摘 要：介绍了颗粒制备技术发展现状并分析现有制粒方法的基本原理、工艺特点及局限性。通过创新研发的流体脉冲喷射系统，高效制备出球形度好、粒度分布范围窄的球形颗粒。分别建立了基于气压的制粒模型，模型预测值与实验结果较好吻合。
关键词：液滴 均匀 脉冲 射流断裂
一、绪论
（一）颗粒制备技术发展现状
颗粒化制备技术无论是在基础理论研究，还是在气体雾化、喷射干燥、喷射冷却、热喷涂、喷墨打印等具体工业生产中，都扮演着极为重要的角色。
传统的微球制备方法包括雾化法、切丝重熔法、乳化法[1]等。这些方法都有各自的特点和局限性。1990年，美国麻省理工学院（MIT）教授Passow博士等一些材料科学专家提出了利用均匀液滴喷射法（Uniform Droplet Spray,UDS）生产粉末的工艺。该工艺保留了传统粉末冶金工艺的优点，克服了传统工艺下的粉末颗粒尺寸分散、结晶不均匀、性能不一致等缺点。一些采用UDS工艺制造的新型合金粉末已在高科技领域得到应用[2]。
（二）Rayleigh射流失稳理论
1879年，英国科学家Rayleigh[3]利用数学模拟的方法分析了非粘性射流(层流)的断裂现象。当液体从喷嘴流出后，施加适当频率的微小扰动，由于表面张力的作用，在激振条件下，射流表面会产生表面波，随着表面波在射流表面的增长，射流就断裂成均匀液滴[4]。
（三）本文选题意义及主要工作
本文的目标是针对UDS的不足，创新地设计了适用于均匀颗粒制备的流体脉冲喷射（Jet Pulse Spray, JPS）系统，利用脉冲式气体施加于装有待处理液体的密闭腔室，形成定量液体射流段，通过合理设置气压、脉冲频率和脉宽等参数，可获得粒径分布窄、表面状况良好的微球，为均匀微球提供了一种设备和工艺简单的制备方法。
二、流体脉冲喷射系统制粒原理、实验装置、材料
（一）流体脉冲喷射系统制粒原理
应用Rayleigh线性不稳定理论，现有的射流断裂技术主要利用压电激振元件对液束施加扰动，使之分裂成液滴并最终凝固成形。为提高工艺稳定性，本文通过旋转切割的方式，利用周期转动定量切割连续气流，形成定量气体脉冲，进而挤出定量液体，使之断裂成均匀颗粒。
（二）流体脉冲喷射系统实验装置
压力气体由管道中经过刚性联轴器，再进入气体脉冲发生器中。通过气体脉冲发生器中阑孔之间的周期通闭，得到正弦定量气体脉冲。气体脉冲随后进入密闭喷射腔，将定量液体从喷嘴挤出，并断裂成均匀颗粒。密闭喷射腔中损耗的液体通过补液腔进行补充。
（三）实验材料
因为石蜡具有熔点较低、易于成型、成本低廉等特点，本文选取固体切片石蜡作为研究对象。
三、实验结果及理论分析
（一）转速的影响
不使用本系统自由喷射所制得的微粒，结果出现了诸如粒度不均、板结、异型轮廓等典型雾化法缺陷。旋阑转速在75rpm时制得的微粒，尽管相比不使用本系统在球粒化上取得了较明显的改善，但其粒径分布十分宽广，均匀度低。随着转速上升，微粒均匀度和球化程度明显改善，至350rpm时达到最佳值，球粒粒径亦稳定在520μm左右。当转速进一步上升至450rpm时，球粒粒径有变大趋势，与350rpm相比平均粒径有所提高，均匀度有所下降。由此可见该颗粒制备系统存在最佳匹配转速，粒径均匀度与旋阑转速并非为简单的单调变化关系。
（二）基于气压制粒模型
定量气体脉冲进入密闭喷射腔后，对腔内液面产生大小为Pgas的气压，并与腔内液体压力Pliquid共同作用，从喷嘴处挤出流速为uj的液束。
经推导可得式微粒的体积为：
式中P0为大气压，dN为喷嘴直径，lN为喷射腔厚度，μ为液体粘度。
（三）气压模型预测值与实验结果比较
理论计算得到的VN是在一个正弦气体脉冲从喷嘴处挤出的液体总量。根据Rayleigh射流失稳理论，射流会断裂成均匀液滴。假设一个气体脉冲挤出的液体均匀断裂成N个液滴，N=1时即为射流没有发生断裂，如图3所示，与实验结果偏差较大。当N=10时，模型预测值与实际值较为吻合。但在实现更有效的机电控制和工业应用，本项目还有待进一步深入研究。
[参考文献]
[1]Schadler.V,Windhab E.J.,Continuous membrane emulsification by using a membrane system with controlled pore distance, Desalination,2006, 130-135
[2]张海庆.均匀颗粒成型法(UDS)原理及应用,天津冶金,2001, 99(1),39-40.
[3]Rayleigh,On the instabitlity of jets,Proceedings London Mathematic Society, 1879,10(4),4-13.
[4]何礼君,张少明,朱学新.均匀液滴喷射制备精密焊球,中国有色金属学报,2005,15,373-377
（作者单位：上海交通大学 上海）