一种微纳米气泡发生方法及微纳米气泡发生装置与流程

本发明涉及材料制备领域，具体而言，涉及一种微纳米气泡发生方法及微纳米气泡发生装置。

背景技术：

众所周知，材料的热传导方式主要有辐射、传导和对流三种。当气体存在于狭小孔隙时，特别是常温常压时，材料中小于65纳米的空隙，受到气体分子自由活动行程的限制，将不会产生气体对流传热，空隙尺度大于气体分子自由程时，材料内部空隙的导热系数与空气相当；则当一个材料内部均匀充斥微米或纳米空隙时，会对材料产生物理阻隔，形成微小界面，增长传导传热路径，减少传热截面，降低材料传热性能。所以存在于材料内气泡的大小体现材料不同的抗压、抗拉强度。

由于材料内的气体气泡的浮力和气泡体积大小成正比，气泡体积越小浮力越小，当气泡浮力小于气体与材料的摩擦阻力时，气泡稳定存在于材料之中，所以气泡的尺寸大小直接影响到材料的性质的好坏，而现目前的微纳米气泡发生器无法控制气泡尺寸大小，适用面窄。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种微纳米气泡发生方法，其旨在改善现有的方法无法制备可控气泡尺寸大小的材料的问题。

本发明的另一目的在于提供一种微纳米气泡发生装置，该装置能够在材料制备的过程中，通过控制进入材料气体的温度、气压以及尺寸改变材料内气泡尺寸的大小。

本发明提供一种技术方案：

一种微纳米气泡发生方法，包括向处于所述密闭环境的所述原材料通入预设尺寸、预设的第一温度且预设的第一气压的第一气泡，调节所述气泡的温度至第二温度，调节所述气泡的气压至第二气压，以制得具有目标尺寸的第二气泡。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述向处于密闭空间的原材料通入预设尺寸、预设的第一温度、预设的第一气压的第一气泡的步骤包括在通入预设的所述第一温度、预设的所述第一气压的气体，将所述气体制得预设尺寸的所述第一气泡。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述向处于密闭空间的原材料通入预设尺寸、预设的第一温度、预设的第一气压的第一气泡的步骤包括将所述气体经过尺寸控制系统，将所述气体制成预设尺寸的所述第一气泡，所述第一气泡通入所述原材料。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述向处于密闭空间的原材料通入预设尺寸、预设的第一温度、预设的第一气压的第一气泡的步骤包括所述尺寸控制系统包括微孔膜网，所述微孔膜网的孔径尺寸与所述第一气泡的预设尺寸相应。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述向处于密闭空间的原材料通入预设尺寸、预设的第一温度、预设的第一气压的第一气泡的步骤包括所述第一温度为T1、所述第一气压为P1、所述预设尺寸V1、所述第二温度为T2、所述第二气压为P2、所述目标尺寸V2其满足一下关系式：

P1*V1/T1＝P2*V2/T2

根据第二温度、第二气压、目标尺寸及预设尺寸，设定第一温度，计算得出第一气压或者设定第一气压，计算得出第一温度；

将所述气体调节至所述第一温度及第一气压。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述向处于密闭空间的原材料通入预设尺寸、预设的第一温度、预设的第一气压的第一气泡的步骤包括在向原材料通入第一气泡前，将所述密闭环境的气压调至第三气压，所述第三气压低于所述第一气压。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述调节所述气泡的温度至第二温度，调节所述气泡的气压至第二气压，以制得具有目标尺寸的第二气泡的步骤包括向所述密闭环境通入填充气体，以调节所述第一气泡的气压至第二气压。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，通入所述原材料的气体包括空气、氧气、氢气、二氧化碳、一氧化碳、氮气、惰性气体、有机气体、金属气化物及非金属气化物中的一种或者其中至少两种的混合气体。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述原材料是酸溶液的纯净物或混合物、碱溶液的纯净物或混合物、盐溶液的纯净物或混合物、金属熔融物、塑料熔融物、玻璃熔融物、水泥砂浆、纸浆、泥浆、高分子溶液或溶融物。

一种微纳米气泡发生装置，采用所述的微纳米气泡发生方法对原材料进行气泡发生，，所述微纳米气泡发生装置包括外壳容器、物料容器、尺寸控制系统以及气体控制系统；

所述外壳容器为密封容器，用于形成封闭的工作空间；

所述物料容器设置于所述外壳容器内，用于容纳待加工的原材料，所述物料容器的内部空腔与所述工作空间连通；

所述气体控制系统，用于将通入所述物料容器的气体调节至预设的第一温度和预设的第一气压；

所述尺寸控制系统，用于将已调节至预设的第一温度和预设的第一气压的气体分割成预设尺寸的第一气泡；

所述气体控制系统，还用于向经过加热的且处于密闭环境的原材料通入预设尺寸、预设的第一温度、预设的第一气压的第一气泡，调节所述第一气泡的温度至第二温度，调节所述第一气泡的气压至第二气压，以制得具有目标尺寸的第二气泡。

本发明提供的一种微纳米气泡发生方法及微纳米气泡发生装置的有益效果是：本发明提供的一种微纳米气泡发生方法包括置于密闭环境的原材料，向处于所述密闭环境的所述原材料通入预设尺寸、预设的第一温度且预设的第一气压的第一气泡，调节所述气泡的温度至第二温度，调节所述气泡的气压至第二气压，以制得具有目标尺寸的第二气泡。其能够制造具备可控气泡尺寸大小的材料，从而得到不同性能的材料。本发明提供一种微纳米气泡发生装置，通过气体控制系统中的气体温度控制模块控制进入气体的温度，同时通过气体控制系统中的气压控制模块控制进入气体的气压，并且通过尺寸控制系统控制气体进入的预算尺寸，从而控制所需材料中的气泡尺寸大小，进而控制所需材料的抗压、抗拉强度以及热传递性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的微纳米气泡发生装置结构示意图。

图2为本发明第一实施例提供的尺寸控制系统示意图。

图3为本发明第一实施例提供的气体控制系统的结构示意图。

图4为本发明第二实施例提供的微纳米气泡发生方法的流程图。

图标：100-微纳米气泡发生装置；110-外壳容器；111-第四温度计；113-第四压力计；114-工作空间；115-出气口；117-进气口；120-物料容器；130-物料搅拌系统；131-搅拌驱动件；133-搅拌器；140-压差控制系统；141-出气管；143-减压泵；145-第一控压阀门；147-第二控压阀门；149-第三压力计；150-尺寸控制系统；160-气体控制系统；161-进气管；163-气体温度控制模块；165-气压控制模块；1631-气体加热器；1633-第一温度计；1635-第二温度计；1651-气源件；1653-第一压力计；1655-第二压力计；1657-第一气体阀门；1659-第二气体阀门；170-物料进出系统；171-物料进出管；173-物料阀门。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“设有”、“相通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

图1为本发明第一实施例提供的微纳米气泡发生装置100结构示意图。微纳米气泡发生装置100主要应用于制备各种需要充填气泡的材料，例如非金属材料、高分子树脂材料、金属材料以及合金材料等等，使其能得到微米或纳米级的气泡，从而使制成的材料具有轻质、高强、隔热以及节能环保等性能。

请参阅图1，本发明第一实施例提供的微纳米气泡发生装置100包括外壳容器110、物料容器120、尺寸控制系统150、气体控制系统160、物料进出系统170、压差控制系统140以及物料搅拌系统130。物料容器120设置于外壳容器110内，物料进出系统170与物料容器120固定连接并伸出外壳容器110外，物料容器120通过尺寸控制系统150与气体控制系统160连接，压差控制系统140与外壳容器110固定连接。

本实施例中，外壳容器110为中空的密封容器，用于形成封闭的工作空间114，外壳容器110外壁上设置有进气口117、出气口115、第四压力计113以及第四温度计111，第四压力计113的压力探头伸入外壳容器110内，用于测量工作空间114的压力值，即第三压力，第四温度计111的测温探头伸入外壳容器110内，用于测量工作空间114的温度值。

本实施例中，物料容器120为上有开口的中空容器，物料容器120的内部空腔与工作空间114连通，物料容器120用于容纳待加工的物料。

本实施例中，物料进出系统170包括物料进出管171和物料阀门173，用于控制物料的进出；物料进出管171的一端与物料容器120固定连接，另一端伸出外壳容器110外，物料阀门173设置于物料进出管171伸出外壳容器110的一端。

物料搅拌系统130包括搅拌器133和搅拌驱动件131。搅拌驱动件131与搅拌器133连接，搅拌器133设置于物料容器120内，搅拌驱动件131设置于外壳容器110外，物料搅拌系统130用于使气体均匀填充于物料中。

压差控制系统140包括出气管141、减压泵143、第一控压阀门145、第二控压阀门147以及第三压力计149。出气管141的一端与外壳容器110固定连接，减压泵143、第三压力计149、第一控压阀门145和所述第二控压阀门147均与出气管141连接；第一控压阀门145设置于外壳容器110和减压泵143之间，第二控压阀门147位于减压泵143远离第一控压阀门145的一侧，第三压力计149设置于外壳容器110与第一控压阀门145之间。压差控制系统140通过减压泵143控制工作空间114的气压，第三压力计149用于测量出气管141中的气体压力值。

在本实施例中，尺寸控制系统150设置于物料容器120底壁上，与气体控制系统160连接。请参阅图2，尺寸控制系统150包括微孔膜网，微孔膜网上设置有多个微小孔(图未示)，该微小孔的孔径大小为制备材料时的预设尺寸。微孔膜网用于将通入物料的气体分隔为预设尺寸的气泡，从而控制进入物料气体的气泡尺寸大小。

请参阅图3，在本实施例中，气体控制系统160包括进气管161、气体温度控制模块163以及气压控制模块165。进气管161的一端与尺寸控制系统150连接，用于向物料通入气体。气体温度控制模块163以及气压控制模块165均与进气管161连接。气体控制系统160通过气体温度控制模块163控制进入物料的气体温度，通过气压控制模块165控制进入物料的气体气压。

气压控制模块165包括气源件1651、第一压力计1653、第二压力计1655、第一气体阀门1657和第二气体阀门1659。气源件1651、第一压力计1653、第二压力计1655、第一气体阀门1657和第二气体阀门1659分别与进气管161连接；其中气源件1651连接于所述进气管161远离所述尺寸控制系统150的一端，用于提供通入物料中的气体；第一压力计1653设置于第一气体阀门1657与第二气体阀门1659之间，用于测量气源件1651出来的气体压力；第二压力计1655设置于第一气体阀门1657远离第二气体阀门1659的一侧，用于测量进入物料中气体的压力，即第一气压。

气体温度控制模块163包括气体加热器1631，第一温度计1633和第二温度计1635。气体加热器1631，第一温度计1633以及第二温度计1635分别与进气管161连接；气体加热器1631设置于第一压力计1653与第二气体阀门1659之间，用于增加通入物料中的气体温度；第一温度计1633设置于第一压力计1653与第一气体阀门1657之间，加热之后气体的温度；第二温度计1635设置于第二压力计1655远离第一压力计1653的一侧，用于测量通入物料中气体的温度，即第一温度。

本实施例提供的微纳米气泡发生装置100的工作原理：根据理想气体状态方程：PV＝nRT；P1V1/T1＝P2V2/T2；V2＝P1V1T2/T1P2,其中P1为进入物料的气体的预设第一气压，T1为进入物料的气体的预设第一温度，V1为气泡的预设尺寸，T2为进入物料的气体的预设第二温度，P2为进入物料的气体的预设第二气压，V2为气泡的目标尺寸。由以上公式可知，以P1、T1条件充入的V1尺寸的气泡，调节到P2，T2条件时，得到V2尺寸的气泡，气泡体积尺度将随气压和温度的变化将会产生变化。

本实施例中，举例说明充入的气体为空气，但不限于此，充入的气体可以为氮气、混合气体以及有机气体等等。

综上所述，本实施例提供的微纳米气泡发生装置100，通过气体控制系统160中的气体温度控制模块163控制进入气体的温度；同时，通过气体控制系统160中的气压控制模块165控制进入气体的气压，并且通过尺寸控制系统150控制气体进入的预设尺寸。从而控制所需材料中的气泡尺寸大小，进而控制所需材料的轻质、高强、隔热以及节能环保的性能。

需要说明的是，本实施例中，气体温度控制模块163和气压控制模块165可以串联使用，但不仅限于此，气体温度控制模块163和气压控制模块165可单独使用。

还需要说明的是，上述中的固定连接可以为一体成型也可以为分体进行焊接而成。

实施例二

请参阅图4，本实施例提供了一种不需要加热材料的微纳米气泡发生方法，在本实施例中，结合实施例一中的微纳米气泡发生装置100介绍一种不需要加热材料的微纳米气泡发生方法。

具体工作过程如下：

步骤S201，将打开物料进出系统170，在物料容器120内充入待制备的原材料，关闭物料进出系统170，使外壳容器110形成一个封闭的工作空间114。

步骤S202，计算出第一温度T1与第一气压P1。

第一温度为T1，第一气压为P1，预设尺寸为V1，第二温度为T2，第二气压为P2，预设尺寸V2，其满足以下关系式：P1*V1/T1＝P2*V2/T2。根据第二温度T2、第二气压P2、预设尺寸V2及目标尺寸V1，计算得到第一温度T1与第一气压P1之间的关系。通过设定第一温度T1，计算得出第一气压P1，或者，设定第一气压P1，计算得出第一温度T1。

步骤S203，调节密闭环境的气压至P3。

通过压差控制系统140调节外壳容器110内密闭环境的气压至第三气压P3，第三气压P3小于第一气压P1，开启物料搅拌系统130。

步骤S204，调节气体的温度为第一温度T1，气压为第一气压P1。

保持密闭环境的气压为第三气压P3，调节气体的温度和气压。通过第一温度计1633和第一压力计1653分别检测气体的温度和压力，直至气体温度和气压分别为第一温度T1和第一气压P1。

步骤S205，将带有第一温度T1和第一气压P1的气体通过尺寸控制系统150得到预设尺寸V1的第一气泡。

步骤S206，将第一气泡充入原材料中，继续搅拌气泡慢慢达到充填量至充分均匀。

步骤S207，调节第一气泡的温度至第二温度T2及第二气压P2。

调节外壳容器110内的第三气压P3，并通过第四压力计113进行检测，直至外壳容器110内调节至预设的第二气压P2。调节外壳容器110内的温度，并通过第四温度计111进行检测，直至外壳容器110内的温度调节至第二温度T2。从而第一气泡的温度和气压分别达到第二温度T2、第二气压P2。

步骤S208，得到目标尺寸为V2的第二气泡。

物料中的气泡达到第二气压P2和第二温度T2，气泡的尺寸发生相应的变化，得到目标尺寸V2。从而得到充填均匀目标尺寸V2气泡的材料，使其具有不同的材料性能。

本实施例中，设定第二温度T2为常温(例如25℃)，第二气压P2为常压(例如一个标准大气压)，使得最终制备的材料能够在常温常压下使用。通过气体温度控制模块163调节第一温度T1，气压控制模块165调节第一气压P1，尺寸控制系统150调节预设尺寸V1，同时通过压差控制系统140将工作空间114内的第三气压调至小于第一气压P1，使工作空间114内始终保持负压状态，使带有第一温度T1和第一气压P1的气体，通过尺寸控制系统150分隔成为预设尺寸V1的气泡能顺利进入物料中。待温度达到第二温度T2以及气压达到第二气压P2时，物料中的气泡尺寸从预设尺寸V1改变为目标尺寸V2。

需要说明地是，在本实施例中，充入的气体为空气、氮气、混合气体以及有机气体其中的一种或者两种以上的混合物。但不限于此，充入的气体可以为氮气、混合气体以及有机气体等等。能到本实施例的效果，也在本发明的保护范围内。

在本实施例中，原材料可以是酸溶液的纯净物或混合物、是碱溶液的纯净物或混合物、盐溶液的纯净物或混合物，但是不仅仅限于此，能到本实施例的效果，也在本发明的保护范围内。

例如：在25℃，50Pa压力下通过微孔膜网网孔直径0.5微米进气口向物料容器120内装有1％浓度聚乙二醇水溶液，并向该溶液内注入直径0.5微米的空气泡，在注入空气同时搅拌，注气完成搅拌均匀后，进气恢复到25℃和一个标准大气压下时，得到的气泡目标尺寸：

计算如下：P1＝50Pa

T1＝273+25＝298K

V1＝4/3*∏r3＝4/3*3.14*0.253＝0.065立方微米(微孔膜网网孔直径0.5微米，分隔成直径为0.5微米的空气泡。)

P2＝101300Pa

T2＝273+25＝298K

V2＝P1V1T2/T1P2＝50*0.065*298/(298*101300)＝0.000032立方微米

R3＝0.000032*0.75/3.14＝0.0000076立方微米

r＝0.02微米；D＝r*2＝0.04微米，即40纳米。

本实施例优选使用1％浓度聚乙二醇水溶液，是因为聚乙二醇粘度越大，气泡保持在液体中的稳定性越好。

本实施例中，举例说明充入的气体为空气，但不限于此，充入的气体可以为氮气、混合气体以及有机气体等等。

综上所述，本实施例提供的微纳米气泡发生方法本实施例提供的微纳米气泡发生方法，通过向处于密闭环境的原材料通入预设尺寸为V1、预设的第一温度T1、预设的第一气压P1的第一气泡，调节第一气泡的温度至第二温度T2，调节第一气泡的气压至第二气压P2，以制得具有目标尺寸的第二气泡。从而，控制所需材料中的气泡尺寸大小，进而控制所需材料的轻质、高强、隔热以及节能环保的性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。