《Journal of Aerosol Science》：Improved relationships between the effective density and morphology of compacted soot
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新鲜丙烷烟灰颗粒通过oleic acid涂层诱导重构，体积膨胀因子>5时从lacey结构转变为compact结构，圆形度提升至0.4，球形度达0.7，验证 universality packing factor 0.35及有效密度650±20 kg/m3，填补小颗粒（dm <50 nm）结构空白并建立密度计算框架。
Nishan Sapkota | Rym Mehri | Joel C. Corbin | Steven N. Rogak | Timothy A. Sipkens
不列颠哥伦比亚大学机械工程系，加拿大温哥华，BC省
摘要
新鲜的烟炱由链状结构的一次颗粒组成，当这些颗粒被液体覆盖时会发生压实。从链状结构转变为压实结构是这些碳基纳米颗粒的关键重构机制。在本研究中，我们将新鲜丙烷烟炱颗粒（运动直径d_m在35纳米到800纳米之间）用油酸处理以诱导其压实。我们通过气溶胶颗粒尺寸测量以及固定角度扫描电子显微镜（TEM）图像（首次使用倾斜扫描电子显微镜图像）观察了这一重构过程。TEM图像分析显示，当颗粒的体积增长因子大于5时，其圆度从约0.1增加到0.4，球形度从约0.55增加到0.7。对于这种完全压实的颗粒，我们验证了先前研究中提出的通用堆积因子0.35的适用性，以及相应的有效密度为650 ± 20千克/立方米（适用于d_m > 50的大颗粒）（Sipkens & Corbin, 2024）。先前的研究还指出了关于小颗粒形态的文献空白。在这里，我们提供了填补这一空白的测量结果。我们发现小颗粒（d_m < 50纳米，d_pp,100约为19纳米）的重构现象可以忽略不计，并通过TEM图像得到了证实。因此，小颗粒的有效密度与新鲜烟炱的有效密度相似。我们还量化和参数化了从几乎无重构状态到恒定堆积密度状态（650 ± 20千克/立方米）的有效密度转变过程。这种参数化方法可以根据颗粒的运动直径估算完全压实烟炱颗粒的有效密度，并且可以轻松应用于其他已知材料密度的纳米颗粒聚集体。
引言
来自燃烧的烟炱颗粒（或黑碳）是主要的人为颗粒之一。这些颗粒通常被建模为链状结构，由一次颗粒组成（Samson等人，1987年）。新生成的烟炱颗粒通常具有开放结构的形态，通常是通过扩散受限的聚集（DLCA）形成的（Eggersdorfer & Pratsinis, 2014; Sorensen, 2011），而老化的烟炱则更加致密（Mikhailov等人，1998年）。从链状结构到致密结构的转变会影响颗粒的尺寸以及形状参数，如有效密度和形状因子，这些参数在推断质量、形态（Pang等人，2022; Sipkens & Corbin, 2024）、光学诊断（Bambha等人，2013）和气候模型（Li等人，2024; Radney等人，2014）中起着关键作用。
烟炱重构的主要途径是液态物质的凝结和蒸发（Corbin等人，2023年）。研究表明，颗粒在凝结过程中会发生压实，这一现象被认为是由于毛细作用（Bambha等人，2013; Ghazi & Olfert, 2013; Kutz & Schmidt-Ott, 1992; Mikhailov等人，2006; Pagels等人，2009; Zhang等人，2008）。Ma等人（2013年）先前证明烟炱颗粒在水凝结过程中可以避免压实，后来Corbin等人（2023年）解释这是由于水-烟炱接触角较大。Enekwizu等人（2021年）进一步表明，有机凝结和涂层蒸发都会导致烟炱压实，而Corbin等人（2023年）证明单独的凝结或蒸发过程就足以实现压实。Corbin等人（2023年）还利用液态和固态有机涂层详细分析了这些过程。
压实后，烟炱颗粒呈现出松散堆积的球状形态（Corbin等人，2023年）。尽管一些先前的研究指出这种堆积状态可能因涂层材料的粘度和表面张力而异，但Sipkens & Corbin（2024年）证明文献中报告的尺寸变化差异在统计上并不显著，表明涂层材料的影响可以忽略不计。这一发现与Zangmeister等人（2014年）提出的尺度无关的堆积密度概念一致。随后，Sipkens & Corbin（2024年）表明，当材料密度已知时，这种堆积密度可以直接转换为有效密度（见第2.2.2节），估计较大压实烟炱的有效密度约为651千克/立方米。作者还提出，对于较小的颗粒，这种堆积密度会增加，尽管现有文献未能很好地限定这种增加的起始点和结束点。
在本研究中，我们填补了Sipkens和Corbin（2024年）关于小颗粒完全压实有效密度的研究空白。我们首先通过固定角度和倾斜扫描电子显微镜图像检查了不同颗粒尺寸的重构程度。我们还定量分析了TEM图像，提取了包括圆度和球形度在内的形状参数。然后计算了有效密度和动态形状因子，并将其与一次颗粒的数量和运动直径相关联，并将这些结果与现有文献进行了比较。最后，我们提出了一个新的基于有效密度的框架，为解释压实烟炱颗粒提供了直接的方法。
实验
使用Miniature Inverted Soot Generator（MISG，Argonaut Scientific）生成了烟炱颗粒。选择丙烷作为燃料，空气与燃料的比例为9:0.0636 slpm。这一空气-燃料混合物的选择基于Moallemi等人（2019年）的先前研究，他们报告了元素碳与总碳（EC/TC）的比例约为0.95。其余的微量成分不会影响烟炱的形态或相关参数（Sapkota等人，2025a）。此外，所产生的烟炱的尺寸...
压实程度
图2显示了初始运动直径为250纳米和450纳米的烟炱颗粒的压实程度β作为温度和体积增长因子VGF的函数。压实的温度依赖性是特定于实验设置的，可能会因涂层材料的数量、流速等因素而有所不同，但我们预计这种关系适用于不同的涂层方法。我们为温度参数化并拟合了一个四参数逻辑函数...
有效密度的表达式
压实烟炱的有效密度数据清楚地展示了两个极限：（i）在小尺寸下，有效密度与链状烟炱的有效密度相当；（ii）在较大尺寸下，有效密度保持恒定。链状烟炱的极限有效密度通常用以下幂律形式描述：其中ρ_100和ζ是质量-运动关系中的预因子和指数（Olfert & Rogak, 2019）。这个幂律的参数存在一定的变异性，但它们是相似的...
总结
在这项研究中，我们研究了由液体凝结和/或蒸发引起的烟炱颗粒的重构过程。我们发现，当体积增长因子超过5时，所有尺寸的烟炱颗粒都达到了最大程度的重构，这与先前的研究结果一致。这种重构导致了颗粒的致密形态，TEM分析显示颗粒的圆度从约0.1增加到0.4，球形度从约0.55增加到0.7，表明颗粒从链状结构转变为致密结构。
CRediT作者贡献声明
Timothy A. Sipkens：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、软件、方法论、资金获取、概念化。Steven N. Rogak：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。Nishan Sapkota：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件、方法论、研究、数据分析、概念化。Joel C. Corbin：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论...
未引用的参考文献
Sapkota等人，2025；Yon等人，2015。
资助
Nishan Sapkota和Steven N. Rogak感谢Environment and Climate Change Canada（ECCC）的资助。Rym Mehri、Joel C. Corbin和Timothy A. Sipkens感谢加拿大政府的资助。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢Brett Smith和Simon-Alexandre Lussier在实验过程中的协助。
