所在单位：化学化工学院
高分子多尺度瞬时凝聚动力学
纳米悬浮液、纳米乳液、纳米气泡液的形成演化及其尺寸稳定性
2018年，朱正曦课题组1从混合原理、流动流形、元件结构、工艺过程及应用场景等众多方面，辨晰了微腔体(microchamber, MCB）混合与微通道(microchannel, MCL)混合之间的显著差异，在微化工过程强化的分类中提出了微腔体混合强化的概念。在此之前，人们仅称该类混合器为CIJ混合器或CIJ微混合器，未明确意识到微腔体对强化混合至关重要的作用，包括在各种文献报道中的陈述以及朱正曦与其博士导师Macosko(CIJ混合器微型化提出人)的日常交流。所有文献中关于CIJ微混合器的旧称本课题组将统一替换为CIJ微腔体混合器，简称为CIJMCB混合器，即使此名称在相关文献报道中并未如此称呼过。
1. Zhengxi Zhu* Aqueous Nanodispersions Made via Flash Nanoformation Technique The 8th International Colloids Conference, Shanghai,China, 2018.06.10-2018. 06.13 (Talk)
受限射撞流 (confined impinging jets, CIJ)
微腔体 (microchamber, MCB)
受限射撞流微腔体混合（confined impinging jets microchamber mixing, CIJMCB mixing）
湍流微混合（turbulent micromixing, TM)
微腔体湍流混合 (microchamber turbulent mixing，MCBTM）
针对多尺度复杂系统的演化过程，采用理论分析、模拟仿真、数据驱动。
作为FNF技术的母技术，反应注射成型（reaction injection molding，RIM）技术50, 51, 52的发展使聚氨酯大型面板获得广泛应用，促进了汽车、空天飞行器等的以塑代钢和轻量化，大大推动了相关行业的发展，推动了人类科技的进步。RIM技术将单体或预聚物通过混合头混合后注射到模具型腔，在型腔中进一步固化成型。混合头是RIM技术的关键元件，具有受限射流混合器的结构特征，包含喷嘴和体积受限的混合腔体，可用于中高粘度液体的混合。明尼苏达大学化工系的Chris Macosko院士在上世纪70年代在RIM领域做出了重要贡献，推动了CIJ混合头的微型化。RIM技术中微型化的混合头已具CIJMC混合器雏形，奠定了FNF技术和后续微混合器的基础。
瞬时纳米制备(flash nanoformation，FNF)技术是一种高效制备纳米分散液的通用新技术，其与传统的纳米制备方法(如滴加搅拌法、高压均质法、球磨法等)相比，具有如下优点：1. 能量利用率高；2. 操作简单；3. 工艺可连续化；4. 所制备的纳米颗粒尺寸小，分布窄；5. 易于放大生产。作为FNF技术的主要发明人，朱正曦于2016年对该技术进行命名*，该技术涉及一系列的基本制备方法53, 54, 55、配方规则53-56、工艺流程57、微混合元件设计加工58、装置的搭建和系统集成控制59, 60以及各种应用场景61-66。
FNF技术的基本制备方法包括：制备纳米悬浮液的瞬时纳米析出(flash nanoprecipitation, FNP)法48, 54-56, 67, 68和反应性瞬时纳米析出(reactive flash nanoprecipitation, RFNP)法53, 59, 61, 69, 制备纳米乳液的瞬时纳米乳化(flash nanoemulsification, FNE)法70-72和瞬时细化纳米乳化(flash thinning nanoemulsification，FTNE)法73, 制备纳米气泡液的瞬时纳米气泡(flash nanobubbling, FNB)法74, 75和瞬时细化纳米气泡(flash thinning nanobubbling，FTNB)法75, 76。
图1.7 通过FNP法形成纳米颗粒的过程示意图55
2002年，Johnson和Prud’homme 67, 68, 77使用RIM技术中的CIJMCB混合头进行液液混合，制备了两亲性嵌段共聚物稳定的β-胡萝卜素纳米悬浮液，提出了FNP法。
FNP法制备纳米颗粒的过程(如图1.7)：溶有疏水化合物和两亲性嵌段共聚物的可以与水互溶的有机溶剂(如四氢呋喃)与反溶剂水以较高流速同时注入到CIJ微混合器腔体中，在腔体内发生受限射撞流混合，在高能耗散密度下形成湍涡，较大的湍涡会迅速耗散细化为更小的湍涡，直至最小尺寸小涡，最小涡具有数微米的较小流层，减小了两相液体间的扩散距离并增大了接触面积，在两相交界面，疏水化合物与两亲性嵌段共聚物瞬时均一过饱和而析出。疏水化合物与两亲性嵌段共聚物聚集形成分子团簇，分子团簇进一步聚集形成颗粒，直至颗粒表面有足够多的亲水段使之能保持稳定。此外， CIJMCB内高能耗散密度赋予了纳米颗粒较大的动能，在一定程度上有利于抑制颗粒的聚集。2010年，朱正曦56发现可溶于水相中的聚电解质也可以通过其空间和静电稳定性来稳定纳米颗粒，水溶性聚电解质的在FNF技术中的应用为FNF技术在水相与水相间的制备提供了稳定剂。
2007年，朱正曦与Chris Macosko等53将化学反应引入FNP法的制备(图1.7)，提出了反应性瞬时纳米析出（reactive flash nanoprecipitation, RFNP)法。朱正曦54, 69进一步理论分析了瞬时混合过程中的偶联反应特征时间(trxn)与混合特征时间(tmix)之间的竞争关系。2017年，朱正曦课题组61, 62将水与有机相的混合拓展到水溶液之间的混合，使用RFNP法和聚电解质成功制备了粒径小、分散性好且电化学性能优异的PbSO4纳米颗粒，并利用絮凝实现了纳米颗粒的快速分离和干燥。2021年，朱正曦课题组59发展了桌面型装置实现了RFNP法大量连续制备海藻酸钠稳定的氢氧化镁纳米阻燃剂，该阻燃剂颗粒粒径小，在聚丙烯中分散良好，有较高的氧指数以及较低的起始分解温度，阻燃性能优异。
2015年，朱正曦与其学生徐旭提出了制备纳米乳液的FNE法70-72，其过程如图1.8：液态疏水化合物溶于能与水互溶的有机溶剂中，与反溶剂水同时高速注入CIJMCB混合器腔体中。在湍流混合过程中，会形成众多涡，较大的涡会迅速耗散细化为许多细小的子涡，直至最小尺寸小涡，最小涡会被剪切成数微米的流层，这减小了溶剂分子的扩散距离并增大了与水的接触面积，在薄层交界面上，提供了均一的过饱和度，液态疏水化合物与乳化剂聚集形成分子团簇。团簇进一步聚集形成纳米液滴，过大的液滴在剪切力作用下细化形成为小液滴，最终形成尺寸分布较窄的纳米液滴。2024年，朱正曦与其学生钱俊亚73不使用有机溶液而仅通过至上而下细化的机理利用CIJMCB混合器成功制备了各种纳米水乳液，提出了FTNE法。
2021年，朱正曦课题组75, 76提出了可用于制备纳米气泡液的FNB法。通过FNB法制备纳米气泡液的过程如图1.9：将气体溶于能与水互溶的有机溶剂，并与反溶剂水进行CIJ混合。将两相液体以较高流速同时注射入CIJMCB中。有机溶液与水瞬时混合，气体溶解度迅速降低而析出，进入由湍流剪切产生的空化位点，形成气泡核。随着溶剂的扩散，气泡核逐渐增长，形成纳米级气泡。同时，湍流剪切力将流体动能转化为气液界面能，使大气泡细化，进而减小纳米气泡尺寸分布。此外，纳米气泡表面带较高负电位，且小尺寸导致剧烈的布朗运动，有利于纳米气泡液的高稳定性。
图1.9 通过FNB法形成纳米颗粒的过程示意图75
2021年，朱正曦与其学生杨海宾76不使用有机溶剂，利用CIJMCB混合器进行气液混合，利用剪切细化和空化成泡的机制，成功制备了各种纳米气泡液，发明了FTNB法。2022年，朱正曦课题组杨海宾75和吴镇宇63使用CIJ-L微混合器，搭建了气液强化混合的装置，半连续化制备了ISOBAM共聚物以用于氧化铝浆料的分散。2023年，朱正曦课题组吴镇宇60进一步设计并搭建了可用于生产纳米水气泡液的常压式、增压式以及等压式小型化装置，用于CO2纳米气泡水的制备。
FNF技术所使用的CIJ微混合器源于RIM技术的微混合头，已历经四代发展。1978年，Macosko及其博士生Lee78为了RIM装置的小型化发展了CIJMCB混合头(图1.10，腔体体积~200 μL，喷嘴直径d=1.0 mm，腔体直径D=3.2 mm)，成为FNF技术中CIJMCB混合器的雏形 。
2002年，美国普林斯顿大学的Johnson和Prud’homme67, 77进一步减小微腔体体积至~30 μL，并将腔体直筒出口改为锥形出口，设计了用于FNP法的第一代CIJMCB混合器，该混合器从两侧直接注射进料，因此要求两股流束的动量相近。
为了实现非等动量混合，2008年，Liu和Prud'homme79设计了第二代多入口涡流式混合器（multi-inlet vortex mixer, MIVM）。该混合器为受限非正撞击式射撞流微腔体混合器，各入口流体可以以非等动量注入腔体。第二代CIJMCB混合器解决了第一代混合器等动量比混合的限制，但由于流道设计原因内部压降十分大，需配备价格较高的精密泵，导致大通量的制备不易连续化。此外，单个MIVM加工成本高，重量重，不便携，且实验完毕后清洗过程繁琐，需消耗大量有机溶剂。
为了克服上述缺点，韩婧、朱正曦、钱海涛和Chris Macosko设计了第三代CIJMCB混合器(CIJ with dilution, CIJ-D)57。该混合器具有压降小、便携、操作简单和易于清洗的特点，同时允许两股流束以一定程度的非等动量混合，混合操作可以通过手压注射器的简易方式进行，从而加快了实验室研究纳米悬浮体系的进程，实现了装置的小型化和便携化，拓宽了FNF技术的应用场景。此外，在原有工艺流程中，CIJ-D增加了二次稀释的过程，极大的简化了在注射泵操作、清洗的过程。脱离了原本工艺中所必需的造价昂贵的精密注射泵，实现了允许手动操作的、可少量制备的，低成本的小型化、便携化的CIJMC混合器。然而，第三代混合器中混合的两束流体需要动量接近，导致有机溶剂在混合液中含量较高，有些疏水化合物不能过饱和析出，需要进行二次稀释，这会导致颗粒的二次生长，且流出腔体后的稀释搅拌过程为非连续。
2018年，朱正曦课题组58, 80王晓晓基于第三代CIJ-D微混合器发展了第四代CIJMCB混合器CIJ-L(CIJ-with loop)，该混合器新增了一个入口用于循环混合，可以进行更大程度非等动量和更大流量的混合，以取代CIJ-D微混合器非连续的二次稀释混合，这种方法有效的解决了射撞流束间动量不能差距过大和二次稀释导致产品一致性变差的问题，进而可实现制备方法的连续化。同时，该工作分别加工了具有3、5入口的CIJ-L混合器，并使用泵传输液体，设计并搭建了用于循环、连续化制备纳米级分散液的微混合装置，将实验室手动少量制备的非连续化工艺转化为可大量制备的连续化工艺。实现了连续制备浓度更高、粒径较小、多分散性更窄及稳定的壳聚糖稳定的辅酶Q10纳米颗粒以及吐温80稳定的红桔精油纳米水乳液。
2024年，朱正曦课题组张凯铨成功设计开发了CIJMCB混合器的3D打印工艺流程，制造了低成本、尺寸精准、耐磨、耐压密封、耐腐蚀、一体成型的第五代CIJMC混合器CIJ-P(CIJ-Printed)，相比上一代混合器重量降低98% (1 克/个)，体积缩小92% (23×20×9 mm3), 加工成本降低99%，为其集成化、模块化、以及设备的小型化、工艺的数增放大、规模化低成本生产进一步奠定了基础。
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[73] 朱正曦; 钱俊亚. 一种液液两相受限射撞混合瞬时制备纳米乳液的方法. CN2024104393569. 2024.
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[78] Lee, L. J.; Macosko, C. Design and characterization of a small reaction injection molding machine Society of Plastics Engineers Technical Papers 1978, 24, 151-154.
[79] Liu, Y.; Cheng, C.; Liu, Y.; Prud’homme, R. K.; Fox, R. O. Mixing in a multi-inlet vortex mixer (MIVM) for flash nano-precipitation Chemical Engineering Science 2008, 63, 2829-2842.
[80] 朱正曦; 王晓晓. 一种纳米级分散液的制备方法与装置. ZL2018106948379. 2018.
应用案例：
纳米药物悬浮剂
纳米营养悬浮剂
纳米荧光悬浮剂
纳米润滑油
工业纳米清洗剂
机械加工纳米切削液
日用纳米清洁剂
纳米抗菌水悬浮剂
纳米杀虫水乳剂
纳米肥料水悬浮剂
纳米气泡水
免水洗凝胶洗手液
共聚物表面活性剂合成
知识产权
a．专利授权：
1）朱正曦*、发明专利、申请号ZL2022110390200、一种即时制备和喷洒纳米水分散剂的便携移动装置及其使用方法、2024.
2）朱正曦*、杨海宾、发明专利、授权号ZL2021110037286、一种气液两相强化混合制备纳米气泡分散液的方法、2023. （关于FTNB法的专利授权）
3）朱正曦*、姚康、发明专利、授权号ZL202210102277X、一种大量、连续制备免水洗凝胶洗手液的微混合装置及微混合方法、2023.
4）朱正曦*、发明专利、授权号ZL2021110037267、一种快速简易制备纳米气泡的方法、2022.（关于FNB法的专利授权）
5）朱正曦*、发明专利、授权号ZL2019108210157、一种可非等动量受限射流撞击混合的方法、2022.
6）朱正曦*、邵川华、郭彦麟、发明专利、授权号ZL2017104622074、一种粒径小于100纳米的嘧菌酯水悬浮剂及其制备方法、2020.
7）朱正曦*、徐旭、发明专利、授权号ZL2017104477117、环境友好型基础油纳米级稳定乳液及其制备方法、2020.
8）朱正曦*、王晓晓、发明专利、授权号ZL2018106948379、一种纳米级分散液的制备方法与装置、2020.
9）朱正曦*、曹淑言、发明专利、授权号ZL2017107018917、一种含松油醇类化合物的清洁剂及其制备方法、2019.
10）朱正曦*、徐鹏、发明专利、授权号ZL2017105401168、一种中度疏水性药物稳定纳米混悬剂的制备方法、2019.
11）朱正曦*、王晓晓、发明专利授权、授权号ZL201610763518X、一种快速、大量、连续生产纳米乳液或纳米悬浮液的装置及方法、2019.
12）朱正曦*、林致国等、发明专利授权、授权号ZL2016100743018、一种制备易水分散的辅酶Q10纳米颗粒粉末制剂的方法，2018.
13）朱正曦*、林致国等、发明专利授权、授权号ZL2016102983798、疏水物质膜的一种制备方法、2017.
14）朱正曦*、刘宁宁等、发明专利授权、授权号ZL2016100014408、一种快速制备和分离无机纳米颗粒的方法、2017.
15）朱正曦*、徐旭、发明专利、授权号ZL2015105158105、一种快速制备纳米乳液的方法、2017.（关于FNE法的专利授权）
b．专利申请：
1）朱正曦*、钱俊亚、发明专利、申请号CN202410439356.9、一种液液两相受限射撞混合瞬时制备纳米乳液的方法、2024.（关于FTNE法的专利申请）
2）朱正曦*、吴镇宇、发明专利、申请号CN2022110960740、一种气液两相强化混合制备纳米气泡液的装置及方法、2022.
3）朱正曦*、美国发明专利、申请号US17564273、Method For Confined Impinging Jets Mixing with Imbalanced Momenta、2021.
4）朱正曦*、郭彦麟、邵川华、发明专利、申请号CN2017105259571、一种高效安全除虫菊素纳米水乳液及其制备方法、2017.
