3Dプリントされたストレートナーはエアロゾル粒子をより良く制御します

出典: Additive Light

最近発表された論文「3D プリントされたストレートナーを使用した分別分析装置の性能向上」では、キプロスとオランダの研究者が、エアロゾル投与用の改良されたストレートナーシステムをさらに効率化するように設計されたカスタム DMA の開発を評価しました。

流れと静電場を組み合わせて分類する DMA は、ナノでもマイクロでもエアロゾル粒子を測定するための重要なツールです。 2 つの流れが合流するため、流れ場を作成することが難しく、局所的な渦などの問題が発生することが多く、パフォーマンスの低下を引き起こす可能性があります。この課題を克服するには、エアロゾルの流量を「シース流量の 10% 未満」に保つ必要があります。ストレートナーはメッシュ絶縁体で作ることもできますが、干渉を引き起こすだけでなく、包括的な速度プロファイルの形成も妨げます。

この研究では、研究者らは 9 つの異なる FS サンプルを作製し、新しい 3D プリントされた円筒形 DMA を使用してパフォーマンスを評価しました。 4 つは ABS で印刷され、残りはポリエステル (参照として使用) を含む小さなナイロンメッシュで作成されました。

テストされたすべての FS の特性に関する詳細情報、光学顕微鏡で測定されたテストされたレベラーの画像、DMA の伝達関数 (TF) (つまり、特定の電気移動度またはサイズの粒子が機器に入り、単分散で出ていく確率を与える関数) の実験的測定により、さまざまな動作条件での各 FS のパフォーマンスを評価できました。

TF の高さは、粒子が DMA に入り、その後単分散粒子出口から出る最大確率に対応します。高さ測定偏差に基づいて、各FSの半値幅と各シース流速を計算しました。
異なる FS が使用された場合のテスト対象の DMA (DMA-2) のパフォーマンスを決定するために使用される実験セットアップの概略レイアウト。キー: AT: ネブライザー、SD: シリカゲル拡散乾燥機、NT: エアロゾル電荷中和装置、DMA: 微分型移動度分析装置、CPC: 凝縮粒子カウンター。

以下の詳細なテストが実行されました。
•直径約50nmのほぼ単分散粒子を使用します。
•TF のパラメトリックバージョンは、測定値と予測値の間の偏差をキャプチャします。
•フィッティングパラメータはTFの高さと幅に影響します。

「各TDMA実験では、それぞれDMA-1とDMA-2の下流で測定された粒子数濃度に対応するN1値とN2値のセットを取得します」と著者らは説明しています。各実験では、P0とCPCRatioが約20分間一定のままであり、DMA-1のTF（つまり、式1のΩ1）は一定で明確に定義され、DMA-2のTF（つまり、式1のΩ2）はカスタムフィッティングアルゴリズムを使用して取得されたと想定されました。 ”

この研究でテストされたすべての FS では、外側の境界 (3D 印刷の場合) またはリング (布地の場合) と DMA の内側の電極壁の間に小さな段差 (高さ 0.7 ～ 1.0 mm) が発生したことに注意してください。 ”

異なる FS が使用された場合、結果はテストされた DMA のサイズ精度を反映します (DMA に対して選択された測定粒子サイズと予測粒子サイズのパーセンテージ差として表されます)。

研究者らは、適切な比較可能性を保つために基準として使用されるポリエステル繊維を追跡したが、段差の高さがすべてのサンプルで類似していたため、結果は「非常に比較しやすい」と指摘した。ポリエステル繊維で作られているにもかかわらず、ファイバー 9 はほとんどのサンプルよりも優れた性能を発揮します。

FS#9 の図解。上面図 (a)、3D 断面図 (b)、FS の多孔質部分の拡大上面図 (c) と断面図 (d) が含まれています。
「FS#9 を使用した DMA の優れた性能は、シース流量が最大 20 lpm の場合、基準となる Dacron® FS よりも優れているため、従来型および/または低コストの DMA (Barmpounis、Maisser、Schmidt-Ott、Biskos、2015)、はるかに高いシース流量 (例: 最大 20 lpm)、または高流量 DMA (Fernandez de la Mora および Kozlowski、2013) を実行する 3D プリントされたストレートナーを使用したさらなる調査が必要です」と研究者らは結論付けています。「後者は、ナノ粒子（または原子クラスター（Maisser、Barmpounis、Attoui、Biskos、Schmidt-Ott、2015））を高解像度で分類するために使用されますが、フロー成層化は非常に重要であり、通常は追加の事前成層段階が必要です（Amo-Gonzalez＆Perez、2018）。

「結論として、本研究で報告された測定結果は、3D プリントを使用して、従来のナイロン織物システムと比較して優れた性能を発揮するレベリング剤を作成できることを示しています。これは、テストで使用されたカスタムメイドの DMA の測定された伝達関数と理論上の伝達関数の偏差を評価することによって検証されました。興味深いことに、テストされた DMA の特性に起因する、ここで研究された他の FS と比較して三角形の孔形状、高い表面密度、およびより大きな孔を持つ 3D プリントされたレベラーは、理論よりも優れた性能を発揮しました。3D プリントの柔軟性と製造の容易さを考慮すると、この技術を採用して DMA のレベリング特性を確立すると、DMA の性能が向上し、既存の方法と比較して優れたオプションになる可能性があることが、この研究結果から示唆されています。」

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