多重乳液的微流控制备与流动特性研究

发布时间：2020-06-12 18:18

【摘要】：多重乳液独特的多界面耦合结构和内核可设计特性,使其在聚变能源利用、生物医学、先进材料等前沿科技领域获得了广泛应用,而多重乳液的高效可控制备是实现其成功应用的首要环节和必要前提。相较于传统材料消耗巨大、过程控制粗放的多步乳化制备方法(如机械搅拌法、膜乳化法),基于微流控技术的乳液制备方法可以实现对多相流体流动的有效组织和精确操控,从而成为解决传统乳液制备方法成品率低、单分散度差等瓶颈问题的优选方案,同时微流控系统具有体积小,集成化、自动化程度高等诸多优势。因此,该方法已经成为微小尺度多相流研究领域的一个前沿研究热点。然而,我们也必须看到,常规乳液微流控系统的泵驱动源存在着固有波动且制备过程中须间歇性地补充原材料,乳液制品品质及制备连续性均有待提升;同时,传统的二维软光刻微流控芯片也存在着易被试剂溶胀、表面浸润性不易修饰等问题;另外,液核乳液的微流控制备虽然已日趋成熟,但液核乳液应用还存在因内核聚并而产生功能失效等局限,因此,可有效避免内核聚并的固核乳液微流控制备方法也亟待发展。再者,单级微流控制备装置中乳液产率较低,其制备效率还需要大幅度提升。此外,一直以来,基于微流控制备所得乳液模板的前沿应用也是一项重要研究课题。为此,本文致力于开发多种多重乳液微流控制备的新方法与新技术,并采用实验观测、理论分析、数值模拟相结合的研究方法,对多重乳液微流控制备过程中的多相流体动力学行为特性进行深入研究:设计并搭建重力驱动溢流型微流控系统,实验研究不同工况下单乳液和双重乳液的尺寸参数和单分散性特征;研制固-油-水/固-水-油双重乳液的三维流动聚焦式微流控制备装置,探究含固核双重乳液的微流控生成过程;开发乳液三维分裂倍增微流控装置,实验研究装置中单乳液及双重乳液的多倍分裂倍增行为,并建立乳液分裂倍增过程的多相流模型,数值模拟研究乳液分裂过程多相流体动力学行为;提出基于乳液微流控技术一步制备多组分集成型自修复微胶囊新方法,并制备微胶囊样品和测试其修复效果。概括起来,本文的研究内容及获得的主要研究结论如下:(1)开展重力驱动溢流型乳液微流控制备系统的研制及性能实验。设计并搭建两单元和三单元重力驱动溢流型微流控系统,开展超低界面张力两相体系下微流控系统界面稳定性对比验证实验,可视化观测单乳液和双重乳液在微流控芯片中的生成过程,重点实验研究不同工况下单乳液和双重乳液的制备尺寸和单分散性特征。研究结果表明:重力驱动溢流型微流控系统的溢流设计能够为通道内液体提供稳定注入压力,而半开放液体补充装置能够在对流体影响极小的条件下,实现流体连续补充;超低界面张力两相体系中,重力驱动溢流型微流控系统产生的界面扰动要小于传统注射泵驱动微流控系统,从而有助于乳液制备单分性提升;单乳液和双重乳液液滴大小均可通过改变溢流高度进行调节,并且双重乳液相邻两相间的相互作用显著影响液滴大小。(2)开展含固核型多重乳液微流控制备方法研究。研制固-油-水/固-水-油双重乳液的三维流动聚焦式微流控制备装置,实验研究含固核双重乳液的微流控生成过程,揭示含固核双重乳液在流动聚焦式微通道中的典型物理过程,重点分析讨论不同流动参数对多重乳液生成过程的影响,进一步提出并搭建多通道固核微包裹技术。研究结果表明:三维流动聚焦式微流控制备装置可实现固核的三维微包裹,其成功率可达100%,且制备的含固核多重乳液单分散性较好;随着内相和外相流体流量的连续改变会出现微包裹转换状态,该状态介于数目稳定的多核包裹过程之间;多通道微流控装置可将不同种类的固核包裹成一个液滴,实现不同固核组合的包裹;固核的包裹数目由内相惯性力和外相粘性力的竞争关系决定,外相流量较大,粘性力增大,会缩短neck shrinking和neck breakup时间,减少进入凸起结构中的固核数目;内相流量较大,惯性力增大,会加快固核在entering和neck stretch阶段中进入凸起结构中的速度。(3)开展三维微流控通道中乳液分裂倍增行为实验研究。开发乳液三维分裂倍增微流控装置,实验研究装置中单乳液及双重乳液的多倍分裂倍增行为,重点分析不同工况下乳液的分裂参数、单分散性特征及微通道中的分裂机制。研究结果表明:三维微流控通道可将单乳液和双重乳液进行两倍或者三倍分裂倍增,分裂所得的单乳液和双重乳液均具有较好单分散性;受分裂微通道对称性影响,不同子通道中生成的子液滴具有单分散性差异;三倍分裂倍增后,单乳液和双重乳液的尺寸变异系数均比二倍分裂倍增大,这主要是因为三通道毛细管内流体流动的毛细不稳定性比θ形毛细管更强,从而导致变异系数变差;分裂倍增过程中的内液滴受限程度弱于外液滴,导致分裂后双重乳液的内液滴尺寸分布系数总比外液滴差。(4)基于VOF液/液相界面追踪方法研究微通道中的乳液流动破裂动力学行为。建立乳液分裂倍增过程的多相流模型,并验证理论模型的可行性与适用性,数值模拟研究乳液分裂过程多相流体动力学行为,揭示液滴破裂过程中压力场、速度场的演化过程,重点讨论不同流型下液滴破裂的影响机制,并获得液滴破裂流型图。研究结果表明:分裂微通道中的液滴破裂过程存在恒阻塞破裂、狭缝阻塞破裂、隧道破裂和不破裂四种流型;破裂过程中,分裂微通道的出口压力一致;不破裂过程中,液滴会选择性进入分裂微通道,导致出口通道压力产生明显波动;增大外相流体毛细数Ca将会提供更大的上游压力和界面剪切力,从而促进液滴产生形变,利于破裂流型产生;减小液滴尺寸意味着液滴会从塞状向球形转变,减弱与壁面接触,导致液滴变形速率降低,促进不破裂流型产生。(5)开展多重乳液微流控制备材料自修复微胶囊的实验研究。提出基于乳液微流控技术一步制备多组分集成型自修复微胶囊新方法,并制备出集成型多组分微胶囊,表征微胶囊的多腔室结构,重点讨论制备过程中的调控规律和微胶囊对基体的修复效果。研究结果表明:基于两通路协流式毛细管微流控装置制备的集成型多组分微胶囊具有较好的单分散性,其修复剂液滴、固化剂液滴以及壳层的变异系数均小于5%;微胶囊尺寸可通过改变各相流量实现动态调节,增大内相流量,可提高内液滴生长速率,促进内液滴从内相毛细管的出口处脱离,利于产生更多内液滴;减小外相流量,延长外液滴从中间相毛细管上的脱离时间,为内液滴提供更多生长时间,利于产生含有多个内液滴的双重乳液;填充有微胶囊的基体,在一定程度上的应力-应变特性都会较未添加微胶囊的基体变差,但对比修复前后的应力-应变特性变化程度,仍认可集成型自修复微胶囊的修复效果。本文工作较为系统的研究了多种多重乳液的微流控制备新方法、新技术并阐明了乳液微流控制备装置中多重乳液乳化生成过程的流体动力学行为、工艺参数影响规律以及调控机理与方法,相关研究成果不仅可为微流控系统创新性开发及设计优化提供有力支撑,而且将为微小尺度液液/固液多相流体动力学理论完善提供重要素材。
【图文】：

微流控芯片,CNC机床,微机械加工,法制

微流控芯片：（a）CNC 机床；（b）PM璃及金属材料为基底，刻蚀法制备用光刻胶在基底表面形成涂层，然后形状的光刻胶保护膜，最后洗去未曝的部分腐蚀到一定深度，便可获得具的深度通过腐蚀时间长短、腐蚀液浓物例。行的分析芯片制作方法，该方法简单-3 所示，，模塑法首先利用光刻和刻蚀；随后浇注液态高分子材料（高分子

微通道,阳模,刻蚀法,微流控芯片

刻蚀法制作微流控芯片：（a）刻蚀原理；（b）基底表面刻蚀过程；（c）微通道实物[34]
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O648.23;TN492

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