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                                              剪切式均質機的結構與理論研究

                                              剪切式均質技術作為一種新型微米技術, 已廣泛應用于食品、醫藥、輕化、微生物等諸多行業, 并得到迅速發展, 已成為這些行業中對有關流體、半流體產品提高產品品質所必不可少的工藝過程。但由于剪切式均質機均質過程的復雜性和物料的流變多樣性, 使得對剪切式均質機理和原理的研究很困難, **內外相關文獻也比較少。 為此, 筆者從剪切式均質機的**內外現狀、機理與原理、**結構及其發展等方面進行詳述。
                                              1 **內外研究現狀
                                               
                                              隨著人們對均質乳化作用的不斷認識和研究, 均質技術得到了迅猛的發展,相應地出現了多種不同形式的均質機,其中典型的有高壓均質機、離心式均質
                                               
                                              機 、膠體磨、超聲波均質機和剪切式均質
                                               
                                              機 。它們已在食品、制藥、化妝品等行業
                                               
                                              中得到廣泛應用, 不同形式均質機的使用范圍有所不同, 我們可以根據物料的濃度、粘度等特性的不同, 選擇相應的均質設備。 高壓均質機、離心式均質機、超聲波均質機由于其結構復雜、成本高、能耗大、維修不方便等缺點, 使得它們的應用有一定的局限性。 近年來, 剪切式均質機, 又稱高剪切均質泵[ 1] , 以其獨特的剪切分散機理和低成本、超細化、高質量、高效率等優點在眾多的工業**域中得到普遍應用, 并在某些**域逐漸地替代傳統的均質機。
                                              1.1 **外研究現狀
                                               
                                              **外早在 30 年代就生產并使用均質機且應用于工業生產。 目前, 已有美**、日本、德**等 10 多個**家生產均質機。剪切式均質機作為均質機械中的佼佼者, 也被廣泛地認識和研究。 自從1948 年德** F LU KO 公司****了應用高剪切原理制成分散乳化設備, 高剪切分散乳化設備已經出現了多種系列產品, 在**均質機械行業處于**地位。 近 40 年來, **外, 特別是歐洲一些**家在高剪切分散均質機行業得到迅速發展, 并在很多**域發揮著重大作用, 如化妝品、制藥、食品、涂料、粘合劑等。 **外所研制的剪切式均質設備基本上是采用定 -轉子型結構作為均質頭, 在電機
                                               
                                              的高速驅動下(3 000 ~ 10 000 r/min),
                                               
                                              物料在轉子與定子之間的間隙內高速運動, 形成強烈的液力剪切和湍流, 使物料在同時產生的離心、擠壓、碰撞等綜合作用力的協調作用下[ 2] , 得到充分的分散、乳化、破碎, 達到要求的效果。 美**和德**在剪切式均質機的研究和開發方面都取得了顯著進展。 如美** IKA -
                                               
                                              W ERK E G MHB CO .KG 生產的多系列分散均質設備;美** RO SS 公司研制的高剪切混合乳化機;德** IK A -
                                              M ASCHIN ENBA U 公司研制的 U LT RA
                                               
                                              分散機;德** YST RA L 公司生產的 X40 型分散攪拌機;德** F LU KO 公司研制的系列高剪切分散乳化機、管線式高剪切分散乳化機、管式分散乳化機、間歇式高剪切與間歇式無軸承分散乳化機、高效強力分散乳化機等**高科技產品。
                                              1.2 **內研究現狀
                                               
                                              我**的均質機研制并生產是從 50 年代個別廠家開始的, **早是上海煙草機械廠仿制美**產品, 直到 80 年代才開始逐漸地生產均質機, 而且大多是傳統的高壓均質設備。 隨著**外剪切式均質機的迅速發展, 近年來, **內許多科研人員、制造和使用廠家也開始重視對剪切式均質機的研制工作。 目前, 已建立了與**外廠商聯營、合資研制生產剪式均設備總廠、上海威宇機電制造有限公司、上海市化工裝備研究所生產的集混合、分散、乳化、溶解、粉碎等功能為一體的系列剪切式均質機, 但由于缺乏對均質理論的深入探討和理論分析、研究, 使得設計的產品與**際先進產品的差距較大。
                                              2 理論研究
                                               
                                              2.1 均質乳化的機理
                                               
                                              物料(液體物料)分散系中分散相顆?;蛞旱纹扑榈闹苯釉蚴鞘艿郊羟辛蛪毫?粘性力和慣性力)的作用[ 3] 。 引起剪切力和壓力作用的剪切力和壓力在不同的均質設備中有差別, 能引起剪切力和壓力作用的具體流體力學效應主要有層流效應、湍流效應和空穴效應。 層
                                               
                                              流(Laminar flow)效應會引起分散相顆?;蛞旱问艿郊羟泻屠L;湍流(T urbu-lent flow)效應是在壓力波動作用下引起分散相顆?;蛞旱蔚碾S意變形;氣穴 (Air pocket)效應是形成的小氣泡受到的破碎產生沖擊波, 引起劇烈攪動。
                                              2.2 剪切式均質機的工作原理
                                               
                                               
                                               
                                               
                                               
                                               
                                               
                                               
                                               
                                              圖 1  定—轉子剪切式均質機原理圖
                                               
                                              剪切式均質機的主要工作原理是通
                                               
                                              過機械作用迫使混合料液以很大的速度通過十分窄的間隙, 在流體力學效應的作用下 , 產生很大的剪切作用, 而使分散相顆?;蛞旱纹扑? 達到均質乳化目的[ 4] 。 **常用的剪切均質乳化設備是定min[ 5] 。
                                               
                                              如圖 1 所示定—轉子剪切式均質機均質原理圖。 物料從均質機內部空腔(a)處流進高剪切區(b), 此時將會使物料受到剪切、拉長(Elongation)。 一旦在高剪切區(b)處的流體近于單一型剪切,與此同時, 在(c)區流體將會繼續受到剪切、拉長。 很明顯, 剪切和拉長同時發生的區域可以運用流體相似性來研究定—轉子間流體運動情況[ 6] 。 定子 S 、轉子 R , 定—轉子之間間隙為 h, 轉子旋轉轉速為 v , 剪切速率 Y﹒(即速度梯度或剪切速率), 假設物料在層流情況下流動, 反映層流效應, 根據牛頓粘性定律可得[ 7] :
                                               
                                              ﹒Y = u   (1)
                                              h
                                                 
                                              流體內所受剪切力ι可用(2)式表
                                              示:  
                                              ι=η·Y﹒ (2)
                                              式中:ι—剪切應力(pa)  
                                               
                                              η—粘度(pa·s)
                                               
                                              由(1)(2)式可得到牛頓流體所受的
                                               
                                              剪切應力ι:  
                                              ηv (3)
                                              ι=h
                                              從式(3)中可知:流體受到剪切應力隨著混合物粘度η的增加和轉子速度 v 的增加及定—轉子間間隙的減小而增大。對于非牛頓型流體, 由于流動的復雜多變性, 使得混合物所受的剪應力 ι 與由剪切力產生的剪切速率 Y﹒ 之間關系比較復雜, 一般使用表觀粘度ηa :


                                              如圖 5 所示剪切式均質機定子結構示意圖。(a)圓孔型:適合于高粘度物料的循環分散乳化;(b)網孔型:適用于低粘度精細乳液的制備及微小顆粒在液體中的迅速分散、細化;(c)開槽式長方孔型:適用于中高粘度物料的迅速分散、乳化;(d)長孔型:適用于中等或偏高粘度的物料混合分散;(e)傾斜長孔型:適用于含固形物料液的均質, 還可以根據粘度的大小改變長孔的傾斜角度。
                                               
                                              如圖 6 所示剪切式均質機轉子結構示意圖。(a)三葉槳式:適用于各種粘度的物料, 可根據不同物料選取[ 10] ;(b)梳狀:適用于各種粘度的物料, 可根據物料粘度的大小調節梳狀條之間距離;(c)蝸輪式:適用于各種粘度的物料, 可以根據物料粘度的不同設計滿足不同粘度要求的蝸輪式轉子。
                                               
                                              定子和轉子的結構有多種不同的形式, 剪切式均質機配有多種不同的定—轉子均質頭, 而且有單層與多層和單級與多級定—轉子之分。定子、轉子間間隙 h 的大小是保證這一空間的速度場和剪切力場的**因素[ 11] 。 這些結構和主要參數的具體選取, 對物料均質過程中均質機理所
                                               
                                              起的作用有什么不同、存在著什么關系, 目前一般是通過不斷地實驗進行檢測、研制、開發或者運用假設進行機理分析、探討, 導出剪切式均質的判斷數據, 然后進行改進、研制出高效的均質機。
                                              4 發展
                                               
                                              剪切式均質機的發展歷史并不長,自從 80 年代初歐美、日本等發達工業**家才廣泛使用高剪切乳化設備[ 12] 。 由于剪切式均質機具有其獨特的高剪切均質機理, 以及均質粒度小(可達 1 um 以下)、穩定性好、能耗低、對材質無特殊要求等特點, 在眾多工業**域發揮著它的優越性, 并在近 20 年內, 得到迅猛發展。目前, 剪切式均質機發展的**技術在于對幾何要素、性能參數和流體動力學參數變化的研究, 并在理論上從流體力學、流體動力學、熱力學等學科出發 , 進行系統研究, 分析均質過程中流體的壓力場、速度場和溫度場, 探討流體所受的剪切和壓力作用, 得出相關理論, 進而推動剪切式均質機的發展。 另外, 還應該研制出形式多樣的剪切式均質機系列,以滿足社會不同**域的廣泛需求。
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