用于贵金属纳米粒子可控合成的微流控芯片设计与实验研究

发布时间：2017-12-22 23:22

  本文关键词：用于贵金属纳米粒子可控合成的微流控芯片设计与实验研究　出处：《吉林大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： 压电驱动 微流控芯片 贵金属纳米粒子 可控合成 微混合 芯片封装

【摘要】：微流控芯片具有微型化、精确控制流体、消耗资源少、反应高效和便于携带等特点,在化学合成方面显现出巨大优势。但针对目前微流控芯片存在集成化差、混合效率低、功能单一、适用范围窄、工工作稳定性差等缺点,本文提出了一种适用于多种反应体系、高效、工作稳定性高的集成式微流控芯片。本文以压电驱动技术为基础,将微流控制单元、微混合单元、微反应单元等灵活组合并规模集成在一块芯片上,是一种过程可控、主动性更强、适用范围广的多功能集成式微流控芯片,适用于多种反应试剂、反应过程复杂、过程难以控制、高温等条件下的化学反应,尤其适用于贵金属纳米粒子的可控合成。该芯片一方面通过高频脉动混合方式提高了主动混合效率,促使流体间的高效混合;另一方面通过设计相关电控单元提高了微流控芯片的工作稳定性,并可实现变比例混合。本文具体的研究内容如下:在阐述微混合相关理论的基础上,研究增强流体混合效果的方法和机理,采用新型主动式微流体混合技术——三相流脉动微混合方式实现流体间高效均匀混合。对微型压电泵进行结构设计,优选泵体、压电振子及微阀的结构参数和材料种类;在探究微流控芯片制作工艺基础上,利用耐热材料(PDMS、环氧玻璃纤维板等)制作微泵样机并测试其工作性能,结果表明:在频率f = 150Hz、电压 V=50V的条件下,双腔串、并联泵的流量分别可达6.9ml/min、7.8ml/min,输出压力分别可达17.8kPa、7.9kPa。利用ANSYS软件建立微流体仿真分析系统对微混合单元进行CFD仿真模拟,研究微流道结构参数和驱动控制参数对流体混合的影响。并利用FLUENT、Tecplot及MATLAB软件进行数据处理和计算,比较分析浓度分布图和混合度值曲线图,得出最优结构参数和控制参数:混合微流道宽度W = 0.4mm,入口微流道夹角θ=120°,入口流量Q = 3.5ml/min及微泵工作频率f = 200Hz;此时混合度数值σ可达0.97。对微混合单元的CFD仿真分析为微流控芯片的设计制作和后期实验参数的设定奠定了基础。根据优选的微流道结构参数,将微流控制单元、微混合单元、微反应单元等灵活组合并规模集成在一块芯片上,最终确定整机尺寸为100ww×50mm× 5mm,实现了微流控芯片的集成化、微型化、智能化和便携化。探究微流控芯片的制作工艺和表面改性技术,改善了 PDMS基片的疏水性,提升了键合效果,实验验证:制作完成的微流控芯片的平均键合强度为52.4kPa。分析影响微流控芯片工作稳定性的因素,设计了相关电控单元来提高微流控芯片的工作稳定性,并实现了等比例与变比例混合。利用自制的压电驱动集成式微流控芯片进行贵金属纳米粒子可控合成的实验研究,证实了芯片在复杂化学合成方面的优势。此芯片不仅适用于高温、多种反应体系,而且对纳米粒子的合成具有可控性。银纳米粒子合成实验结果表明:NaOH溶液可促进还原速率,主要影响粒径和粒径均一性;还原剂浓度主要影响成核阶段和晶核生长阶段中提供的银原子数量,进而影响粒径和单分散性;PVP用量主要影响形貌和单分散性,可有效抑制银纳米粒子的团聚;入口流量主要影响产率和单分散性;温度主要影响粒径均一性、产率和形貌,实际上影响的是晶核生成速率与晶核成长速率之间的关系。在C_(NaOH)/C_(AgNO_3)=2:1、C_(C6H12O_6)/C_(AgNO_3)=4:1、mPVP≥1:1、Q = 3.5ml//min、T = 80℃条件下合成了粒径约为30nm、均一性及单分散性较好的球形或类球形银纳米粒子。金纳米粒子合成实验结果表明:利用自制的微流控芯片合成金纳米粒子的粒径偏差更小、单分散性更好,粒度分布偏差比以往减小6%;并且发现不同实验因素对金纳米粒子的影响与银纳米粒子大致相同。此外,还利用微流控芯片通过改变金的摩尔分数制备了不同吸收峰的金银合金纳米粒子。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN492;TB383.1

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本文编号：1321482