孟令鵬, 王軍鋒, 霍元平

(江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

electro-hydrodynamics

靜電霧化是液體荷電后庫侖斥力削弱液體表面張力而導(dǎo)致液體破碎成細小液滴的過程.在薄膜制備的眾多方法中,由靜電霧化技術(shù)發(fā)展而來的靜電霧化沉積法,因其具有顆粒細小、單分散性好、沉積效率高、可實現(xiàn)定向沉積及工藝設(shè)備簡單等優(yōu)點而得到了廣泛關(guān)注[1-2].微/納米薄膜及顆粒制備過程中,納米顆粒的加入可有效改善薄膜材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及機械強度,其納米流體[3]在靜電霧化過程中相關(guān)特性的研究對薄膜材料的高效制備起著至關(guān)重要的作用.在沉積特性方面,文獻[4]對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的石墨-Nafion/乙醇納米流體在錐射流模式下液滴的沉積粒徑及分布進行了研究;文獻[5]對石墨烯-Nafion納米流體在錐射流模式下的沉積均勻性問題進行了研究.納米流體的霧化特性方面,文獻[6]利用PDA技術(shù)對不同TiO2-乙醇納米流體的霧化液滴粒徑進行研究,得到了不同霧化模式下液滴粒徑的分布情況,并對霧化過程中的流場進行了測量;文獻[7]對影響納米流體霧化錐角的因素進行了研究,結(jié)果表明極間距、毛細管直徑以及基板種類均對霧化錐角有影響.文獻[8]借助Comsol軟件對多種納米流體在錐射流模式下液滴的下落軌跡進行了仿真模擬,并與試驗結(jié)果進行了對比分析.綜上所述,納米流體的霧化特性、沉積特性以及仿真模擬均有較為系統(tǒng)的研究,但針對納米流體靜電霧化模式轉(zhuǎn)變的研究相對較少.不同工況下,納米流體的穩(wěn)定霧化區(qū)間存在明顯差異,其霧化模式的確定有利于納米流體穩(wěn)定霧化調(diào)控方法的制定,從而大大提高工業(yè)應(yīng)用過程中薄膜/顆粒制備的生產(chǎn)效率.

納米流體在表面張力、電導(dǎo)率等方面與普通流體差異較大.納米流體物性的改變影響了荷電弛豫時間[9]以及流體動力學(xué)弛豫時間[10],弛豫時間的變化直接影響到流體的霧化模式.靜電霧化是復(fù)雜的荷電多相流動,荷電液滴在多場耦合作用下存在變形、破碎、分離以及聚并等重要現(xiàn)象,納米顆粒的加入使耦合場作用下的電流體動力學(xué)特性變得極為復(fù)雜.文中借助高速數(shù)碼攝像技術(shù),針對不同組份的石墨-乙醇納米流體及銀-乙醇納米流體,對其電場作用下靜電霧化的顯微演變過程進行可視化研究,分析不同物性參數(shù)對納米流體靜電霧化模式轉(zhuǎn)變的影響.

1 試驗裝置與方法

圖1為試驗裝置示意圖,主要由霧化裝置、供液系統(tǒng)以及顯微攝像系統(tǒng)3部分組成.其中霧化裝置包括毛細管(內(nèi)徑1.37 mm、外徑1.61 mm)、針-環(huán)狀感應(yīng)荷電裝置及負(fù)高壓靜電發(fā)生器(測量范圍為0～50 kV);供液系統(tǒng)包含微流注射泵和特定規(guī)格的注射器,針對霧化流量進行精確控制;顯微攝像系統(tǒng)采用型號為Olympus i-speed3的高速數(shù)碼攝像機,配合顯微變焦鏡頭進行微距拍攝,以15 000 fps的頻率精確捕捉電場作用下不同組份納米流體霧化形貌的演變行為,并記錄作圖像后處理分析;拍攝光源為40 W高亮LED冷光源,放置在高速數(shù)碼攝像機正對面.試驗中將粒徑均為30 nm的石墨顆粒和銀顆粒采用2步法制備石墨-乙醇納米流體及銀-乙醇納米流體.在制備時加入分散劑,連續(xù)超聲分散2 h,再通過電磁攪拌,獲得穩(wěn)定的石墨-乙醇納米流體和銀-乙醇納米流體.將獲得的納米流體靜置24 h并未出現(xiàn)分層現(xiàn)象.試驗環(huán)境溫度控制在(22±0.5)℃.

圖1 靜電霧化試驗裝置示意圖

2 納米流體的物性與表征

影響流體靜電霧化模式的因素較多,不同物性的流體靜電霧化形態(tài)特征差異較大.引入荷電弛豫時間與流體動力學(xué)弛豫時間可以對霧化模式轉(zhuǎn)變的差異性作出合理的解釋[10].

荷電弛豫時間為

(1)

流體動力學(xué)弛豫時間為

(2)

式中:ε為介電常數(shù),F·m-1;γ為電導(dǎo)率,S·m-1;μ為動力黏度,N·s·m-2;σ為表面張力,N·m-1.

τc/τH表征了流體表面毛細波受到表面電荷遷移帶來阻尼的大小并決定流體的霧化模式.在靜電霧化過程中,電場強度增大,流體表面電荷量逐漸增加,電荷遲滯于液體表面,表面波受到電荷遷移帶來的阻尼增大,從而導(dǎo)致了流體霧化模式的轉(zhuǎn)變.

2.1 納米流體的表面張力

表面張力是決定τH的關(guān)鍵參數(shù),采用重力法對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體的表面張力進行了測量.結(jié)果如圖2所示,隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,相對表面張力逐漸減小.納米流體中的部分石墨顆粒會漂浮于液滴表面,疏水性較好的納米顆粒,使原本光滑平整的氣液兩相界面變得粗糙,減小了流體的表面張力.當(dāng)納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到0.1%時,納米流體的表面張力減小了17%～25%.

圖2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與相對表面張力的關(guān)系

2.2 納米流體的電導(dǎo)率

電導(dǎo)率作為表征電荷遷移速率的物理量,通過影響τc決定流體的靜電霧化特性.采用電導(dǎo)儀對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體的電導(dǎo)率進行多次測量并取平均值,結(jié)果如圖3所示.

圖3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與電導(dǎo)率的關(guān)系

從圖3可以看出： 隨著石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大電導(dǎo)率逐步升高.石墨、銀作為高電導(dǎo)率介質(zhì)與無水乙醇混合形成穩(wěn)定的納米流體后,電荷在遷移過程中遇到納米顆粒,使電荷遷移速度增大；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到0.1%時,銀-乙醇納米流體和石墨乙醇納米流體的電導(dǎo)率分別增加了60%和40%.

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 霧化模式的演變

靜電霧化是利用電荷之間的庫侖斥力使液滴破碎成細小液滴的過程.在極間距為11 mm,毛細管內(nèi)徑為1.37 mm、外徑為1.61 mm,環(huán)直徑為18 mm,流速為1 μL·s-1的條件下,石墨-乙醇納米流體(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%)靜電霧化顯微形態(tài)圖如圖4所示,隨著毛細管端口處電場強度的增加,靜電霧化將出現(xiàn)滴狀模式(圖4a)、紡錘模式(圖4b)、錐射流模式(圖4c)以及多股射流模式(圖4d).其中,穩(wěn)定錐射流霧化模式及穩(wěn)定多股射流模式區(qū)間內(nèi)群體微液滴的單分散性好,能實現(xiàn)納級噴射,霧化質(zhì)量高,是實際應(yīng)用過程中所追求的最理想的霧化狀態(tài).滴狀模式及紡錘模式區(qū)間內(nèi)荷電微液滴的尺寸波動范圍較大,且霧化穩(wěn)定性差,霧化質(zhì)量不理想,實際應(yīng)用中應(yīng)避免此類霧化狀態(tài)的出現(xiàn).

圖4 石墨-乙醇納米流體(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%)靜電霧化顯微形態(tài)圖

3.2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對納米流體霧化模式的影響

流量為0.5 μL·s-1時,質(zhì)量分?jǐn)?shù)對納米流體霧化模式的影響如圖5所示.圖中區(qū)間①為滴狀模式,區(qū)間②為紡錘模式,區(qū)間③為錐射流模式,區(qū)間④為多股射流模式.

質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化影響著納米流體的表面張力和電導(dǎo)率,τc/τH是兩者對霧化模式影響的綜合判斷標(biāo)準(zhǔn).乙醇的流體動力學(xué)弛豫時間τH=11.3 μs,荷電弛豫時間τc=4.3 μs,τc/τH=0.36在同一數(shù)量級范圍內(nèi),這表明無水乙醇在靜電霧化過程中表面電荷遷移速度與毛細波傳播速度相似,受兩者的共同作用,在較低場強下呈現(xiàn)出紡錘模式.

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體的霧化模式區(qū)間圖

加入納米顆粒后τc/τH的變化如表1所示.納米顆粒的加入使得τc/τH逐漸升高并更接近于1,這表明納米顆粒的加入讓流體表面毛細波受到表面電荷遷移的阻尼逐漸升高,加速了流體由滴狀模式向紡錘模式的轉(zhuǎn)變,使得模式轉(zhuǎn)變所需臨界電場強度逐漸降低.在質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時,石墨-乙醇納米流體的τc/τH始終小于銀-乙醇納米流體的τc/τH,因此,由滴狀模式進入紡錘模式時石墨-乙醇納米流體所需電場強度更高(圖5區(qū)間① →②).

表1 納米流體的τc/τH值

相比較而言,銀-乙醇納米流體的τc/τH更接近于1,這表明靜電力與機械力對其霧化模式的影響不相上下,因此打破兩者平衡所需電場強度更高.同時,在流量恒定時,流體流動引發(fā)的毛細波相同,此時流體表面電荷遷移帶來阻尼的大小決定了流體的霧化模式.相較于銀-乙醇納米流體,石墨-乙醇納米流體的電導(dǎo)率低,在相同場強作用下,表面電荷的遷移速度小,毛細波受到電荷遷移的阻尼增大,因此,石墨-乙醇納米流體率先進入了錐射流模式(圖5區(qū)間② →③).當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.1%時,納米流體的電導(dǎo)率上升了40%～60%,而表面張力僅降低了17%～25%,此時電導(dǎo)率對流體的霧化模式起主導(dǎo)作用.而電導(dǎo)率的升高使得表面電荷的遷移速度增大,電荷迅速聚集于液體尖端,流體受庫侖斥力影響減弱,致使流體進入錐射流模式所需場強隨納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大.

進入錐射流模式后,液錐表面分布大量電荷,在電場作用下,逐漸向液錐尖端集聚.當(dāng)錐射流無法及時將電荷釋放時,流體就進入了多股射流模式(圖5區(qū)間③ →④),此時流體自身電荷遷移能力的強弱決定了進入多股射流模式的條件.銀-乙醇納米流體的電導(dǎo)率較高,電荷更易集聚于液錐尖端,率先達到錐射流模式進入多股射流模式的臨界電場強度,所以銀-乙醇納米流體率先進入多股射流模式.

3.3 流量對石墨-乙醇納米流體霧化模式的影響

流量是影響納米流體霧化特性的另一重要參數(shù).尋找在較大流量下依然能保持穩(wěn)定霧化效果的區(qū)間,對工業(yè)應(yīng)用具有十分重要的意義.質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的納米流體在不同流量下霧化模式隨電壓的變化區(qū)間如圖6所示，區(qū)間①為滴狀模式,區(qū)間②為紡錘模式,區(qū)間③為錐射流模式,區(qū)間④為多股射流模式.相同電場強度下隨著流量的增加,單位體積流體荷電量也隨之減小.因此,流體從滴狀模式進入紡錘模式所需電場強度逐漸升高(圖6區(qū)間① →②).由圖6區(qū)間② 可知,隨著流量的增大紡錘模式所占區(qū)間逐漸增大.低流速(<2 μL·s-1)狀態(tài)下,電場強度增大,流體表面集聚大量電荷,致使液體表面張力降低,霧化模式也就從紡錘模式逐步向錐射流模式過渡(圖6區(qū)間② →③).納米流體的錐射流模式僅僅發(fā)生在流量低于2 μL·s-1時,并且隨著流量的增大,錐射流模式所在區(qū)間迅速減小直至消失(圖6區(qū)間③).電場對流體荷電的能力有限,流量的增加使得流體不穩(wěn)定性增大,大部分電荷無法聚集至液錐表面,從而導(dǎo)致錐射流模式隨著流量的增大,其霧化區(qū)間迅速消失.

圖6 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的納米流體在不同流量下

高流速情況下,多股射流的形成原因與低流速時并不相同.高流速情況下,流體穩(wěn)定性降低,流體表面機械振動增強,電荷集聚于液體尖端,隨著電場強度的增大,集聚于液體尖端的電荷迅速增多,使集聚電荷的尖端呈現(xiàn)出射流模式,納米流體的霧化模式因此直接過渡到多股射流模式(圖6區(qū)間② →④).

4 結(jié) 論

1) 隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.1%的過程中,納米流體表面張力下降了17%～25%,電導(dǎo)率卻升高了40%～60%.兩者的變化導(dǎo)致納米流體的τc/τH隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高呈現(xiàn)上升趨勢.

2) 低流速工況下,銀-乙醇納米流體率先進入紡錘模式,由紡錘模式向錐射流模式過渡時臨界電場強度卻高于石墨-乙醇納米流體,且隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高,納米流體的錐射流模式區(qū)間呈現(xiàn)縮趨勢.由錐射流模式向多股射流模式轉(zhuǎn)變的過程中,銀-乙醇納米流體率先進入且隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高,臨界電場強度逐漸降低.

3) 高流速工況下,錐射流模式消失,靜電霧化模式由紡錘模式直接進入多股射流模式.流量的增大使得霧化穩(wěn)定性不理想,且進入各霧化模式的臨界電場強度均有所升高.

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