マイクロジェット均質機によるナノ粒子クラスタの破砕メカニズムの研究

一、紹介

本文はマイクロジェット均質機の応用特別テーマに属し、全文は全部で42000字で、読むのに約20分かかります。

サマリー

マイクロジェットホモジナイザナノシリカクラスタを約150ナノメートルの凝集体に効率よく解重合することができる。その破砕機構は主に浸食であり、最終的な細さは材料そのものによって決定される研究により、解重合を実現するために必要なエネルギー（動作圧力と処理回数として表現）は粒子濃度または液体粘度の増加に伴って増加し、その中で粘度の上昇は乱流の抑制によって影響がより顕著であることが分かった。この装置はパワー密度が高く、高濃度でのゲル状分散体を低粘度のニュートン流体に変えることができ、強力な分散能力を示している。

キーーワード

マイクロジェット均質機、ナノ粒子分散、砕ける破断するデコンバージェンス

二、全体フレーム

三、はじめに

マイクロジェットプロセッサは高出力密度装置として、乳液、懸濁液、細胞破砕及びナノ材料合成などの過程に広く応用されている。ナノテクノロジーの急速な発展に伴い、液体中へのナノ粒子の効率的な分散（解凝集）を実現することは、その商業化応用の重要なステップとなっている。

しかし、ナノ粒子の大規模製造には通常、火炎熱分解法が用いられ、得られた粉末は一次粒子から形成された凝集体と凝集体からなる。

従来の攪拌機ではサブミクロン級の分散効果は得られないため、ロータ−ステータ、高圧均質機などの高強度設備に依存しなければならない。本研究はナノシリカクラスタを解重合する際の商用マイクロジェットプロセッサの性能、メカニズム、動力学を系統的に評価し、技術設計と増幅に根拠を提供することを目的とする。

解聚过程可通过剥离、断裂或粉碎三种机制实现，不同破碎机制会导致在处理过程中颗粒粒径分布（PSD）呈现出不同的变化趋势，具体如图 1b 所示 — 解重合プロセスは、図1 bに示すように、処理中の粒子径分布（PSD）が異なる変化傾向を示すことができる、ストリップ、破断、または粉砕の3つのメカニズムによって実現することができる

用語解説

英語の用語	中国語翻訳	定義
断裂	断裂	凝集体が外力によって破壊され、いくつかの大きな破片に分割される過程を指す。本文はそれを浸食、破砕と並んでナノ粒子クラスターの3種類の主要な破砕機構とし、異なる機構は独特な粒径分布発展特徴に対応する。
侵蚀	侵食	流体せん断力によって凝集体表面から微粒子（通常は一次粒子または微小凝集体）を連続的に分離するプロセスを指す。研究により、これはMicrofluidizer M 110-P処理Aerosilであることが確認された® 200 Vシリカクラスタの主導破砕機構、ロータ−ステータ装置の観察結果と一致している。
シャッティング	はさい	凝集体が高応力下で大量の粒径分布の広い破片に瞬間崩壊することを指す。本文はそれを潜在的なクラスター破砕機構と見なし、それによる粒径分布発展規則は破断と浸食と顕著な差がある。
コルモゴロフマイクロスケール（λ）ₖ)	コルモゴロフマイクロスケール	乱流中の最小渦スケールを特性化し、計算式は（λₖ＝ν^｛3/4｝／ε^｛1/4｝）である。本研究では、連続相粘度の上昇はλₖの増大を招く、乱流渦スケールを大きくし、それによってナノクラスタに対する破砕効率を低下させる。
レイノルズ番号 (Re)	レイノルズ数	流体の流れ状態を判定するための無次元数は、本研究では（Re＝4 Q＿iρ／（μπd））を用いて計算した。データ分析によると、連続相粘度増加はReを著しく低下させる（例えば3.8×10 8308から8.8×10²）に低下し、乱流から層流への流れの移行をもたらし、これは高粘度系における破砕動力学の減速の主因である。
d₃₂ （ソーター平均直径）	ソト平均直径	面積加重平均アルゴリズムを用いて粒子群比表面積の当量直径を特性化した。本研究の結果、異なる操作条件（圧力、濃度、粘度）の下で、Aerosil® 200 V破砕後の微粒子のd₃₂は約150 nmに安定であるこの寸法は機械的破砕で達成できる限界（凝集体寸法）と認定され、その12 nmの一次粒子径よりはるかに大きい。

四、基本的な流れ

プロジェクト	コンテンツ
コアデバイス	マイクロジェットホモジナイザ（Z型相互作用チャンバ、チャンネルサイズ100µm）
たいひそうち	Silversonオンラインロータ-ステータ（EMSC乳化ヘッド搭載）
そうさあつりょく	35，69，103 MPa（すなわち5，10，15 kpsi）
ぶんさんそう	Aerosil® 200 V気相シリカ（一次粒子径12 nm、親水性）
れんぞくそう	蒸留水（粘度0.001 Pa・s）とグリセリン溶液（粘度0.01、0.09 Pa・s）
研究変数	粒子濃度（1，5，10，15，17 wt.）;連続相粘度（1%wt.下）
前処理	Hielscher UP 200 S超音波計を用いて予備分散を行い、目詰まりを防止する
キャラクタリゼーション方法	粒子径解析（Beckman Coulter LS 230）、形態観測（FEI XL 30 SFEG SEM）、レオロジー測定（Anton Paar Rheolab QC）

五、結果と討論

パワー入力

35〜103 MPaの動作圧力におけるマイクロジェット均質機の電力密度は7.8×10³〜1.5×10³kW／m³とパルス体積法により計算され、この数値は従来のオンラインまたはロットロータ−ステータより3桁高く、従ってこの装置がナノクラスタの高効率解重合を実現できる核心的な利点はその高いエネルギー入力強度にあることを明らかにした。

微射流均质机的功率和比功率输入与在线式和间歇式转子定子所获得的功率和比功率输入的比较 — マイクロジェットホモジナイザの電力及び比電力入力とオンライン式及び間欠式ロータステータで得られた電力及び比電力入力との比較

1%气相二氧化硅在甘油中的分散体的流动曲线 — グリセリン中の気相シリカ1%の分散体の流れ曲線

ぶんさんばいたいレオロジー

低濃度（1%）Aerosil® 200 Vグリセリン分散体（粘度0.01及び0.09 Pa・s）のレオロジー挙動は純溶媒と一致し、いずれもニュートン流体として現れ、低固形分で粒子は空間ネットワーク構造を形成していないことを示した。

対照的に、高濃度（15%と17%）の水系予分散体は典型的な擬塑性剪断減粘挙動を呈し、その流動曲線はべき乗則モデル（例えば15%濃度の場合、τ=0.033γλ^ 0.81、r²=0.998）に符合し、粒子間にゲル状三次元ネットワークが形成されていることを確認した。

最も重要なのは、マイクロジェット均質機による高せん断処理（例えば、15%濃度サンプルを1回通過）後、このネットワーク構造が効果的に破壊され、分散体レオロジー挙動がニュートン流体に転換し、粘度が約0.004-0.006 Pa・sに著しく低下し、この転換は装置の強力な解重合と構造破壊能力を直感的に実証した。

15%气相二氧化硅在水中的预分散体以及使用微射流处理过程中的流动曲线。 — 水中の15%気相シリカの予分散体、およびマイクロジェットを用いた処理中の流動曲線。

15%和17%的预分散体以及17%气相二氧化硅在水中的最终分散体的流动曲线比较。 — 15%と17%の予分散体と17%気相シリカの水中最終分散体の流動曲線を比較した。

在35MPa的操作压力下，1%气相二氧化硅在甘油溶液(粘度为0.01Pa秒)中的粒度分布演变 — グリセリン溶液（粘度0.01 Pa秒）中の1%気相シリカの粒度分布は、35 MPaの作動圧力下で進展した

マイクロジェットホモジナイザによるナノ粒子クラスタの破砕機構

研究により、マイクロジェット均質機によるナノ粒子クラスタの破砕の主導的なメカニズムが侵食であることが明らかになった。粒径分布の進展により、処理中に大きなクラスターサイズが徐々に減少すると同時に、サブミクロン微粒子の割合が着実に増加することが明らかになり、これは浸食作用の典型的な特徴である。このメカニズムは著者らが前期にオンラインロータ−ステータを用いて同一物系を研究した結論と一致した。これは、高出力密度のマイクロジェットホモジナイザにおいても、破砕機構は主に材料自体の性質（固液系）によって決定され、設備タイプや操作条件ではない。処理後の粒子径分布は常に二峰性特徴を呈しているため、その後、サブミクロン微粒子に焦点を当てたソト平均直径とその体積率の変化を分析する。

破砕動力学に対する粒子濃度と電力入力の総合的な影響

低濃度条件下（1%と5%）では、単一のマイクロジェット均質機によるクラスタの解重合が可能である。しかし、濃度が10%以上に上昇すると、サブミクロンレベルの分散を実現するためには、処理回数を増やすか、操作圧力（すなわち電力入力）を高める必要がある。粒径分布の進展特徴はさらに確認され、すべての濃度で破砕の主導的なメカニズムは侵食である。具体的なデータによると、第1ラウンドの処理は微粒子分率を85%以上にすることができ、操作条件を最適化することにより、最終的には100%の解重合目標を実現することができる。これは、高濃度系に対して、エネルギー入力を強化することによって、その破砕動力学の減速を効果的に克服できることを証明している。

随着固体浓度增加，微流控均质机性能的研究结果总结:在不同操作压力下每次通过时细颗粒的百分比 — 固体濃度の増加に伴い、マイクロフロー制御均質機の性能に関する研究結果のまとめ：異なる操作圧力で通過するたびに微粒子の割合

5%的气相二氧化硅水悬浮液，压力为35兆帕 — 5%、圧力35メガパスカルの気相シリカ水懸濁液

10%的气相二氧化硅水悬浮液，压力为35兆帕 — 10%気相シリカ水懸濁液、圧力35メガパスカル

10%的气相二氧化硅水悬浮液，压力为69兆帕 — 気相シリカ水懸濁液10%、圧力69メガパスカル

随着颗粒浓度增加微射流均质机性能结果总结:实现100%破碎成细粉所需的通过次数 — 粒子濃度の増加に伴う微小噴流均質機の性能結果まとめ：100%微粉に砕けるために必要な通過回数

颗粒浓度和操作压力(功率输入)对破碎动力学的影响 — 粒子濃度と操作圧力（電力入力）が破砕動力学に与える影響

在103兆帕下运行的微射流均质机，在0.01帕·秒的甘油中破碎1%气相二氧化硅时粒径分布的演变。 — 103メガパスカルで動作するマイクロ噴流均質機は、0.01パス秒のグリセリン中で1%気相シリカを破砕する際の粒径分布の進展。

分散媒体の粘度と電力入力が破砕動力学に与える総合的な影響

1%の低粒子濃度を維持し、分散媒粘度を0.001 Pa・s（水）から0.01 Pa・s（グリセリン溶液）に引き上げた後、35 MPa圧力で必要な解重合回数を1回から3回に増加させた。粘度がさらに0.09 Pa・sに増加すると、破砕プロセスはさらに遅延する。しかし、動作圧力（すなわち電力入力）を高めることにより、高粘度による負の効果を効果的に補償することができ、例えば103 MPaで0.09 Pa・sの分散体を処理するのに2回の通過だけで解重合を完了することができる。粒子濃度の影響に比べて、粘度の増加は破砕動力学に対する減速作用がより激しく、これは高粘度がReynolds数を著しく低下させ、コールモゴロフマイクロスケールを増大させ、乱流強度を抑制することに起因する。

在不同操作压力下每次通过所获得的细颗粒百分比 — 得られた微粒子の割合は、異なる操作圧力で毎回

69MPa对0.09Pa·s甘油分散体中1%气相二氧化硅破碎过程的影响。 — 0.09 Pa・sグリセリン分散液中の1%気相シリカ破砕過程に対する69 MPaの影響。

103MPa对0.09Pa·s甘油分散体中1%气相二氧化硅破碎过程的影响。 — 0.09 Pa・sグリセリン分散液中の1%気相シリカ破砕過程に対する103 MPaの影響。

实现100%破碎成细粉所需的通过次数 — 微粉に100%破砕するために必要な通過回数

分散限界：得られる最小粒径

得られた微粒子のソト平均直径は、操作圧力、粒子濃度または連続相粘度がどのように変化しても150 nm程度に安定していた。このサイズは、表示されている12ナノメートルの一次粒子径よりもはるかに大きく、機械的破砕の限界は一次粒子ではなく、その凝集体であることを示している。

この現象は材料の生産技術に由来する：火炎法は温度で一次粒子を衝突させ、合体させ、堅固な橋結合部分を通じて融合させ、堅固な-Si-O-Si-橋結合部分を通じて融合させることにより、機械力によって分解されにくい全体的な凝集体を形成する。したがって、最小到達可能寸法は本質的に材料自体の特性によって決定される。

デバイス性能の比較

マイクロジェットホモジナイザとオンラインロータ−ステータの性能を比較した。その結果、両装置の主導的な破砕機構は侵食であり、最終的に達成できる微粒子の平均直径も同じ（約150ナノメートル）であることが再証明された最終分散精度は材料特性によって決定される。エネルギー密度が近い場合、低粘度流体における両者の破砕動力学は似ている、しかし、高粘度条件下では、マイクロ噴流均質機はロータ−ステータよりもはるかに高い微粒子生成速度を有する顕著な優位性を示した。この違いは、マイクロジェット均質機が乱流に対する高粘度の抑制作用をより効果的に克服するために、数桁高い電力密度を提供することができることに起因する。2つの装置は処理規模（実験室レベルと工業レベル）が異なるため、直接代替関係ではないが、比較結果は高粘度ナノ分散系の処理におけるマイクロジェット均質機の性能を明らかにした。

分散介质粘度和操作压力(功率输入)对破碎动力学的影响 — 分散媒の粘度と動作圧力（電力入力）が破砕動力学に与える影響

使用微射流均质机获得的细颗粒的索特平均直径 — マイクロジェットホモジナイザを用いて得られた微粒子のソト平均直径

使用微射流均质机和在线转子-定子获得的细颗粒的索特平均直径的比较 — マイクロジェットホモジナイザとインラインロータ−ステータを用いて得られた微粒子のソト平均直径の比較

六、結論

本研究システムはナノシリカクラスタを解重合するためのマイクロジェット均質機の性能を評価し、以下の核心結論を得た：

高効率解重合能力：この装置は効果的に解重合を実現でき、17%までの粒子濃度と0.09 Pa・sの粘度範囲内で、いずれも約150ナノメートルの細さの分散体を得ることができる。
破砕機構と限界：破砕主導機構は侵食そして、最小到達可能寸法は材料自体の属性によって決定され、機械力は火炎法によって形成された強固な凝集体を破壊することができない。
キー操作パラメータ：

低濃度/粘度破砕は1回の注文で完了します。
の次に来るりゅうしのうどまたはれんぞくそうねんど増加、破砕動力学の減速、必要より高い通過回数または操作圧力（エネルギー入力）を用いて分散を実現する。
ねんどぞうかReynolds数を低減し、乱流を抑制することにより、動力学への影響比濃度が増加するより顕著。

レオロジー挙動遷移：設備の高せん断力エネルギー高濃度分散体の三次元ネットワーク構造を破壊するを使用して、偽塑性流体からニュートン流体に変換します。
設備性能の優位性：そのでんりょくみつど高粘度系における破砕効率オンラインロータ-ステータより優れている。

マイクロジェット均質機はナノ分散体を製造するための規模の強力なツールであり、その破砕機構と最終的な細さは材料によって決定され、破砕動力学は操作パラメータによって最適化される。

マイクロジェット均質処理の全体的なソリューション

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