纳米流体静电雾化模式转变的试验

孟令鹏, 王军锋, 霍元平

(江苏大学 能源与动力工程学院, 江苏 镇江 212013)

electro-hydrodynamics

静电雾化是液体荷电后库仑斥力削弱液体表面张力而导致液体破碎成细小液滴的过程.在薄膜制备的众多方法中,由静电雾化技术发展而来的静电雾化沉积法,因其具有颗粒细小、单分散性好、沉积效率高、可实现定向沉积及工艺设备简单等优点而得到了广泛关注[1-2].微/纳米薄膜及颗粒制备过程中,纳米颗粒的加入可有效改善薄膜材料的导电性、导热性以及机械强度,其纳米流体[3]在静电雾化过程中相关特性的研究对薄膜材料的高效制备起着至关重要的作用.在沉积特性方面,文献[4]对质量分数为6%的石墨-Nafion/乙醇纳米流体在锥射流模式下液滴的沉积粒径及分布进行了研究;文献[5]对石墨烯-Nafion纳米流体在锥射流模式下的沉积均匀性问题进行了研究.纳米流体的雾化特性方面,文献[6]利用PDA技术对不同TiO2-乙醇纳米流体的雾化液滴粒径进行研究,得到了不同雾化模式下液滴粒径的分布情况,并对雾化过程中的流场进行了测量;文献[7]对影响纳米流体雾化锥角的因素进行了研究,结果表明极间距、毛细管直径以及基板种类均对雾化锥角有影响.文献[8]借助Comsol软件对多种纳米流体在锥射流模式下液滴的下落轨迹进行了仿真模拟,并与试验结果进行了对比分析.综上所述,纳米流体的雾化特性、沉积特性以及仿真模拟均有较为系统的研究,但针对纳米流体静电雾化模式转变的研究相对较少.不同工况下,纳米流体的稳定雾化区间存在明显差异,其雾化模式的确定有利于纳米流体稳定雾化调控方法的制定,从而大大提高工业应用过程中薄膜/颗粒制备的生产效率.

纳米流体在表面张力、电导率等方面与普通流体差异较大.纳米流体物性的改变影响了荷电弛豫时间[9]以及流体动力学弛豫时间[10],弛豫时间的变化直接影响到流体的雾化模式.静电雾化是复杂的荷电多相流动,荷电液滴在多场耦合作用下存在变形、破碎、分离以及聚并等重要现象,纳米颗粒的加入使耦合场作用下的电流体动力学特性变得极为复杂.文中借助高速数码摄像技术,针对不同组份的石墨-乙醇纳米流体及银-乙醇纳米流体,对其电场作用下静电雾化的显微演变过程进行可视化研究,分析不同物性参数对纳米流体静电雾化模式转变的影响.

1 试验装置与方法

图1为试验装置示意图,主要由雾化装置、供液系统以及显微摄像系统3部分组成.其中雾化装置包括毛细管(内径1.37 mm、外径1.61 mm)、针-环状感应荷电装置及负高压静电发生器(测量范围为0～50 kV);供液系统包含微流注射泵和特定规格的注射器,针对雾化流量进行精确控制;显微摄像系统采用型号为Olympus i-speed3的高速数码摄像机,配合显微变焦镜头进行微距拍摄,以15 000 fps的频率精确捕捉电场作用下不同组份纳米流体雾化形貌的演变行为,并记录作图像后处理分析;拍摄光源为40 W高亮LED冷光源,放置在高速数码摄像机正对面.试验中将粒径均为30 nm的石墨颗粒和银颗粒采用2步法制备石墨-乙醇纳米流体及银-乙醇纳米流体.在制备时加入分散剂,连续超声分散2 h,再通过电磁搅拌,获得稳定的石墨-乙醇纳米流体和银-乙醇纳米流体.将获得的纳米流体静置24 h并未出现分层现象.试验环境温度控制在(22±0.5)℃.

图1 静电雾化试验装置示意图

2 纳米流体的物性与表征

影响流体静电雾化模式的因素较多,不同物性的流体静电雾化形态特征差异较大.引入荷电弛豫时间与流体动力学弛豫时间可以对雾化模式转变的差异性作出合理的解释[10].

荷电弛豫时间为

(1)

流体动力学弛豫时间为

(2)

式中:ε为介电常数,F·m-1;γ为电导率,S·m-1;μ为动力黏度,N·s·m-2;σ为表面张力,N·m-1.

τc/τH表征了流体表面毛细波受到表面电荷迁移带来阻尼的大小并决定流体的雾化模式.在静电雾化过程中,电场强度增大,流体表面电荷量逐渐增加,电荷迟滞于液体表面,表面波受到电荷迁移带来的阻尼增大,从而导致了流体雾化模式的转变.

2.1 纳米流体的表面张力

表面张力是决定τH的关键参数,采用重力法对不同质量分数纳米流体的表面张力进行了测量.结果如图2所示,随着纳米颗粒质量分数的增大,相对表面张力逐渐减小.纳米流体中的部分石墨颗粒会漂浮于液滴表面,疏水性较好的纳米颗粒,使原本光滑平整的气液两相界面变得粗糙,减小了流体的表面张力.当纳米颗粒质量分数达到0.1%时,纳米流体的表面张力减小了17%～25%.

图2 质量分数与相对表面张力的关系

2.2 纳米流体的电导率

电导率作为表征电荷迁移速率的物理量,通过影响τc决定流体的静电雾化特性.采用电导仪对不同质量分数纳米流体的电导率进行多次测量并取平均值,结果如图3所示.

图3 质量分数与电导率的关系

从图3可以看出： 随着石墨质量分数的增大电导率逐步升高.石墨、银作为高电导率介质与无水乙醇混合形成稳定的纳米流体后,电荷在迁移过程中遇到纳米颗粒,使电荷迁移速度增大；当质量分数达到0.1%时,银-乙醇纳米流体和石墨乙醇纳米流体的电导率分别增加了60%和40%.

3 试验结果与分析

3.1 雾化模式的演变

静电雾化是利用电荷之间的库仑斥力使液滴破碎成细小液滴的过程.在极间距为11 mm,毛细管内径为1.37 mm、外径为1.61 mm,环直径为18 mm,流速为1 μL·s-1的条件下,石墨-乙醇纳米流体(质量分数为0.1%)静电雾化显微形态图如图4所示,随着毛细管端口处电场强度的增加,静电雾化将出现滴状模式(图4a)、纺锤模式(图4b)、锥射流模式(图4c)以及多股射流模式(图4d).其中,稳定锥射流雾化模式及稳定多股射流模式区间内群体微液滴的单分散性好,能实现纳级喷射,雾化质量高,是实际应用过程中所追求的最理想的雾化状态.滴状模式及纺锤模式区间内荷电微液滴的尺寸波动范围较大,且雾化稳定性差,雾化质量不理想,实际应用中应避免此类雾化状态的出现.

图4 石墨-乙醇纳米流体(质量分数为0.1%)静电雾化显微形态图

3.2 质量分数对纳米流体雾化模式的影响

流量为0.5 μL·s-1时,质量分数对纳米流体雾化模式的影响如图5所示.图中区间①为滴状模式,区间②为纺锤模式,区间③为锥射流模式,区间④为多股射流模式.

质量分数的变化影响着纳米流体的表面张力和电导率,τc/τH是两者对雾化模式影响的综合判断标准.乙醇的流体动力学弛豫时间τH=11.3 μs,荷电弛豫时间τc=4.3 μs,τc/τH=0.36在同一数量级范围内,这表明无水乙醇在静电雾化过程中表面电荷迁移速度与毛细波传播速度相似,受两者的共同作用,在较低场强下呈现出纺锤模式.

图5 不同质量分数纳米流体的雾化模式区间图

加入纳米颗粒后τc/τH的变化如表1所示.纳米颗粒的加入使得τc/τH逐渐升高并更接近于1,这表明纳米颗粒的加入让流体表面毛细波受到表面电荷迁移的阻尼逐渐升高,加速了流体由滴状模式向纺锤模式的转变,使得模式转变所需临界电场强度逐渐降低.在质量分数相同时,石墨-乙醇纳米流体的τc/τH始终小于银-乙醇纳米流体的τc/τH,因此,由滴状模式进入纺锤模式时石墨-乙醇纳米流体所需电场强度更高(图5区间① →②).

表1 纳米流体的τc/τH值

相比较而言,银-乙醇纳米流体的τc/τH更接近于1,这表明静电力与机械力对其雾化模式的影响不相上下,因此打破两者平衡所需电场强度更高.同时,在流量恒定时,流体流动引发的毛细波相同,此时流体表面电荷迁移带来阻尼的大小决定了流体的雾化模式.相较于银-乙醇纳米流体,石墨-乙醇纳米流体的电导率低,在相同场强作用下,表面电荷的迁移速度小,毛细波受到电荷迁移的阻尼增大,因此,石墨-乙醇纳米流体率先进入了锥射流模式(图5区间② →③).当质量分数增加到0.1%时,纳米流体的电导率上升了40%～60%,而表面张力仅降低了17%～25%,此时电导率对流体的雾化模式起主导作用.而电导率的升高使得表面电荷的迁移速度增大,电荷迅速聚集于液体尖端,流体受库仑斥力影响减弱,致使流体进入锥射流模式所需场强随纳米流体质量分数的增大而增大.

进入锥射流模式后,液锥表面分布大量电荷,在电场作用下,逐渐向液锥尖端集聚.当锥射流无法及时将电荷释放时,流体就进入了多股射流模式(图5区间③ →④),此时流体自身电荷迁移能力的强弱决定了进入多股射流模式的条件.银-乙醇纳米流体的电导率较高,电荷更易集聚于液锥尖端,率先达到锥射流模式进入多股射流模式的临界电场强度,所以银-乙醇纳米流体率先进入多股射流模式.

3.3 流量对石墨-乙醇纳米流体雾化模式的影响

流量是影响纳米流体雾化特性的另一重要参数.寻找在较大流量下依然能保持稳定雾化效果的区间,对工业应用具有十分重要的意义.质量分数为0.1%的纳米流体在不同流量下雾化模式随电压的变化区间如图6所示，区间①为滴状模式,区间②为纺锤模式,区间③为锥射流模式,区间④为多股射流模式.相同电场强度下随着流量的增加,单位体积流体荷电量也随之减小.因此,流体从滴状模式进入纺锤模式所需电场强度逐渐升高(图6区间① →②).由图6区间② 可知,随着流量的增大纺锤模式所占区间逐渐增大.低流速(<2 μL·s-1)状态下,电场强度增大,流体表面集聚大量电荷,致使液体表面张力降低,雾化模式也就从纺锤模式逐步向锥射流模式过渡(图6区间② →③).纳米流体的锥射流模式仅仅发生在流量低于2 μL·s-1时,并且随着流量的增大,锥射流模式所在区间迅速减小直至消失(图6区间③).电场对流体荷电的能力有限,流量的增加使得流体不稳定性增大,大部分电荷无法聚集至液锥表面,从而导致锥射流模式随着流量的增大,其雾化区间迅速消失.

图6 质量分数为0.1%的纳米流体在不同流量下

高流速情况下,多股射流的形成原因与低流速时并不相同.高流速情况下,流体稳定性降低,流体表面机械振动增强,电荷集聚于液体尖端,随着电场强度的增大,集聚于液体尖端的电荷迅速增多,使集聚电荷的尖端呈现出射流模式,纳米流体的雾化模式因此直接过渡到多股射流模式(图6区间② →④).

4 结 论

1) 随着质量分数增加到0.1%的过程中,纳米流体表面张力下降了17%～25%,电导率却升高了40%～60%.两者的变化导致纳米流体的τc/τH随质量分数的升高呈现上升趋势.

2) 低流速工况下,银-乙醇纳米流体率先进入纺锤模式,由纺锤模式向锥射流模式过渡时临界电场强度却高于石墨-乙醇纳米流体,且随着质量分数的升高,纳米流体的锥射流模式区间呈现缩趋势.由锥射流模式向多股射流模式转变的过程中,银-乙醇纳米流体率先进入且随着质量分数的升高,临界电场强度逐渐降低.

3) 高流速工况下,锥射流模式消失,静电雾化模式由纺锤模式直接进入多股射流模式.流量的增大使得雾化稳定性不理想,且进入各雾化模式的临界电场强度均有所升高.

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