静电雾化的理论研究及技术应用的进展

1、静电雾化的理论研究及技术应用的进展于才渊1，于春健1，朱琳2(1.大连理工大学化工学院，辽宁大连116012；2.大连市疾病预防控制中心，辽宁大连116021)摘要：本文分析回顾了静电雾化理论研究的进展，列举了静电雾化技术在功能性粉体制备领域的应用实例，展望了该技术可能的应用前景。关键词：静电雾化；理论研究；应用；进展1 概述液体的静电雾化是指液体喷嘴和对应的接地电极之间，加上数kV的电压时，喷嘴尖端流出的液体，由于受表面张力、静电力及重力联合作用使液柱表面极不稳定，进而分裂为离子或雾滴，这一现象称为静电雾化。静电雾化技术，作为一种新的制备高均匀度微细颗粒的方法，正在受到各国研究学者的高度重视

2、，目前已被广泛应用到功能性粉体制备中。特别是用静电雾化法制备颗粒分布高度均匀的纳米陶瓷膜、微米/纳米微胶囊以及利用静电雾化热裂解法制备铝、硅、锆、钇等的氧化物和硫化物的微粒子产品技术已成为人们关注的热点问题。由于静电雾化法具有明显优于其它方法的特点，诸如：（a）能制备数nm(纳米)、数mm(微米)至mm(毫米)数量级之间粒径的粉体；（b）产品颗粒高度均匀，单分散性好；（c）设备简单，节省费用；（d）过程便于控制；（e）能够完成总体厚度很小却具有明显分界面的多层薄膜等，因而展现了良好的工业应用前景。本文旨在对静电雾化的理论研究以及技术应用的现状作一回顾与评述，展望其可能的应用领域与发展方向。2

3、静电雾化理论研究现状2.1 静电雾化理论研究的历史回顾在早期的研究工作中，比较有代表性的成果是Rayleigh1在1882年提出的。他认为带电液滴能够稳定的条件是其带电量不能超过某一定值，超过该电量则液滴无法保持稳定状态进而分裂为小雾滴。这一数值称为Rayleigh极限，具体表达式如下：qR=2（2d3）1/2 （1）式中，为周围介质的介电常数，为液体表面张力，d为球状液滴的直径。Rayleigh提出的极限电荷的概念为静电雾化机理的研究奠定了基础。随后在1915年Zeleny在他的研究报告中2，介绍了调整液体的电荷与表面张力的比例关系，可以使喷嘴尖端的小液柱失稳，进而分裂为离子或雾滴；指出，只

4、要能保证供应的电场力与雾化的液体量相适应，就可以作者简介：于才渊，(1957-)男，副教授，主要从事粉体与干燥领域的研究与开发工作。图1 静电雾化状态连续获得比较均匀的雾滴。这是迄今为止见到的最早报道静电雾化具体实验内容的文章。1964年Taylor以完全导电的液体为例，做出了开拓性的研究工作3；他认为液体静电雾化时，喷嘴尖端会形成一锥形液柱（称为Tayler cone），并分析解出了弯月形锥形液柱中的力平衡问题。后人Hayati4、Rulison5等对锥形液柱内的液体流动、喷射的形成以及雾滴的产生进行了解析，推动了这一研究工作的深入发展。Smith6等则对非导电的液体进行了静电雾化实验，结果

5、表明，即使非导电的液体也可以雾化，并给出了液滴直径与物性的关系。以上这些研究结果基本上反映了各不同阶段静电雾化理论研究所取得的进展。22 静电雾化理论研究现状一般认为，液体雾化分4个区域，如图1所示7：（a）大液滴下落，随着电压的增高，液滴下落的频度增大；（b）形成脉冲喷雾，在这一区域，随着电压增高，液滴的尺寸不断减小；（c）形成Taylor cone 喷雾，这是稳定的喷雾区域，从图中可以看出，随着电压的增高电流几乎不变化；（d）形成多级喷射，为不稳定喷雾区，随着电压的增高，电流急剧增大，射流也越来越不稳定。上述4个区域中，Taylor cone 喷雾具有广泛的应用价值。特别是在超细粉体制备方

6、面有着其它方法不可比拟的优势。图2 带电液滴产生粒子（团）的模型Taylor cone 喷雾形成射流后，产生的小雾滴是如何连续不断的分裂成离子和离子团的呢？许多学者对这一关键问题进行了深入研究，目前有两种基本模型7，如图2所示。第种模型，认为雾滴是分裂的，如图中的上半部分所示。分裂的带电雾滴由大到小最后变为数纳米（nm）粒子，在雾滴中变为残留的1个溶质分子。当溶剂完全蒸发时，可以认为这个分子是离子（团）化了。但是，最后这一部分（由分子到离子化）的机理还不清楚，模型不能说明单个离子产生的原因。它能适当的说明质量大的离子产生的机理。第种模型，认为雾滴是不分裂的，如图中下部所示。伴随溶剂的蒸发，液滴

7、收缩，此时液滴表面的电荷密度增加，最后，离子由雾滴表面上脱离（蒸发）出来。这种脱离下来的离子，成为尺寸10 nm以下的雾滴，此雾滴在溶剂完全蒸发前就形成了。表面的电荷密度，由于没有超过雷利（Rayleigh）的极限，液滴不发生分裂。模型能够适当地说明单个离子的发生。到现在为止，多数研究者认为模型更能说明液滴是怎样一步步分裂变小进而离子化的。静电雾化理论研究中一项重要内容是建立预测雾滴直径的经验公式，目前，这些经验公式的通用性很差，比较有代表性的公式是Ganñán-Calvo基于无因次分析和大量的实验结果，给出了液滴直径、液体流率及其它参数之间的关系8，如下式： （2） （3

8、）式中 Dd 雾滴直径，m；K 喷射液体的电导率，S/m；0 真空介电常数，F/m； 相对介电常数；Q 液体流率，m3/s。3 静电雾化技术的工业应用近年来，不少学者对静电喷雾技术的应用进行了研究，尤其是在功能性粉体制备方面的研究尤为活跃，有不少文章发表。从中可以看到，应用静电喷雾技术制备新的功能性材料有着十分重要的实用价值。3.1 静电雾化法制备微胶囊图3 两流体静电喷雾制备微胶囊流程所谓微胶囊是指由一定量的某种物质包裹着另外一种物质所形成的微小颗粒。人们对微胶囊感兴趣的原因来自于很多方面，例如，把一种不稳定的活性成分与周围环境隔离开来；把特定的物质输送到特定的接收容器等。尽管被包裹的物质既

9、可以是固体也可以是液体，但外层包裹的试剂通常是一种聚合体或者是熔融的聚合体。关键问题是如何使连续的含有不同组分体系分散形成微/纳米级的胶囊，并且使得整个过程便于控制，并随心所欲的调整包裹厚度。而静电喷雾法恰好具有这两方面的优势，它的这一特点使其在微胶囊的制备领域显示出良好的前景。（1）两流体静电喷雾技术制备微胶囊这种方法制备微胶囊的简单流程如图3所示9：装置的主要部分由同轴套管组成两流体通道，两种不互溶的液体以合适的流速分别在内管和外管中流动。内管的内径在数m到1mm之间，外径则视外管的情形而定。外管和一个数kV的高压电源正极相连，另外一个环形电极与高压电源的负极相连。内管的电压将视外管中液体

10、的电导率不同保持在外管电压和环形电极电压中间的某个值。在一定的电压和流速范围内， 泰勒锥(Taylor cone)将在管口处形成，并且内管液体形成的泰勒锥将被外管液体形成的锥体包裹。内外两个锥体将分别在锥的末端射出一道流线，形成复合射流，这股射流将在电场中雾化并经后续流程处理形成微胶囊。图4 静电雾化制造固定酶粒子（2）静电喷雾/凝聚法制备微胶囊利用该法制备微胶囊的实例是具有活性的酶的固定10，流程如图4所示。图5 静电喷雾热裂解制备硫化物超细粉体喷嘴采用不锈钢细管作为正极。对应的地极为f的铜线，做成f7mm的圆环。两极之间的距离为2mm。 将调制好的2%（质量）的藻朊酸钠和酶的水溶液，用微型

11、泵送至毛细管电极喷嘴。电压在05kV之间进行调节。雾化的液滴落入到0.5%（质量）的CaCl2水溶液搅拌槽中。液滴和Ca2+极易反应，生成藻朊酸钙凝胶，变成球状物，使囊芯物亦即含有酶活性物质不易失活。该法简单有效，胶囊粒度均匀。32 静电喷雾热裂解法制备超细粉图6 不同极性溶液静电喷雾制造复合氧化物粒子 图5为制备金属硫化物（硫化镉、硫化锌）超细粉的流程11。雾化器由4个喷嘴组成（见图5），在45mm的正方形内排列。每个喷嘴由不锈钢制造，其尺寸为外径10mm，内径1mm。相对的地极为金属制多孔圆盘。喷嘴和地极之间的距离为15mm。反应炉内径15mm，长度100mm，由玻璃圆管制成。静电喷雾产生

12、的带电雾滴，被a射线中和消除电荷后，进入加热部进行热分解，最后通过捕集器得到mm以下的硫化物粒子。33 静电喷雾法制备复合性功能粒子 用静电雾化法，将两种溶液同时雾化，通过改变两种溶液的极性，可以制造出复合的微粒子材料7。图6示出了Zr(OBu)4和Ti(OBu)4溶液，进行正、负极性的喷雾。使携带不同极性的溶液，经过雾化、凝聚、高温反应（400），再经过溶剂的蒸发和干燥等，制成数m的球形Zr-Ti的复合氧化物粒子。4 结束语发现液体在静电场中能被雾化的现象，可以追溯到100多年前，历史虽然不短，但理论研究尚不充分，工业应用更是鲜有报道；直到最近几年，由于功能性粉体制备成为热点课题，才使静电雾

13、化技术显现出勃勃生机。应当说，这项技术应用于功能性粉体制备中，还处于研究开发阶段，规模性工业应用还有相当大的距离。但随着研究的深入与技术的进步和完善，相信不久的将来，一定会变为先进的成熟的实用技术，满足社会的需要。参考文献： L.On the equilibrium of liquid conducting masses charged with electricityJ.Philos. Mag., 1882，10,184.2 Zeleny J. On the Conditions of Instability of Liquid Drops with Applications to the

14、Electrical Discharge from Liquid PointJ. Proc. Camb. Phil. Soc, 1915，18：71-83.3 Taylor G I. Disintegration of Water Drops in an Electric FieldJ. Proc. Roy. Soc1964. A280, 383-397.4 Hayati I, Bailey A I ，Tadros Th F. .Investigations into the Mechanism of Electrohydrodynamic Spraying Liquids. . Mechan

15、ism of Stable Jet Formation and Electrical Forces Acting on a Liquid coneJ. J.Coll.Interface Sci, 1987，117：205-230.5 Rulison A J. ，Flagan R C. Electrospray Atomization of Electrolytic SolutionsJ. J.Coll.Interface Sci,1994，167：135-145.6 Smith D P H. The Electrohydrodynamic Atomization of liquidsJ. IEEE Trans. Ind. Appl, 1986，IA-22：527-535.7 Lenggoro I W,奥山喜久夫.靜電噴霧法液滴發生.粉体工学会誌，2000， 37：753-760.8 Ganñán-Calvo A M, Davila J，Barrero A. Current and Droplet Size in the Electrospraying of liquids Scaling LawsJ. J. Aerosol Sci,1997，28：249-275.9 Loscertales I G, Barrero A, Guerrer