一種微納米氣泡發生裝置及用途的制作方法

本發明涉及材料制備領域，具體而言，涉及具有微米或納米氣泡的材料制備領域。

背景技術：

眾所周知，材料的熱傳導方式主要有輻射、傳導和對流三種。當氣體存在于狹小孔隙時，特別是常溫常壓時，材料中小于65納米的空隙，受到氣體分子自由活動行程的限制，將不會產生氣體對流傳熱，空隙尺度大于氣體分子自由程時，材料內部空隙的導熱系數與空氣相當；則當一個材料內部均勻充斥微米或納米空隙時，會對材料產生物理阻隔，形成微小界面，增長傳導傳熱路徑，減少傳熱截面，降低材料傳熱性能。所以存在于材料內氣泡的大小體現材料不同的抗壓、抗拉強度。

由于材料內的氣體氣泡的浮力和氣泡體積大小成正比，氣泡體積越小浮力越小，當氣泡浮力小于氣體與材料的摩擦阻力時，氣泡穩定存在于材料之中，所以氣泡的尺寸大小直接影響到材料的性質的好壞，而現目前的微納米氣泡發生器無法控制氣泡尺寸大小，適用面窄。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種微納米氣泡發生裝置，該裝置能夠在材料制備的過程中，通過控制進入材料氣體的溫度、氣壓以及尺寸改變材料內氣泡尺寸的大小；同時提供一種微納米氣泡發生裝置的用途，用于制備不同性能的材料。

本發明的實施例是這樣實現的：

一種微納米氣泡發生裝置，包括外殼容器、物料容器、尺寸控制系統以及氣體控制系統；

所述外殼容器為密封容器，用于形成封閉的工作空間；

所述物料容器設置于所述外殼容器內，用于容納待加工的物料，所述物料容器的內部空腔與所述工作空間連通；

所述氣體控制系統包括進氣管、氣體溫度控制模塊和氣壓控制模塊；所述進氣管伸入所述外殼容器內并與所述物料容器連接，用于向所述物料容器通入氣體；所述氣體溫度控制模塊與所述進氣管連接，并控制通入至所述物料容器的氣體的溫度；所述氣壓控制模塊與所述進氣管連接，并控制通入所述物料容器的氣體的氣壓；

所述尺寸控制系統分別與所述物料容器和所述進氣管連接，用于將通入所述物料容器的氣體分隔為預設尺寸的氣泡。

進一步地，在本發明較佳實施例中，所述尺寸控制系統包括微孔膜網，所述微孔膜網連接于所述物料容器，所述物料容器通過所述微孔膜網與所述進氣管連通。

進一步地，在本發明較佳實施例中，所述氣體溫度控制模塊包括氣體加熱器和第一溫度計，所述氣體加熱器和所述第一溫度計均設置于所述進氣管上，所述第一溫度計設置于所述氣體加熱器與所述外殼容器之間，所述氣體加熱器用于加熱通入所述物料容器的氣體，所述第一溫度計用于測量通入所述物料容器的氣體加熱后溫度。

進一步地，在本發明較佳實施例中，所述氣壓控制模塊包括氣源件、第一壓力計和第一氣體閥門，所述氣源件連接于所述進氣管遠離所述物料容器的一端，所述氣體加熱器設置于所述物料容器與所述氣源件之間，所述第一壓力計和所述第一氣體閥門均設置于所述進氣管上，所述第一氣體閥門設置于所述外殼容器與所述氣體加熱器之間，所述第一壓力計設置于所述第一氣體閥門與氣體加熱器之間，所述氣源件用于提供通入所述物料容器的氣體，所述第一壓力計用于測量通入所述物料容器的氣體的氣壓。

進一步地，在本發明較佳實施例中，所述氣壓控制模塊還包括第二壓力計和第二氣體閥門，所述第二壓力計和所述第二氣體閥門均設置于所述進氣管上，所述第二壓力計設置于所述第一氣體閥門與所述外殼容器之間，所述第二氣體閥門設置于所述氣體加熱器與所述氣源件之間。

進一步地，在本發明較佳實施例中，所述微納米氣泡發生裝置還包括壓差控制系統，所述壓差控制系統與所述外殼容器連接，并與所述工作空間連通，用于控制所述工作空間的氣壓。

進一步地，在本發明較佳實施例中，所述壓差控制系統包括出氣管、減壓泵、第一控壓閥門、第二控壓閥門以及第三壓力計，所述出氣管的一端與所述外殼容器連接，所述減壓泵設置于所述出氣管上，所述第一控壓閥門與所述第二控壓閥門均設置于所述出氣管上，所述第一控壓閥門設置于所述外殼容器和所述減壓泵之間，所述第二控壓閥門位于所述減壓泵遠離所述第一控壓閥門的一側。

進一步地，在本發明較佳實施例中，所述微納米氣泡發生裝置還包括物料攪拌系統，所述物料攪拌系統包括攪拌器和攪拌驅動件，所述攪拌器與所述攪拌驅動件連接，所述攪拌器設置于所述物料容器內。

進一步地，在本發明較佳實施例中，所述微納米氣泡發生裝置還包括物料溫度控制系統，所述物料溫度控制組件包括物料加熱器和第三溫度計，所述物料加熱器設置于所述物料容器內，所述第三溫度計與所述物料容器連接，用于測量物料加熱溫度。

一種微納米氣泡發生裝置的用途，所述微納米氣泡發生裝置包括外殼容器、物料容器、尺寸控制系統以及氣體控制系統；所述外殼容器為密封容器，用于形成封閉的工作空間；所述物料容器設置于所述外殼容器內，用于容納待加工的物料，所述物料容器的內部空腔與所述工作空間連通；所述氣體控制系統包括進氣管、氣體溫度控制模塊和氣壓控制模塊；所述進氣管伸入所述外殼容器內并與所述物料容器連接，用于向所述物料容器通入氣體；所述氣體溫度控制模塊與所述進氣管連接，并控制通入至所述物料容器的氣體的溫度；所述氣壓控制模塊與所述進氣管連接，并控制通入所述物料容器的氣體的氣壓；所述微納米氣泡發生裝置用于制備具有氣泡孔洞的材料。

本發明實施例的有益效果是：本發明提供一種微納米氣泡發生裝置，通過氣體控制系統中的氣體溫度控制模塊控制進入氣體的溫度，同時通過氣體控制系統中的氣壓控制模塊控制進入氣體的氣壓，并且通過尺寸控制系統控制氣體進入的預算尺寸，從而控制所需材料中的氣泡尺寸大小，進而控制所需材料的抗壓、抗拉強度以及熱傳遞性能。同時本發明還提供一種微納米氣泡發生裝置的用途，其能夠制造具備可控氣泡尺寸大小的材料，從而得到不同性能的材料。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明第一實施例提供的微納米氣泡發生裝置結構示意圖。

圖2為本發明第一實施例提供的尺寸控制系統示意圖。

圖3為本發明第一實施例提供的氣體控制系統的結構示意圖。

圖4為本發明第二實施例提供的微納米氣泡發生裝置結構示意圖。

圖標：100、200-微納米氣泡發生裝置；110-外殼容器；111-第四溫度計；113-第四壓力計；114-工作空間；115-出氣口；117-進氣口；120-物料容器；130-物料攪拌系統；131-攪拌驅動件；133-攪拌器；140-壓差控制系統；141-出氣管；143-減壓泵；145-第一控壓閥門；147-第二控壓閥門；149-第三壓力計；150-尺寸控制系統；160-氣體控制系統；161-進氣管；163-氣體溫度控制模塊；165-氣壓控制模塊；1631-氣體加熱器；1633-第一溫度計；1635-第二溫度計；1651-氣源件；1653-第一壓力計；1655-第二壓力計；1657-第一氣體閥門；1659-第二氣體閥門；170-物料進出系統；171-物料進出管；173-物料閥門；210-物料溫度控制系統；211-第三溫度計；213-物料加熱器。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“上”、“下”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，或者是本領域技術人員慣常理解的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的設備或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

此外，術語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等僅用于區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“設置”、“設有”、“連接”、“相通”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

下面結合附圖，對本發明的一些實施方式作詳細說明，在不沖突的情況下，下述的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

第一實施例

圖1為本發明第一實施例提供的微納米氣泡發生裝置100結構示意圖。微納米氣泡發生裝置100主要應用于制備各種需要充填氣泡的材料，例如非金屬材料、高分子樹脂材料、金屬材料以及合金材料等等，使其能得到微米或納米級的氣泡，從而使制成的材料具有輕質、高強、隔熱以及節能環保等性能。

請參閱圖1，本發明第一實施例提供的微納米氣泡發生裝置100包括外殼容器110、物料容器120、尺寸控制系統150、氣體控制系統160、物料進出系統170、壓差控制系統140以及物料攪拌系統130。物料容器120設置于外殼容器110內，物料進出系統170與物料容器120固定連接并伸出外殼容器110外，物料容器120通過尺寸控制系統150與氣體控制系統160連接，壓差控制系統140與外殼容器110固定連接。

本實施例中，外殼容器110為中空的密封容器，用于形成封閉的工作空間114，外殼容器110外壁上設置有進氣口117、出氣口115、第四壓力計113以及第四溫度計111，第四壓力計113的壓力探頭伸入外殼容器110內，用于測量工作空間114的壓力值，即第三壓力，第四溫度計111的測溫探頭伸入外殼容器110內，用于測量工作空間114的溫度值。

本實施例中，物料容器120為上有開口的中空容器，物料容器120的內部空腔與工作空間114連通，物料容器120用于容納待加工的物料。

本實施例中，物料進出系統170包括物料進出管171和物料閥門173，用于控制物料的進出；物料進出管171的一端與物料容器120固定連接，另一端伸出外殼容器110外，物料閥門173設置于物料進出管171伸出外殼容器110的一端。

物料攪拌系統130包括攪拌器133和攪拌驅動件131。攪拌驅動件131與攪拌器133連接，攪拌器133設置于物料容器120內，攪拌驅動件131設置于外殼容器110外，物料攪拌系統130用于使氣體均勻填充于物料中。

壓差控制系統140包括出氣管141、減壓泵143、第一控壓閥門145、第二控壓閥門147以及第三壓力計149。出氣管141的一端與外殼容器110固定連接，減壓泵143、第三壓力計149、第一控壓閥門145和所述第二控壓閥門147均與出氣管141連接；第一控壓閥門145設置于外殼容器110和減壓泵143之間，第二控壓閥門147位于減壓泵143遠離第一控壓閥門145的一側，第三壓力計149設置于外殼容器110與第一控壓閥門145之間。壓差控制系統140通過減壓泵143控制工作空間114的氣壓，第三壓力計149用于測量出氣管141中的氣體壓力值。

在本實施例中，尺寸控制系統150設置于物料容器120底壁上，與氣體控制系統160連接。請參閱圖2，尺寸控制系統150包括微孔膜網，微孔膜網上設置有多個微小孔(圖未示)，該微小孔的孔徑大小為制備材料時的預設尺寸。微孔膜網用于將通入物料的氣體分隔為預設尺寸的氣泡，從而控制進入物料氣體的氣泡尺寸大小。

請參閱圖3，在本實施例中，氣體控制系統160包括進氣管161、氣體溫度控制模塊163以及氣壓控制模塊165。進氣管161的一端與尺寸控制系統150連接，用于向物料通入氣體。氣體溫度控制模塊163以及氣壓控制模塊165均與進氣管161連接。氣體控制系統160通過氣體溫度控制模塊163控制進入物料的氣體溫度，通過氣壓控制模塊165控制進入物料的氣體氣壓。

氣壓控制模塊165包括氣源件1651、第一壓力計1653、第二壓力計1655、第一氣體閥門1657和第二氣體閥門1659。氣源件1651、第一壓力計1653、第二壓力計1655、第一氣體閥門1657和第二氣體閥門1659分別與進氣管161連接；其中氣源件1651連接于所述進氣管161遠離所述尺寸控制系統150的一端，用于提供通入物料中的氣體；第一壓力計1653設置于第一氣體閥門1657與第二氣體閥門1659之間，用于測量氣源件1651出來的氣體壓力；第二壓力計1655設置于第一氣體閥門1657遠離第二氣體閥門1659的一側，用于測量進入物料中氣體的壓力，即第一氣壓。

氣體溫度控制模塊163包括氣體加熱器1631，第一溫度計1633和第二溫度計1635。氣體加熱器1631，第一溫度計1633以及第二溫度計1635分別與進氣管161連接；氣體加熱器1631設置于第一壓力計1653與第二氣體閥門1659之間，用于增加通入物料中的氣體溫度；第一溫度計1633設置于第一壓力計1653與第一氣體閥門1657之間，加熱之后氣體的溫度；第二溫度計1635設置于第二壓力計1655遠離第一壓力計1653的一側，用于測量通入物料中氣體的溫度，即第一溫度。

本實施例提供的微納米氣泡發生裝置100的工作原理：根據理想氣體狀態方程：PV＝nRT；P1V1/T1＝P2V2/T2；V2＝P1V1T2/T1P2,其中P1為進入物料的氣體的預設第一氣壓，T1為進入物料的氣體的預設第一溫度，V1為氣泡的預設尺寸，T2為進入物料的氣體的預設第二溫度，P2為進入物料的氣體的預設第二氣壓，V2為氣泡的目標尺寸。由以上公式可知，以P1、T1條件充入的V1尺寸的氣泡，調節到P2，T2條件時，得到V2尺寸的氣泡，氣泡體積尺度將隨氣壓和溫度的變化將會產生變化。

以下以不需要加熱材料為例，具體介紹該微納米氣泡發生裝置100的工作過程，具體工作過程如下：首先將打開物料進出系統170，在物料容器120內充入將要制備含有微米或納米氣泡的物料，關閉物料進出系統170，使外殼容器110形成一個密閉空間；按照計算出的第一溫度T1與第一壓力P1，通過壓差控制系統140改變外殼容器110內的第三氣壓，當第三氣壓達到預設值后，開啟物料攪拌系統130，接著在保持該壓力狀態下開啟氣體控制系統160，使帶有第一溫度T1和第一氣壓P1的氣體通過尺寸控制系統150得到預設尺寸V1的氣泡并充入物料中，隨著繼續攪拌，氣泡慢慢達到充填量至充分均勻。待外殼容器110內的第三氣壓調節到預設的第二氣壓P2，溫度調節至預設的第二溫度T2，此時物料中的氣泡達到第二氣壓P2和第二溫度T2，氣泡的尺寸發生相應的變化，得到目標尺寸V2。從而得到充填均勻目標尺寸V2氣泡的材料，使其具有不同的材料性能。

本實施例中，設定第二溫度T2為常溫(例如25℃)，第二氣壓P2為常壓(例如一個標準大氣壓)，使得最終制備的材料能夠在常溫常壓下使用。通過氣體溫度控制模塊163調節第一溫度T1，氣壓控制模塊165調節第一氣壓P1，尺寸控制系統150調節預設尺寸V1，同時通過壓差控制系統140將工作空間114內的第三氣壓調至小于第一氣壓P1，使工作空間114內始終保持負壓狀態，使帶有第一溫度T1和第一氣壓P1的氣體，通過尺寸控制系統150分隔成為預設尺寸V1的氣泡能順利進入物料中。待溫度達到第二溫度T2以及氣壓達到第二氣壓P2時，物料中的氣泡尺寸從預設尺寸V1改變為目標尺寸V2。

例如：在25℃，50Pa壓力下通過微孔膜網網孔直徑0.5微米進氣網口向容器內裝有1％濃度聚乙二醇水溶液，并向該溶液內注入直徑0.5微米的空氣泡，在注入空氣同時攪拌，注氣完成攪拌均勻后，進氣恢復到25℃和一個標準大氣壓下時，得到的氣泡目標尺寸：

計算如下：P1＝50Pa

T1＝273+25＝298K

V1＝4/3*∏r3＝4/3*3.14*0.253＝0.065立方微米(微孔膜網網孔直徑0.5微米，分隔成直徑為0.5微米的空氣泡。)

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納米

本實施例優選使用1％濃度聚乙二醇水溶液，是因為聚乙二醇粘度越大，氣泡保持在液體中的穩定性越好。

本實施例中，舉例說明充入的氣體為空氣，但不限于此，充入的氣體可以為氮氣、混合氣體以及有機氣體等等。

綜上所述，本實施例提供的微納米氣泡發生裝置100，通過氣體控制系統160中的氣體溫度控制模塊163控制進入氣體的溫度，同時通過氣體控制系統160中的氣壓控制模塊165控制進入氣體的氣壓，并且通過尺寸控制系統150控制氣體進入的預設尺寸，從而控制所需材料中的氣泡尺寸大小，進而控制所需材料的輕質、高強、隔熱以及節能環保的性能。

需要說明的是，本實施例中，氣體溫度控制模塊163和氣壓控制模塊165可以串聯使用，但不僅限于此，氣體溫度控制模塊163和氣壓控制模塊165可單獨使用。

還需要說明的是，上述中的固定連接可以為一體成型也可以為分體進行焊接而成。

第二實施例

圖4為本發明第二實施例微納米氣泡發生裝置200結構示意圖。本實施例提供的微納米氣泡發生裝置200，其基本結構和工作原理和第一實施例相同，為簡要描述，本實施例部分未提及之處，可參考第一實施例中相應內容。

請參閱圖4，本實施例提供的微納米氣泡發生裝置200與第一實施例的區別在于，物料容器120內設置有物料溫度控制系統210。

物料溫度控制系統210包括物料加熱器213和第三溫度計211，物料加熱器213設置于物料容器120內，用于加熱物料容器120內的物料；第三溫度計211與物料容器120連接，第三溫度計211的測溫探頭伸入物料容器120內，用于測量物料的溫度值。

以下以需要加熱的材料為例，具體介紹該微納米氣泡發生裝置200的工作過程，具體工作過程如下：首先將打開物料進出系統170，在物料容器120內充入將要制備含有微米或納米氣泡的物料，關閉物料進出系統170，使外殼容器110形成一個密閉空間；開啟物料加熱器213對物料容器120內的物料進行加熱，加熱至物料熔融狀態；按照計算出的第一溫度T1與第一壓力P1，通過壓差控制系統140改變外殼容器110內的第三氣壓，當第三氣壓達到預設值后，開啟物料攪拌系統130，接著在保持該壓力狀態下開啟氣體控制系統160，使帶有第一溫度T1和第一氣壓P1的氣體通過尺寸控制系統150得到預設尺寸V1的氣泡并充入物料中，隨著繼續攪拌，氣泡慢慢達到充填量至充分均勻。待外殼容器110內的第三氣壓調節到預設的第二氣壓P2，溫度調節至預設的第二溫度T2，此時物料中的氣泡達到第二氣壓P2和第二溫度T2，氣泡的尺寸發生相應的變化，得到目標尺寸V2。從而得到充填均勻目標尺寸V2氣泡的材料，使其具有不同的材料性能。

本實施例中，設定第二溫度T2為常溫(例如25℃)，第二氣壓P2為常壓(例如一個標準大氣壓)，使得最終制備的材料能夠在常溫常壓下使用。通過氣體溫度控制模塊163調節第一溫度T1，氣壓控制模塊165調節第一氣壓P1，尺寸控制系統150調節預設尺寸V1，同時通過壓差控制系統140將工作空間114內的第三氣壓調至小于第一氣壓P1，使工作空間114內始終保持負壓狀態，使帶有第一溫度T1和第一氣壓P1的氣體，通過尺寸控制系統150分隔成為預設尺寸V1的氣泡能順利進入物料中。待溫度達到第二溫度T2以及氣壓達到第二氣壓P2時，物料中的氣泡尺寸從預設尺寸V1改變為目標尺寸V2。

例如：在1700℃，200Pa下通過微孔膜網網孔直徑1微米進氣網口向容器內裝有熔融態鋼水中注入直徑1微米氮氣泡，在注入氮氣同時攪拌，注氣完成攪拌均勻后，慢慢冷卻得到金屬固體，調節到常溫25℃，常壓，得到的氣泡尺寸：

計算如下：P1＝200Pa

T1＝273+1700＝1973K

V1＝4/3*∏r3＝4/3*3.14*0.53＝0.52立方微米

P2＝101300Pa

T2＝273+25＝298K

V2＝P1V1T2/T1P2＝200*0.52*298/(1973*101300)＝0.00016立方微米

r＝0.034微米；D＝r*2＝0.034*2＝0.68微米，即68納米

本實施例優選將金屬材料加熱至熔融狀態下的金屬液體，由于金屬液體粘度比金屬固體粘度大，增強氣泡的穩定性。

本實施例提供的微納米氣泡發生裝置200，通過氣體控制系統160中的氣體溫度控制模塊163控制進入氣體的溫度，同時通過氣體控制系統160中的氣壓控制模塊165控制進入氣體的氣壓，并且通過尺寸控制系統150控制氣體進入的預設尺寸，從而控制所需材料中的氣泡尺寸大小，進而控制所需材料的輕質、高強、隔熱以及節能環保的性能。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。