射流振動斷裂生成均粒液滴的機理及工藝.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脂白球(0.4～0.6 mm)需求量日益增加，開發(fā)一種普適性的大顆粒均粒樹脂白球聚合工藝日益成為研究熱點。為制備粒徑均勻的大顆粒樹脂白球，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發(fā)的關(guān)鍵問題。
　　本研究采用分散針型射流技

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

3、，以函數(shù)信號發(fā)生器和功率放大器組成振動源，產(chǎn)生一定頻率的擾動直接施予針孔射流液柱，促進液柱的崩解分散，可通過調(diào)節(jié)單體流速、射流針孔徑和外加擾動頻率來控制單體液滴的尺寸。
　　在自主設(shè)計的射流振動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、外加擾動頻率(0～300 Hz)對射流振動斷裂過程、形成的液滴直徑及其均勻性的影響情況。實驗結(jié)果表明，單體射流速度和外加擾動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、外加擾動頻率升高均會減小，同時外加擾動能夠顯著提高分散液滴粒徑的均勻性。在自然射流實驗條件范圍內(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)（實驗條件為水

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擾動頻率時其最大偏差縮小為0.10 mm，處于平均直徑0.99±0.05 mm目標(biāo)粒徑范圍內(nèi)的單體液滴占比達到95％以上，粒徑均勻度極大改善，可完全滿足大顆粒均粒樹脂的工業(yè)要求。
　　為適用于工藝開發(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和流體固有振動能表征量f0兩個物理量，發(fā)展出

6、射流振動斷裂形成液滴直徑與孔徑、外加擾動頻率、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形成液滴直徑的影響，并結(jié)合實驗結(jié)果與文獻數(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)驗公式;流體固有振動能表征量f0將單體射流固有振動頻率與外加擾動頻率相結(jié)合，反映了由于流體表面能和動能與外界的相互作用而存在的固有振動能量。驗證結(jié)果顯示，拓展數(shù)學(xué)模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果符合良好，分散形成的液滴平均直徑數(shù)均相對誤差為1