射流振動(dòng)斷裂生成均粒液滴的機(jī)理及工藝.pdf

1、隨著合成化學(xué)、生物大分子和醫(yī)藥色譜層析分離技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，特定尺寸的大顆粒均粒樹(shù)脂白球(0.4～0.6 mm)需求量日益增加，開(kāi)發(fā)一種普適性的大顆粒均粒樹(shù)脂白球聚合工藝日益成為研究熱點(diǎn)。為制備粒徑均勻的大顆粒樹(shù)脂白球，通常采用本體聚合，而分散形成可控的均勻單體液滴是保證均粒樹(shù)脂白球制備的先決條件，直接決定了聚合白球的尺寸和均勻度，因此如何將單體分散形成尺寸高度均勻的聚合單元已成為該工藝開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　本研究采用分散針型射流技

2、術(shù)，外加之脈沖擾動(dòng)技術(shù)促進(jìn)射流液柱崩解，以期形成高度均勻單體液滴。同時(shí)，通過(guò)單體物性、射流速度、外加擾動(dòng)頻率及針孔直徑等影響參數(shù)的考察，實(shí)現(xiàn)單體液滴直徑的可調(diào)性要求，為大顆粒均粒樹(shù)脂白球的聚合工藝開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)理論研究結(jié)果以及可行的技術(shù)方案。具體進(jìn)行了如下的研究工作:
　　首先自主研發(fā)設(shè)計(jì)了新型的直接接觸壓電式射流振動(dòng)液滴生成裝置。該裝置采用雙壓電陶瓷膜片(Piezoelectric Ceramics Membrane)作為振動(dòng)元件

3、，以函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和功率放大器組成振動(dòng)源，產(chǎn)生一定頻率的擾動(dòng)直接施予針孔射流液柱，促進(jìn)液柱的崩解分散，可通過(guò)調(diào)節(jié)單體流速、射流針孔徑和外加擾動(dòng)頻率來(lái)控制單體液滴的尺寸。
　　在自主設(shè)計(jì)的射流振動(dòng)液滴生成裝置上分別考察了不同物性的流體（表面張力分別為水72.53 mN·m-1，50％乙醇溶液58.18 mN·m-1，純乙醇21.87 mN·m-1）、射流針孔徑(0.10～0.52 mm)、單體射流速度(0～40 mL·min-1)和

4、外加擾動(dòng)頻率(0～300 Hz)對(duì)射流振動(dòng)斷裂過(guò)程、形成的液滴直徑及其均勻性的影響情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單體射流速度和外加擾動(dòng)頻率是影響形成液滴直徑及其均粒性的關(guān)鍵因素，液滴直徑隨單體流速增大、外加擾動(dòng)頻率升高均會(huì)減小，同時(shí)外加擾動(dòng)能夠顯著提高分散液滴粒徑的均勻性。在自然射流實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)液滴平均直徑（目標(biāo)平均粒徑為1.03 mm）的最大偏差為0.18 mm，其中89％的單體液滴處于平均直徑1.03±0.05 mm粒徑范圍內(nèi)（實(shí)驗(yàn)條件為水

5、，表面張力72.53 mN·m-1，孔徑0.42 mm，單體射流速度3.469m·s-1），而外加100～200 Hz擾動(dòng)頻率時(shí)其最大偏差縮小為0.10 mm，處于平均直徑0.99±0.05 mm目標(biāo)粒徑范圍內(nèi)的單體液滴占比達(dá)到95％以上，粒徑均勻度極大改善，可完全滿(mǎn)足大顆粒均粒樹(shù)脂的工業(yè)要求。
　　為適用于工藝開(kāi)發(fā)與工業(yè)放大，根據(jù)Rayleigh-Sakai射流斷裂理論，提出物性系數(shù)k和流體固有振動(dòng)能表征量f0兩個(gè)物理量，發(fā)展出

6、射流振動(dòng)斷裂形成液滴直徑與孔徑、外加擾動(dòng)頻率、射流速度之間的拓展數(shù)學(xué)模型。其中物性系數(shù)k修正了單體粘度與表面張力對(duì)形成液滴直徑的影響，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)物性系數(shù)與單體物性，從而得到不同條件下的經(jīng)驗(yàn)公式;流體固有振動(dòng)能表征量f0將單體射流固有振動(dòng)頻率與外加擾動(dòng)頻率相結(jié)合，反映了由于流體表面能和動(dòng)能與外界的相互作用而存在的固有振動(dòng)能量。驗(yàn)證結(jié)果顯示，拓展數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好，分散形成的液滴平均直徑數(shù)均相對(duì)誤差為1