhinderung von Verstopfungen |
| Charakterisierungsmethoden | Partikelgrößenanalyse (Beckman Coulter LS230) Morphologie (FEI XL30 SFEG SEM) Flussmessung (Anton Paar Rheolab QC) |
V. Ergebnisse und Diskussionen
Leistungseingang
Durch die Berechnung der Leistungsdichte des Mikrostrahlhomogenators bei einem Betriebsdruck von 35 bis 103 MPa mit einer Impulsvolumenmethode von 7,8 x 10³ bis 1,5 x 105 kW/m³ ist dieser Wert drei Größengruppen höher als der herkömmliche Online- oder Batch-Rotor-Stator, was zeigt, dass der zentrale Vorteil, den das Gerät in der Lage hat, eine effiziente Auflösung von Nanoclustern zu erreichen, in seiner hohen Energieeingangsintensität liegt.
Dezentrale Medienflussologie
Niedrige Konzentration (1%) Aerosil ® Die 200 V Glycerin-Dispersion (Viskosität 0,01 und 0,09 Pa·s), die sich in Übereinstimmung mit reinen Lösungsmitteln verhalten, manifestiert sich als Newtonflüssigkeit, was darauf hindeutet, dass Partikel bei niedrigem Feststoffgehalt keine räumliche Netzwerkstruktur bilden.
Im Gegensatz dazu zeigten hochkonzentrierte (15% und 17%) wasserbasierte Vordispersionen ein typisches Verhalten der pseudoplastischen Schnittverdünnung, deren Strömungskurven dem Potenzgesetzmodell entsprechen (z. B. bei 15% Konzentration, τ = 0,033 γ ̧ ^ 0,81, r² = 0,9998), was bestätigte, dass ein gelartiges dreidimensionales Netzwerk zwischen den Partikeln gebildet wurde.
Am wichtigsten ist, dass die Netzwerkstruktur nach der hohen Schnittbehandlung des Mikrostrahlhomogenators (z. B. 15% Konzentrationsprobe nach einem Durchgang) effektiv zerstört wird, das Verhalten der Dispersionsflüssigkeitsveränderung in eine Newtonische Flüssigkeit verwandelt wird und die Viskosität auf etwa 0,004-0,006 Pa·s deutlich reduziert wird, was die starke Fähigkeit der Anlage zur Auflösung und Strukturzerstörung intuitiv belegt.
Mechanismus des Zerbrechens von Nanopartikelclustern durch Mikrostrahlhomogen
Die Studie hat eindeutig aufgedeckt, dass der dominierende Mechanismus des Zerbrechens von Nanopartikelclustern durch Mikrostrahlhomogenen Erosion ist. Die Evolution der Partikelgrößenverteilung zeigt, dass die Größe der größeren Cluster während der Behandlung allmählich verringert wird, während der Anteil der Submikron-feinen Partikel stetig zunimmt, was ein typisches Merkmal der Erosionswirkung ist. Dieser Mechanismus steht im Einklang mit den früheren Schlussfolgerungen der Autoren zur Untersuchung des gleichen Objekts mit Online-Rotor-Statoren. Dies zeigt, dass auch bei Mikrostrahlhomogenen mit hoher Leistungsdichte,Die Grundlage des Brechers wird hauptsächlich durch die Eigenschaften des Materials selbst (Fest-Flüssigkeitssystem) bestimmt, nicht durch den Gerätetyp oder die Betriebsbedingungen.Da die Partikelgrößenverteilung nach der Behandlung häufig doppelte Spitzen aufweist, konzentriert sich die nachfolgende Analyse auf die Änderung des Durchschnittsdurchmessers von Soter und ihrer Volumenfraktion von Submikron-Feinpartikel.
Zusammenfassende Auswirkungen von Partikelkonzentration und Leistungseingang auf die Brechdynamik
Unter niedrigen Konzentrationsbedingungen (1% und 5%) können Cluster nur einmal durch einen Mikrostrahlhomogeneizer aufgelöst werden. Wenn die Konzentration jedoch auf 10% oder mehr erhöht wird, muss die Anzahl der Behandlungen oder der Betriebsdruck (d. h. der Leistungseingang) erhöht werden, um eine Dispersion auf Submikrometer-Ebene zu erreichen. Die evolutionären Merkmale der Partikelgrößenverteilung bestätigen weiter, dass bei allen Konzentrationen der dominierende Mechanismus der Zerstörung Erosion ist. Die spezifischen Daten zeigen, dass die erste Behandlungsrunde den Anteil der Feinpartikel zu über 85% erreichen kann, und durch die Optimierung der Betriebsbedingungen kann das Ziel der 100% Depolymerisierung schließlich erreicht werden. Dies beweist, dass bei Systemen mit hohen Konzentrationen die Verlangsamung ihrer Bruchdynamik durch eine erhöhte Energieeingabe effektiv überwunden werden kann.
Zusammenfassende Auswirkungen von Viskosität und Leistungseingang des Dispersionsmediums auf die Brechdynamik
Nach Aufrechterhaltung einer niedrigen Partikelkonzentration von 1% und Erhöhung der Viskosität des Dispersionsmediums von 0,001 Pa·s (Wasser) auf 0,01 Pa·s (Glycerinlösung) wurde die Anzahl der erforderlichen Depolymerisierungen bei 35 MPa-Druck von 1 auf 3 erhöht. Wenn die Viskosität weiter auf 0,09 Pa·s erhöht wird, verzögert sich der Brechprozess weiter. Allerdings können die negativen Auswirkungen einer hohen Viskosität durch eine Erhöhung des Betriebsdrucks (d. h. des Leistungseingangs) effektiv kompensiert werden, z. B. bei 103 MPa kann eine Dispersion von 0,09 Pa·s mit nur zwei Durchgängen abgeschlossen werden. Die Erhöhung der Viskosität verlangsamt die Brechdynamik stärker als die Auswirkungen der Partikelkonzentration, was auf eine hohe Viskosität zurückzuführen ist, die die Reynolds-Zahl erheblich verringert und die Kolmogorov-Mikroskala erhöht, wodurch die Turbulenzstärke unterdrückt wird.
Streuungsgrenze – die kleinste verfügbare Partikelgröße
Unabhängig davon, wie sich der Betriebsdruck, die Partikelkonzentration oder die kontinuierliche Viskosität ändern, ist der Durchschnittsdurchmesser der erhaltenen feinen Partikel bei etwa 150 nm stabil. Diese Größe ist viel größer als die angegebene Primärpartikelgröße von 12 Nanometern,Zeigt, dass die Grenze der mechanischen Zerstörung nicht die Primärpartikel ist, sondern ihre Aggregate.
Dieses Phänomen hat seine Wurzeln in den Herstellungsprozessen des Materials: Die Flammenmethode führt dazu, dass Primärpartikel bei Temperaturen kollidieren, zusammenschmelzen und durch einen festen Brückenteil zusammenschmelzen, der durch einen festen Si-O-Si-Brückenteil zusammenschmelzt, um ein ganzheitliches Aggregat zu bilden, das sich schwer durch mechanische Kräfte auflösen lässt.Daher wird die minimal erreichbare Größe im Wesentlichen durch die Eigenschaften des Materials selbst bestimmt..
Leistungsvergleich der Geräte
Die Leistung von Mikrostrahlhomogenen wird mit der Leistung von Online-Rotor-Statoren verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass der dominierende Brechmechanismus beider Geräte Erosion ist und dass der durchschnittliche Durchmesser der feinen Partikel, die am Ende erreicht werden können, der gleiche ist (etwa 150 Nanometer), was erneut beweistDie Feinheit der endgültigen Dispersion wird durch die Materialeigenschaften bestimmt. Bei ähnlicher Energiedichte ist die Brechdynamik beider in einer Flüssigkeit mit niedriger Viskosität ähnlich; Unter hohen Viskositätsbedingungen weisen Mikrostrahlhomogenen jedoch einen erheblichen Vorteil auf, da ihre Feinpartikel-Erzeugungsrate weit höher ist als der Rotor-Stator. Dieser Unterschied ist darauf zurückzuführen, dass Mikrostrahlhomogeneizer in der Lage sind, eine Leistungsdichte von mehreren Größengraden zu liefern, die die Unterdrückung von Turbulenzen durch hohe Viskosität effektiver überwindet. Obwohl die beiden Geräte aufgrund der Verarbeitungsgröße (Labor- und Industriegrad) unterschiedlich sind und nicht direkt ersetzt werden, unterstreichen die Vergleichsergebnisse die Leistung von Mikrostrahlhomogenen bei der Behandlung von hochviskozen Nanodispersionssystemen.
6. Schlussfolgerungen
Dieses Forschungssystem beurteilte die Leistung von Mikrostrahlhomogenen für die Aufpolymerisierung von Nano-Siliziumdioxid-Clustern und kam zu den folgenden Schlussfolgerungen:
Effiziente AbbindungsfähigkeitDas Gerät ermöglicht eine effektive Depolymerisierung und liefert eine Dispersion mit einer Feinheit von etwa 150 nm bei bis zu 17% Partikelkonzentration und einem Viskositätsbereich von 0,09 Pa·s.
Mechanismus und Grenzen brechen: Der gebrochene HerrschaftsmechanismusErosionUnd die minimal erreichbare Größe wird durch die Eigenschaften des Materials selbst bestimmt, und die mechanische Kraft kann die durch die Flammenmethode gebildete feste Aggregate nicht zerstören.
Wichtige Betriebsparameter：
Niedrige Konzentration/ViskositätMit dem nächsten Durchgang kann der Bruch abgeschlossen werden. FolgenPartikelkonzentrationoderKontinuierliche ViskositätErhöhung, Bruchdynamik verlangsamen, erforderlichHöhere Durchgänge oder Betriebsdruck(Energieeingang) zur Zerlegung. Erhöhte ViskositätErhöhte Auswirkungen auf die Dynamik im Verhältnis zur Konzentration durch Reduzierung der Renault-Anzahl und Unterdrückung von TurbulenzenNoch bemerkenswerter.. VerhaltensänderungenHohe Schneidkraft der AusrüstungZerstörung der dreidimensionalen Netzwerkstruktur von hochkonzentrierten DispersionenSie werden von einer falschen plastischen Flüssigkeit in eine Newtonische Flüssigkeit umgewandelt.
Leistungsvorteile: IhresLeistungsdichteMachen Sie es zu einer Zerbrechungseffizienz in Systemen mit hoher ViskositätBesser als Online-Rotor-Stator.
Mikrostrahlhomogeneizer sind ein leistungsstarkes Werkzeug zur Vorbereitung von Nanodispersionen im Maßstab, deren Brechmechanismus und endgültige Feinheit vom Material bestimmt werden, während die Brechdynamik durch Betriebsparameter optimiert werden kann.
Gesamtlösung für die Mikrostrahlhomogeneisierung
