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根據(jù)3D科學谷的市場觀察，3D打印用于靜態(tài)混合器可實現(xiàn)復雜的結構，從而提高反應器系統(tǒng)的強度和性能。

根據(jù)百度百科，靜態(tài)混合器是一種沒有運動部件的高效混合設備，其基本工作機理是利用固定在管內的混合單元體改變流體在管內的流動狀態(tài)，以達到不同流體之間良好分散和充分混合的目的。靜態(tài)混合器是一種沒有運動的高效混合設備，通過固定在 管內的混合單元內件，使二股或多股流體產(chǎn)生切割、剪切、旋轉和重新混合，達到流體之間良好分散和充分混合的目的。

本期，3D科學谷通過澳?利亞墨爾本的聯(lián)邦科學與?業(yè)研究組織 (CSIRO) 支持的 FloWorks Group 的研究，這項研究結合了增材制造（金屬3D打印）和減材（化學蝕刻）方法，用于制造選擇性加氫香料的新型結構化鎳催化劑靜態(tài)混合器。

相關論文以題目“3D printed nickel catalytic static mixers made by corrosive chemical treatment for use in continuous flow hydrogenation”發(fā)表在《Reaction Chemistry & Engineering》上。本期谷.專欄，將分享這一科研成果。

/3D打印靜態(tài)混合器：從陶瓷到金屬

靜態(tài)混合器通常由三部分組成：外殼管、管內部混合單元和兩端法蘭（或其他連接方式）。靜態(tài)混合器的混合過程是由一系列安裝在空心管道中的不同規(guī)格的混合單元進行的。由于混合單元的作用，使流體時而左旋，時而右轉旋，不斷改變流動混合機方向，不僅將中心流體推向周邊，而且將周邊流體推向中心，從而造成良好的徑向混合效果。與此同時，流體自身的旋轉作用在相鄰組件連接處的接口上亦會發(fā)生，這種完善的徑向環(huán)流混合作用，使物料獲得混合均勻的目的。

靜態(tài)混合器管內部的混合單元是實現(xiàn)混合器功能的關鍵部分。3D科學谷曾分享過陶瓷3D打印技術在靜態(tài)混合器制備中的應用，陶瓷材料因具有耐高溫和耐化學腐蝕的綜合性能，是適合制備混合器混合單元內部通道的材料。目前制造中存在的主要困難是，使用高性能陶瓷材料制備內部混合單元這種幾何形狀高難度復雜的產(chǎn)品。

那么除了陶瓷材料，金屬如何實現(xiàn)耐化學腐蝕？

/3D打印+減材

迄今為止，金屬3D打印可以用于制造幾種鎳基合金粉末，包括蒙乃爾合金（合金400）哈氏合金（合金C276，合金X）鉻鎳鐵合金（合金625，合金718，合金738）等等。在3D打印成所需形狀后，再進行化學蝕刻，以形成具有增加的孔隙率和增加的表面積的富鎳表面層，最終提高催化活性。

澳?利亞的研究人員開發(fā)了制備3D打印結構催化劑靜態(tài)混合器的新方法，蝕刻層是多孔的，但沒有顯著富集 Ni 或 Cr。在浸出和蝕刻過程中，處理都是局部的，并且對3D打印部件的滲透深度有限，同時會大大增加新形成的層內的表面積和孔隙率，從而大大提高催化活性。

研究人員將減材制造步驟分為“浸出工藝”和“蝕刻工藝”。一般而言，浸出定義為犧牲金屬相的選擇性去除，在此通過從3D打印合金基體中溶解來實現(xiàn)，同時保持“所需”的催化活性金屬物質（在本例中為 Ni）完好無損。在這項研究中，研究人員選擇性地從蒙乃爾合金中浸出銅，蒙乃爾合金是一種主要由鎳和銅組成的合金。所得的浸出表面層是多孔的，富含鎳而貧銅。

相比之下，蝕刻通過從表面以相對等量溶解從3D打印合金基質中去除和/或氧化幾種金屬物質。這種處理產(chǎn)生了具有大大增加的孔隙率和表面積的頂層，同時對于合金的單個金屬種類是非選擇性的。一個例子是從鉻鎳鐵合金中非選擇性去除鎳和鉻，這是該合金按重量計算的兩個主要成分。

3D打印鉻鎳鐵合金粉末（合金738）來自普萊克斯。這種粉末的金屬成分為~61% Ni、16% Cr、8.5% Co、3.4% Al、3.4% Ti、2.6% W、1.8% Ta、1.8% Mo，以及少量的 Fe、C、B、 Zr、Mn、Si 和 S。

3D打印蒙乃爾合金粉末（合金 400）來自 Micron metals。這種粉末的金屬成分為~61% Ni、35% Cu、2.2% Fe、1.3% Mn 和 0.5% Si。

/Inconel制備鎳型催化靜態(tài)混合器

使用普萊克斯的鉻鎳鐵合金粉末在 Arcam A1 電子束熔化 3D 打印機上打印由 Inconel （稱為 Ni?Inc）增材制造的鎳型催化靜態(tài)混合器，該粉末的機器工藝參數(shù)是通過試驗設定的。

Arcam 電子束熔化 (EBM) 設備使用電子束將金屬粉末逐層熔化和熔合成三維零件。該過程在真空下在粉末床中進行，Inconel 的典型起始床溫度為 1050 °C，這是為了在粉末形成時輕輕燒結和穩(wěn)定粉末。腳手架下方的支撐是0.5毫米直徑和3毫米長的支撐柱，有助于熔化過程，以避免零件在粉末層平面上方膨脹。3D打印完成后，通過噴砂從混合器周圍去除未熔融的輕微燒結粉末。

然后對3D打印的靜態(tài)混合器進行化學蝕刻溶液，蝕刻時間設置為5分鐘、20分鐘、2小時、24小時或48小時（在室溫下），產(chǎn)生不同的表面形貌。每個處理過的樣品用大量的水洗滌，然后用乙醇洗滌，然后用氮氣吹干，這些樣品的質量損失相對較低。

/蒙乃爾鎳型催化靜態(tài)混合器的制備

使用 Micron metals 粉末在 Arcam A1 電子束熔化 3D 打印機上打印鎳型催化靜態(tài)混合器。該粉末的機器工藝參數(shù)是通過試驗設定的。

蒙乃爾合金的典型起始床溫度為600°C，以便在粉末成型時對其進行輕微燒結。腳手架下方的支撐是0.5毫米直徑和3毫米長的支撐柱，有助于熔化過程，以避免零件在粉末層平面上方膨脹。

噴砂后對靜態(tài)混合器進行化學浸出，不僅可以增加表面的孔隙率，還可以選擇性地去除銅。將四個蒙乃爾混合器放置到 450 mL 的 2M 硫酸銨和 5M 氨水溶液中，放置 10 天，每天進行至少 1 小時的超聲處理。每三天添加一次 30 mL 氨水以補充作為氣體損失的氨。觀察到混合物變成淡綠色。然后將混合器在水中徹底洗滌，并防止到單獨的 450 mL 2M 過硫酸銨和 5M 氨水溶液中。

在此溶液中再放置12天，應用與上述相同的超聲處理和氨補充方案。觀察到過硫酸鹽混合物變成藍寶石藍色，然后用大量的水和乙醇洗滌，再繼續(xù)風干四天。

Inconel 樣品在不同蝕刻時間下的 SEM 圖像。每個行包含同一樣本在兩個不同位置的圖像放大倍數(shù)（左：250×，右：1000×） a) 未經(jīng)處理的鉻鎳鐵合金；b)5分鐘后蝕刻鉻鎳鐵合金；c) 20 分鐘后蝕刻鉻鎳鐵合金；d) 蝕刻2小時后的鉻鎳鐵合金；e) 24 小時后蝕刻的鉻鎳鐵合金；f) 蝕刻鉻鎳鐵合金后48小時。

與 Inconel 靜態(tài)混合器的處理相比，這種浸出方案主要從3D打印部件中去除銅，從而使剩余層富含鎳。

在化學處理后，每組靜態(tài)混合器都使用氫氣進行活化。

總體來說，3D打印提供結構完整性以及一個活化的多孔頂層，兩者均由相同的耐腐蝕鎳基合金制成。該制造方法與大多數(shù)其他鎳催化劑形成鮮明對比，后者通常由昂貴的前體材料制成，并且需要使用復雜的多孔載體材料、粘合劑、配體或其他添加劑。3D打印的催化劑靜態(tài)混合器具有低壓降和低堵塞風險的優(yōu)勢，這對于工業(yè)連續(xù)流動操作尤其重要。