微流控中液/液体系乳化实验及仿真研究
发布时间：2022-01-05 07:39
微流控技术具有集成化、高通量、高精度等诸多特点,在食品加工、药物控释和病毒检测等众多领域中具有广泛的应用。随着微流控技术的快速发展,对微流控器件进行全方位的性能研究,以及精确控制微液滴的生成已经成为当前研究的热点。液/液不相溶两相在微通道中的流动过程复杂,液滴生成过程的影响因素繁多,从而导致微液滴生成过程的可控性降低。本文采用数值模拟与实验研究相结合的方法对微液滴的生成规律进行研究,探究微液滴的形成机理,这对提高微液滴生成过程的可控性具有重要意义。首先,基于微流控单乳模板器件,设计液/液单乳牛顿体系下和液/液单乳非牛顿体系下微液滴的生成方案,分别探究分散相流速、分散相粘度、连续相流速、连续相粘度和两相界面张力对液滴生成的影响,以及多个因素对液滴流动状态的影响,为玻璃毛细管器件微通道中液滴的精确操控提供了指导依据。基于玻璃毛细管微流控器件,搭建微流控实验装置,设计液/液双乳牛顿体系下液滴生成的实验方案,成功制备出性质可控、大小均一的毫米级油核微囊,然后通过研究流速对微囊生成的影响,获得微囊生成的相图,并分别研究了内相流速和外相流速对微囊特征尺寸的影响。基于数值模拟和实验研究结果,初步探索...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
玻璃毛细管微流控器件制备的乳液形式[38]；（a）微流控器件组装示意图；（b）~（h）生成的乳液形式
浙江大学硕士学位论文第1章绪论3者挥发到连续相[36,37]。如图1-1（c）所示为包含一个液滴的油包水包油（O/W/O）型双乳液滴[33]。1.2.2微流控芯片随着微流控技术的快速发展，微流控芯片的种类逐渐增多。常用的微流控装置主要有以下两种：一种为基于光刻蚀技术制备的聚甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片[7]，另外一种是基于玻璃毛细管制备的微流控器件。聚甲基硅氧烷微流控芯片的制备是由Whitesides课题组于1998年首次提出的一种微流控系统快速成型技术[7,39]。该技术首先使用CAD软件设计微流道结构，然后用光刻技术将微流道结构打印到掩膜版上，通过掩膜版将通道复制到硅片上；再将聚甲基硅氧烷液体和引发剂混合之后覆盖到硅片上，然后抽真空除气泡，聚甲基硅氧烷加热固化之后将其从硅片上取下，硅片可重复使用；最后对固化后的聚甲基硅氧烷表面进行等离子处理，然后将其和另一片经过等离子处理的聚甲基硅氧烷或者玻璃进行不可逆的黏接，就得到聚甲基硅氧烷微流控芯片，其制备过程如图1-2（a）所示。竖直通道和弯曲通道都可以精确地制备，如图1-2（b）、（c）所示，制备得到的PDMS微流控芯片具有良好的光学透射性，如图1-2（d）所示。图1-2PDMS微流控芯图片和制备过程示意图[39]PDMS性能优良，具有良好的生物相容性、绝缘性和稳定性，但PDMS也属于高分子
浙江大学硕士学位论文第1章绪论4材料，在部分有机溶剂（例如丙酮等）的作用下会被溶胀，而且PDMS芯片局部细节处理较为困难，从而影响微通道的精确性[40]。基于玻璃毛细管制备的微流控器件最早是由Weitz课题组提出的[41,42]，玻璃毛细管微流控器件制备工艺简单，没有较高的实验环境需求，也不需要太多的实验仪器，通过几根玻璃毛细管的简单组装固定就可以形成特定形式的微通道。而且这种玻璃毛细管微流控器件是真正意义上的三维通道，多数工艺制备的微流控装置中微通道结构都是二维拉伸式的，当流体和微通道壁面接触时，这会对流体的行为造成影响，所以在实际使用过程中都要考虑对微通道进行表面修饰，但现有技术对微流道壁面的修饰效果都不是很理想，无法长期保持。在玻璃毛细管的三维通道中分散相流体不需要和连续相管壁接触，减少了许多表面的处理工艺，如果需要进行表面修饰，玻璃毛细管微流控器件在组装之前也更容易进行表面处理。该制备工艺具有很高的灵活性，可制备单乳微流控器件[36]、双乳微流控器件[36]以及多乳微流控器件[34]，如图1-3（a）~（c），可有效的对微流体进行系统的控制，所以本文也是采用这种装置进行实验研究。图1-3玻璃毛细管微流控器件示意图[34,36]1.2.3微通道中的流体流动根据哈佛大学Weitz组的研究[42]，当一种液体注射到另一种不相溶的液体中时，一般都会有滴流和射流两种形成液滴的方式。当流速较低时，流体在内相出口处会形成液滴，
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于网格无关性与时间独立性的数值模拟可靠性的验证方法[J]. 冯静安,唐小琦,王卫兵,应锐,张亭. 石河子大学学报(自然科学版). 2017(01)
[2]微通道内液-液多相流数值模拟研究进展[J]. 刘向东,孙清,吴梁玉,于程,李蕾,张程宾. 化工进展. 2016(S2)
[3]T型微通道内气液两相流数值模拟[J]. 王琳琳,李国君,田辉,叶阳辉. 西安交通大学学报. 2011(09)
[4]齿形微通道内流流场数值模拟及试验研究[J]. 金文,张鸿雁,何文博. 排灌机械工程学报. 2011(03)
[5]微液滴微流控芯片:微液滴的形成、操纵和应用[J]. 宋文斌,董朝青,任吉存. 分析科学学报. 2011(01)
[6]T形微通道中互不相溶两相流数值模拟[J]. 董贺飞,张德良,赵玉潮,陈光文,袁权. 化工学报. 2008(08)
[7]海藻酸钠溶液粘度特性的研究[J]. 于子森,孔庆山,纪全,夏延致. 科技信息(科学教研). 2007(11)
[8]RNG k-ε模型数值模拟油雾燃烧流场[J]. 郭尚群,赵坚行. 航空动力学报. 2005(05)
本文编号：3570030
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
玻璃毛细管微流控器件制备的乳液形式[38]；（a）微流控器件组装示意图；（b）~（h）生成的乳液形式
浙江大学硕士学位论文第1章绪论3者挥发到连续相[36,37]。如图1-1（c）所示为包含一个液滴的油包水包油（O/W/O）型双乳液滴[33]。1.2.2微流控芯片随着微流控技术的快速发展，微流控芯片的种类逐渐增多。常用的微流控装置主要有以下两种：一种为基于光刻蚀技术制备的聚甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片[7]，另外一种是基于玻璃毛细管制备的微流控器件。聚甲基硅氧烷微流控芯片的制备是由Whitesides课题组于1998年首次提出的一种微流控系统快速成型技术[7,39]。该技术首先使用CAD软件设计微流道结构，然后用光刻技术将微流道结构打印到掩膜版上，通过掩膜版将通道复制到硅片上；再将聚甲基硅氧烷液体和引发剂混合之后覆盖到硅片上，然后抽真空除气泡，聚甲基硅氧烷加热固化之后将其从硅片上取下，硅片可重复使用；最后对固化后的聚甲基硅氧烷表面进行等离子处理，然后将其和另一片经过等离子处理的聚甲基硅氧烷或者玻璃进行不可逆的黏接，就得到聚甲基硅氧烷微流控芯片，其制备过程如图1-2（a）所示。竖直通道和弯曲通道都可以精确地制备，如图1-2（b）、（c）所示，制备得到的PDMS微流控芯片具有良好的光学透射性，如图1-2（d）所示。图1-2PDMS微流控芯图片和制备过程示意图[39]PDMS性能优良，具有良好的生物相容性、绝缘性和稳定性，但PDMS也属于高分子
浙江大学硕士学位论文第1章绪论4材料，在部分有机溶剂（例如丙酮等）的作用下会被溶胀，而且PDMS芯片局部细节处理较为困难，从而影响微通道的精确性[40]。基于玻璃毛细管制备的微流控器件最早是由Weitz课题组提出的[41,42]，玻璃毛细管微流控器件制备工艺简单，没有较高的实验环境需求，也不需要太多的实验仪器，通过几根玻璃毛细管的简单组装固定就可以形成特定形式的微通道。而且这种玻璃毛细管微流控器件是真正意义上的三维通道，多数工艺制备的微流控装置中微通道结构都是二维拉伸式的，当流体和微通道壁面接触时，这会对流体的行为造成影响，所以在实际使用过程中都要考虑对微通道进行表面修饰，但现有技术对微流道壁面的修饰效果都不是很理想，无法长期保持。在玻璃毛细管的三维通道中分散相流体不需要和连续相管壁接触，减少了许多表面的处理工艺，如果需要进行表面修饰，玻璃毛细管微流控器件在组装之前也更容易进行表面处理。该制备工艺具有很高的灵活性，可制备单乳微流控器件[36]、双乳微流控器件[36]以及多乳微流控器件[34]，如图1-3（a）~（c），可有效的对微流体进行系统的控制，所以本文也是采用这种装置进行实验研究。图1-3玻璃毛细管微流控器件示意图[34,36]1.2.3微通道中的流体流动根据哈佛大学Weitz组的研究[42]，当一种液体注射到另一种不相溶的液体中时，一般都会有滴流和射流两种形成液滴的方式。当流速较低时，流体在内相出口处会形成液滴，
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于网格无关性与时间独立性的数值模拟可靠性的验证方法[J]. 冯静安,唐小琦,王卫兵,应锐,张亭. 石河子大学学报(自然科学版). 2017(01)
[2]微通道内液-液多相流数值模拟研究进展[J]. 刘向东,孙清,吴梁玉,于程,李蕾,张程宾. 化工进展. 2016(S2)
[3]T型微通道内气液两相流数值模拟[J]. 王琳琳,李国君,田辉,叶阳辉. 西安交通大学学报. 2011(09)
[4]齿形微通道内流流场数值模拟及试验研究[J]. 金文,张鸿雁,何文博. 排灌机械工程学报. 2011(03)
[5]微液滴微流控芯片:微液滴的形成、操纵和应用[J]. 宋文斌,董朝青,任吉存. 分析科学学报. 2011(01)
[6]T形微通道中互不相溶两相流数值模拟[J]. 董贺飞,张德良,赵玉潮,陈光文,袁权. 化工学报. 2008(08)
[7]海藻酸钠溶液粘度特性的研究[J]. 于子森,孔庆山,纪全,夏延致. 科技信息(科学教研). 2007(11)
[8]RNG k-ε模型数值模拟油雾燃烧流场[J]. 郭尚群,赵坚行. 航空动力学报. 2005(05)
本文编号：3570030
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