混沌混合挤出中的粘弹性液滴形态

《Journal of Food Engineering》：Viscoelastic Droplet Morphologies in Chaotic Mixing Extrusion

　　

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  挡板设计引起的不对称性增强了混沌混合，在较高的通道体积比下效果更显著。
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  混沌流通过多向拉伸驱动微液滴形成，超越了传统的剪切机制。
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  双轴拉伸结合较长的停留时间可产生最细的纤维和颗粒。
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  液滴尺寸与混沌强度呈非单调依赖关系，反映了剪切、拉伸和停留时间之间的平衡。

引言

精确控制分散相形态对于先进材料和食品至关重要。同向旋转双螺杆挤出机 (TSEs) 因适用于连续混合操作而受到重视，但受限于规则的层流混合，其中 KAM (Kolmogorov–Arnold–Moser) 岛阻碍了有效混合，限制了分散相的细度和均匀性。这通常需要苛刻的条件，可能会降解材料。为了克服这一问题，通过混沌对流进行过程强化前景广阔。挡板双螺杆 (BTS) 设计成功实现了这一方法，与传统的对称螺杆配置相比，显著提升了混合性能 (Xu 等，2021 年；Yu 等，2023 年，2025 年)。

在全啮合同向旋转双螺杆挤出机中，已开展广泛的流动可视化研究来表征其流动行为 (Vercruysse 等，2014 年；Booy,1963 年；Fard &Anderson 2013 年；Ottino, 1989 年)。相比之下，非对称输送元件旨在促进混沌混合并增强拉伸流。本研究使用的 BTS 输送元件属于此类非对称结构，其几何不对称性改变了局部流动拓扑。因此，本研究的主要目标是阐明此类结构内的流动特性，特别是混沌混合对液滴形态和尺寸分布的潜在影响。

理解和预测液滴破碎这一形态生成的基本步骤众所周知是复杂的。在 T 型接合处或微通道等明确定义的几何结构中，破碎通常被描述为涉及挤压、颈缩和丝状变薄的多阶段过程 (Sun 等，2018 年；Jiang 等，2022 年；Liu 等，2019 年)。这些基础研究确立了关键无量纲参数的重要性，如毛细管数 (Ca) (Han 等，1978 年；Ha & Leal,2001 年；Link 等，2004 年；Zhao,2007 年)，它将粘性力与界面力联系起来，以及粘度比 (η_r) (Grace, 1982 年)，和扰动参数 $$ (局部气 - 液界面的曲率) (Zhu 等，2022 年；Wu 等，2021 年)。然而，这些简化系统的见解不能直接转移到工业挤出机上，主要原因有两个。首先，大多数先进聚合物系统是粘弹性的，弹性应力引入了复杂的动力学，如延迟破碎和独特的“串珠状”不稳定性，这是经典模型无法捕捉的 (Gupta 等，2014 年)。其次，TSE 内的流场是剪切和拉伸的复杂、时变组合，与基础研究中使用简单流形成鲜明对比。粘弹性与复杂混沌流的叠加造成了巨大的科学挑战，使得形态演变的控制机制在很大程度上尚未阐明。

关于非对称双螺杆挤出机 (ATSE) 中液滴破碎的先前研究主要强调了剪切诱导破碎和停留时间在液滴尺寸减小中的作用 (Yu 等，2025 年)。然而，在结构化食品系统中，分散相形态同样重要，因为它强烈影响质地和功能。为解决这一问题，在一种能够产生混沌流的新颖定制挡板双螺杆 (BTS) 通道中系统地研究了液滴形态的发展。使用可视化平台，在两种不同的流动状态下直接观察并比较了粘弹性基体中粘弹性液滴的形态演化：具有混沌核心区域流动的 BTS 和具有规则层流流动的传统双螺杆挤出。目标是超越简单的形态分类，阐明潜在的物理机制。具体来说，这项工作旨在建立混沌混合固有的独特拉伸、折叠和重定向动力学如何控制变形和破碎路径，以及分散相流体的最终微形态，从而为设计下一代挤出工艺提供新框架。

章节摘要

材料与制备

采用羧甲基纤维素钠 (CMC-Na, FVH 6–7, 重庆利鸿精细化工有限公司，中国) 作为连续相 (基体流体)。在配制溶液之前，将 CMC-Na 粉末在 60 °C 下干燥 4 小时以消除残留水分。将预干燥粉末溶于去离子水中，在 40 °C 下磁力搅拌 1.5 小时，制备浓度为 1.5 g/100 g 的水溶液。所得溶液在室温下脱气 12 小时以

流场与混合特性表征

本节描述了用于确定剪切速率、应变率张量特征值和混合指数的计算工作流程。利用移动粒子半隐式 (MPS) 方法，获得了 BTS 13.5、BTS 14.5、BTS 15.5、BTS 16.5 和 TS 17.5 在部分填充状态下的粒子位置和速度的时间演化。

流体力学特性表征

研究了在不同程度混沌混合下产生的液滴形态，使用了五种螺杆配置，即 BTS13.5、BTS14.5、BTS15.5、BTS16.5 和 TS17.5，对应的螺旋通道比 ($$) 分别为 1.36、1.26、1.18、1.08 和 1.00。挡板双螺杆 (BTS) 与传统双螺杆 (TS) 配置在挤出机出口处液滴形态的显著差异可归因于它们不同的流体输送和混合

结论

本研究表明，BTS 引起的混沌混合显著细化了粘弹性液滴的形态，与 TSE 相比，产生的纤维和颗粒明显更细。FTLE 分析表明，受控的螺杆通道不对称性是增强混沌对流的主要驱动力。

尽管在低挡板高度 (高不对称性) 下混沌对流最强，但液滴很少遇到高剪切区域，导致相对较大的液滴保持完整。在配置中

CRediT 作者贡献声明

Qingyao Wang: 可视化，调查，数据整理。 Jiarong Huang: 验证，方法论，调查。 Baiping Xu: 写作 – 初稿，可视化，监督，方法论，调查，正式分析。 Zhiyang Wang: 软件，调查，正式分析。 Guanhai Liu: 验证，调查，正式分析。 Huiwen Yu: 写作 – 初稿，监督，软件，方法论，正式分析，数据整理，概念化

未引用参考文献

Booy, 1963; Chen and Ashgriz, 2025; Duraisamy et al., 2019; Emin and Schuchmann, 2013; Emin and Schuchmann, 2013; Fard and Anderson, 2013; Gupta and Sbragaglia, 2014; Ha and Leal, 2001; Han and Funatsu, 1978; Hadjighasem and Haller, 2016; Liu and Zhang, 2021; Song and Springer, 1996; Yu et al., 2025; Zhao, 2007.

基金资助

本研究由 国家自然科学基金委员会 (No. 12102306) 支持。本项目由 广东省教育厅重点领域专项 (2023ZDZX3039) 支持。海外名师项目 (MS202500170)。广东省自然科学基金 (项目编号 2024A1515010431)

竞争利益声明

我确认已做出所有努力以确保研究的客观性和透明度，并且任何潜在的利益冲突均已在上文披露。本手稿中提出的发现和结论完全基于客观分析和科学证据。

Huiwen Yu|Guanhai Liu|Zhiyang Wang|Baiping Xu|Jiarong Huang|Qingyao Wang