黏性体系中齿合型高剪切混合...散二氧化硅纳米颗粒性能研究_张自强.pdf

第 37 卷第 3 期 高 校 化 学 工 程 学 报 No.3 Vol.37 2023 年 6 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities June 2023 文章编号：1003-9015(2023)03-0367-09 黏性体系中齿合型高剪切混合器解聚分散二氧化硅纳米颗粒性能研究 张自强1,2,李 哲1,2,刘宝庆1,2(1.浙江大学 化工机械研究所,浙江 杭州 310027 2.浙江大学温州研究院,浙江 温州 325006)摘 要：为探究复杂体系中纳米颗粒解聚分散过程强化的新途径，在黏性体系中，研究了纳米颗粒解聚分散的机制以及可达到的最小尺寸，同时考察了转子转速、定转子结构与体系黏度等对齿合型高剪切混合器解聚分散性能的影响。结果表明，当能量输入由低到高时，解聚机制由断裂主导转变为由侵蚀主导，可达到的最小尺寸约为 117 nm，且不受转速等影响；提高转速可有效强化纳米颗粒解聚分散过程，显著提高细颗粒(dp1 m)的生成体积和生成速率；在定子齿数为 816、转子齿数为 412、定转子齿角为 030时，增大定子齿数或定子齿角对纳米颗粒解聚分散起强化作用，而增大转子齿数则表现为有限的强化作用，过大的转子齿角则不利于纳米颗粒的解聚分散；与清水体系相比，黏性体系能显著强化纳米颗粒的解聚分散，其强化作用随黏度的增大而增大。关键词：高剪切混合器；黏性体系；纳米颗粒；解聚分散；过程强化 中图分类号：TQ465.92 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-9015.2023.03.004 Study on the performance of teethed high shear mixers for deagglomeration of silica nanoparticles in viscous system ZHANG Ziqiang1,2,LI Zhe1,2,LIU Baoqing1,2(1.Institute of Process Equipment,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;2.Institute of Wenzhou,Zhejiang University,Wenzhou 325006,China)Abstract:In order to strengthen the deagglomeration process of nanoparticles in complex systems,the deagglomeration mechanism and the smallest attainable nanoparticle size were experimentally studied in viscous system.The effects of rotor speed,stator and rotor structure and system viscosity on the deagglomeration performance of teethed high shear mixers were investigated.The results show that when the energy input increases,the deagglomeration mechanism changes from rupture to erosion.The smallest attainable size is about 117 nm and not affected by rotor speed.Increase of rotor speed can effectively intensify the deagglomeration of nanoparticles and significantly improve the generation volume and the generation rate of fine particles(dp 1 m).Under conditions of 8-16 teeth of stator,4-12 teeth of rotor and 0-30 tooth angle of stator and rotor,increasing stator teeth number or stator teeth angle can intensify the deagglomeration of nanoparticles.However,increase of rotor teeth number shows limited intensification effect and large rotor teeth angles are not helpful to the deagglomeration of nanoparticles.Compared with water system,the viscous system can significantly enhance the deagglomeration of nanoparticles,and its intensifying effect increases with the increase of viscosity.Key words:high shear mixer;viscous system;nanoparticles;deagglomeration;process intensification 收稿日期：2022-07-02；修订日期：2022-11-08。基金项目：国家自然科学基金(21978255)。作者简介：张自强(1993-)，男，河南周口人，浙江大学硕士生。通信联系人：刘宝庆，E-mail： 引用本文：张自强,李哲,刘宝庆.黏性体系中齿合型高剪切混合器解聚分散二氧化硅纳米颗粒性能研究 J.高校化学工程学报,2023,37(3):367-375.Citation：ZHANG Ziqiang,LI Zhe,LIU Baoqing.Study on the performance of teethed high shear mixers for deagglomeration of silica nanoparticles in viscous systems J.Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities,2023,37(3):367-375.368 高 校 化 学 工 程 学 报 2023年6月 图 1 实验装置 Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup 1.stirred tank with jacket 2.sampling tube 3.PBT 4.temperature sensor 5.PLC 6.rotor-stator head 7.motor 8.torque sensor 9.thermostatic water bath 4 3 1 2 6 8 7 9 5(f)R1(e)S5(d)S4(c)S3(b)S2(a)S1(j)R5(i)R4(h)R3(g)R2图 2 定子与转子结构示意图 Fig.2 Schematic diagram of stator and rotor structures (Stators:S1-S5,Rotors:R1-R5)1 前 言 纳米悬浮液由于所含纳米颗粒具有较大比表面积等特性1，从而具有优异的综合性能，如高导电性、高强度与反应性等2，广泛应用于化工、制药与食品等诸多领域3-4。然而，由于范德华力与静电力等相互作用的存在5-6，纳米颗粒常会自发团聚进而影响产品性能。近年来，依靠外力等作用，研究人员开发出很多适用于纳米颗粒解聚的新型强化装置，如高压均质机7、高剪切混合器8及超声波设备9等。其中，高剪切混合器因能产生极强剪切速率(20 000100 000 s?1)10-11和较高局部能量耗散率(可达 105 Wkg?1)12-13，而在制备纳米悬浮液方面具有优势。围绕高剪切混合器驱动纳米颗粒解聚分散的发生机制与影响因素，国内外学者开展了大量研究工作。Kamaly 等14研究了清水体系中定转子类型、功率输入对亲水性纳米二氧化硅颗粒解聚的影响，发现侵蚀是主要的解聚机制，解聚动力学速率随功率输入增加而增大，同时也取决于定转子类型；Pacek 等15研究了清水体系中能量输入、pH 和温度对亲水性纳米二氧化硅颗粒解聚的影响，表明断裂是低能量输入时解聚的主要机制，侵蚀是高能量输入时解聚的主要机制，同时发现温度和 pH 影响解聚动力学但并不改变解聚机制；Liu 等3研究了清水体系中操作参数和转子结构对齿合间歇型高剪切混合器解聚性能的影响，发现解聚机制由侵蚀主导，通过提高转子转速、增加转子齿数或齿高、减小剪切间隙以及采用直立型转子等手段，可有效强化纳米颗粒的解聚过程。综上，目前针对高剪切混合器驱动纳米颗粒解聚分散的研究大多集中于清水体系，黏性体系中齿合间歇型高剪切混合器解聚分散性能的研究鲜有报道。事实上，随着过程工业不断发展，纳米颗粒在黏性体系中的应用日益增多，而解聚分散过程也变得更为复杂。因此，考虑到实际生产的客观需求，本研究采用实验方法，对黏性体系中纳米颗粒解聚分散的机制以及可达到的最小尺寸进行了研究，同时考察了转子转速、定转子结构与体系黏度等对齿合间歇型高剪切混合器解聚分散性能的影响，以期提供复杂体系中高剪切混合器过程强化的新途径。2 实验部分 2.1 实验装置与物料 实验装置如图 1 所示，其中釜体和夹套采用透明有机玻璃，釜底为标准椭圆形封头，釜体直径 T 与料液高度 H 均为 300 mm；在釜体侧壁布置温度传感器与取样管，方便测温与取样，并通过夹套内低温介质的流动实现温度的控制；釜内装有低速 PBT 桨叶(桨径比为 0.35)，用于实验前期的预分散；釜底装有齿合间歇型高剪切混合器，用于纳米颗粒的解聚分散，同时配备扭矩传感器，用于功率测量。实验所用齿合型定转子结构由定子(S1-S5)与转子(R1-R5)组成，结构如图 2 所示，具体参数见表 1。第 37 卷第 3 期 张自强等：黏性体系中齿合型高剪切混合器解聚分散二氧化硅纳米颗粒性能研究 369 实验所用纳米颗粒为赢创气相二氧化硅Aerosil 200，初始粒径为 12 nm，比表面积为175225 m2g?1，装填密度约为 50 gL?1，SiO2质量分数大于 99.8%；实验液相选用纯甘油(医药级，质量分数为 99.7%)为原料，与蒸馏水以不同比例混合获得不同黏度的甘油水溶液，液相基本性质如表 2 所示。2.2 实验方法 实验开始前，先使用低速 PBT 桨叶以 300 rmin?1运行，预分散纳米颗粒悬浮液 15 min，使实验初始粒径分布的索特平均直径 d32为(382)m，从而为解聚研究提供一致的起点。实验过程中，釜内温度通过夹套内低温介质流动而保持在(24 3)，考虑到解聚初期粒径变化较大，分别在 0、15、30、45、60、90、120、150、180 min 时间点进行取样。2.2.1 粒度测量方法 采用 Bettersize 2600 激光粒度仪进行粒径分布测量，其基于米氏散射原理，测量范围为 0.022 600 m，且采用正反傅里叶光路，重复性误差和准确性误差均在 0.5%以内。粒径分布测量中，所用纳米颗粒的复折射率为 1.46+0.1i，连续介质折射率见表 2。为提高精度，所有工况下实验数据均重复测量 3 次，取平均值作为结果。2.2.2 功耗测量方法 高剪切混合器的功率消耗采用扭矩法进行测量。考虑到摩擦力等阻力损失难以避免，实际净扭矩为负载扭矩 M2与空转扭矩 M1之差，再