用于制備單分散液滴和氣泡的微結構裝置及其使用方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于流體微分散技術領域，特別涉及一種用于制備單分散液滴和氣泡的微結構裝置及其使用方法。
【背景技術】
[0002]單分散液滴和氣泡在食品、制藥、化妝品和其他化學工業中有著廣泛的應用。在傳統過程中，利用非均相剪切流所得到的液滴和氣泡尺寸分布較寬，難以高效利用。近二十年來，微通道加工技術與微流動研宄的發展為化學、物理、生物的基礎研宄提供了新的工具，也為新材料的制備構建了新的平臺。研宄者基于不同的通道結構，制備得到了不同尺寸的單分散液滴和氣泡。但現階段工作中，更小尺寸液滴和氣泡的形成往往基于更小尺寸的微結構設備，小尺寸的微結構設備帶來了制作困難、成本高和易堵塞等問題，因而利用大尺寸通道制備微尺度、特別是1-100微米的單分散液滴和氣泡的方法亟待進一步探索。
[0003]微結構設備中，jetting流型所形成的液滴和氣泡不受到微通道結構尺寸的影響，因而利用jetting流制備微尺度單分散液滴和氣泡成為微液滴/微氣泡制備領域關注的焦點之一。目前，研宄者基于對稱的水力學聚焦結構實現了 jetting流型下的微尺度液滴和氣泡制備。但水力學聚焦通道的制作復雜、成本較高，在對稱流場中形成的jetting流型受到水力學不穩定性的影響，難以在較大范圍實現穩定操作。因此，發展在大尺寸通道內、可控性更強、具有更大穩定操作范圍的jetting流型下的微尺度單分散液滴和氣泡的制備方法，具有重要的科學意義和實際價值。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種用于制備單分散液滴和氣泡的微結構裝置及其使用方法，通過連續相對分散相在非對稱流場下的剪切作用，形成較主通道尺寸小一至兩個數量級的微尺度單分散液滴和氣泡。
[0005]一種用于制備單分散液滴和氣泡的微結構裝置，所述微結構裝置的組成包括基片、蓋片及毛細管；
[0006]在基片上設置階梯形凹槽作為主通道；主通道由上游的寬徑區和下游的窄徑區構成；寬徑區的寬度大于窄徑區的寬度，寬徑區與窄徑區相連通構成階梯形結構；在基片上主通道一側設置旁路通道；旁路通道垂直于主通道，旁路通道與主通道在主通道寬度收縮處交匯；
[0007]在基片主通道一側設置蓋片，蓋片與基片主通道一側密封相連；
[0008]旁路通道內設置毛細管，毛細管與旁路通道和蓋片分別密封相連，毛細管伸入主通道并與主通道相通；在主通道中毛細管口設置在寬徑區與窄徑區的連接處；
[0009]在寬徑區入口處設置連續相流體入口管，連續相流體入口管與主通道和蓋片分別密封相連；在窄徑區出口處設置兩相流體出口管，兩相流體出口管與主通道和蓋片分別密封相連；
[0010]通過蓋片、毛細管、連續相流體入口管和兩相流體出口管使主通道形成密封結構。[0011 ] 在主通道中所述毛細管口為縮口形狀。
[0012]所述毛細管的內徑為50?1000微米，材質為玻璃、石英玻璃、不銹鋼或聚四氟乙烯。
[0013]所述連續相入口管和兩相流體出口管分別為微型毛細管，內徑分別為50?1000微米，材質分別為聚四氟乙烯、不銹鋼、玻璃或石英玻璃.
[0014]所述毛細管的外徑不小于旁路通道的深度。
[0015]在主通道內毛細管口的寬度不大于窄徑區寬度的二分之一。
[0016]所述基片的材質為PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PDMS (聚二甲基硅氧烷)、玻璃、不銹鋼、硅片或聚四氟乙烯。
[0017]一種用于制備單分散液滴和氣泡的微結構裝置的使用方法，包括如下步驟:
[0018]操作時，使用注射泵將分散相自通過毛細管注入，將連續相通過主通道上游的連續相流體入口管注入；在主通道內的毛細管口處，受到連續相非對稱突擴流場的作用，分散相流體在主通道內毛細管口的下游側被剪切形成均勻的液滴或氣泡；經由主通道下游的兩相流體出口管，通過收集裝置收集所制備的單分散液滴和氣泡。
[0019]連續相和分散相的體積流量比范圍為(30:1)?(10000:1)。
[0020]本發明的有益效果為:
[0021]本發明所形成的非對稱縮口結構能夠實現液滴在jetting流型下較大操作范圍內的穩定破碎；縮口處脖子斷裂所形成的單分散液滴和氣泡的尺寸最小可較主通道尺寸小一至兩個數量級，且易于調節；本發明結構簡單、制作方便、不易堵塞、易于批量生產；本發明對氣液、液液體系均可適用，且不受通道浸潤性的影響，可實現易與通道反應的聚合物單體體系作為分散相時的液滴分散。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明制備單分散液滴和氣泡的微結構設備的結構示意圖；
[0023]圖2為圖1所示A處的放大圖；
[0024]圖中標號:1-基片、2-寬徑區、3-窄徑區、4-毛細管、5-連續相流體入口管、6-兩相流體出口管。
【具體實施方式】
[0025]本發明提供了一種用于制備單分散液滴和氣泡的微結構裝置及其使用方法，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步說明。
[0026]一種用于制備單分散液滴和氣泡的微結構裝置，所述微結構設備的結構如圖1所示，圖2為圖1所示A處的放大圖，所述微結構裝置的組成包括基片1、蓋片及毛細管4 ;
[0027]在基片I上設置階梯形凹槽作為主通道；主通道由上游的寬徑區2和下游的窄徑區3構成；寬徑區2的寬度大于窄徑區3的寬度，寬徑區2與窄徑區3相連通構成階梯形結構；在基片I上主通道一側設置旁路通道；旁路通道垂直于主通道，旁路通道與主通道在主通道寬度收縮處交匯；
[0028]在基片I主通道一側設置蓋片，蓋片與基片I主通道一側密封相連；
[0029]旁路通道內設置毛細管4，毛細管4與旁路通道和蓋片分別密封相連，毛細管4伸入主通道并與主通道相通；在主通道中毛細管口設置在寬徑區2與窄徑區3的連接處；
[0030]在寬徑區2入口處設置連續相流體入口管5，連續相流體入口管5與主通道和蓋片分別密封相連；在窄徑區3出口處設置兩相流體出口管6，兩相流體出口管6與主通道和蓋片分別密封相連；
[0031]通過蓋片、毛細管4、連續相流體入口管5和兩相流體出口管6使主通道形成密封結構。
[0032]在主通道中所述毛細管口為縮口形狀。
[0033]所述毛細管4的內徑為50?1000微米，材質為玻璃、石英玻璃、不銹鋼或聚四氟乙烯。
[0034]所述連續相入口管5和兩相流體出口管6分別為微型毛細管，內徑分別為50?1000微米，材質分別為聚四氟乙稀、不銹鋼、玻璃或石英玻璃.
[0035]所述毛細管4的外徑不小于旁路通道的深度。
[0036]在主通道內毛細管口的寬度不大于窄徑區寬度的二分之一。
[0037]所述基片I的材質為PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PDMS (聚二甲基硅氧烷)、玻璃、不銹鋼、硅片或聚四氟乙烯。
[0038]一種用于制備單分散液滴和氣泡的微結構裝置的使用方法，包括如下步驟:
[0039]操作時，使用注射泵將分散相自通過毛細管4注入，將連續相通過主通道上游的連續相流體入口管5注入；在主通道內的毛細管口處，受到連續相非對稱突擴流場的作用，分散相流體在主通道內毛細管口的下游側被剪切形成均勻的液滴或氣泡；經由主通道下游的兩相流體出口管6，通過收集裝置收集所制備的單分散液滴和氣泡。
[0040]連續相和分散相的體積流量比范圍為(30:1)?(10000:1)。
[0041]實施例1
[0042]PMMA為基片材質的主通道寬徑區寬度為1200微米、下游寬度為750微米，旁路通道寬度為750微米，主通道與旁路通道均為方形凹槽，深度均為750微米，將外徑為750微米、內徑為530微米的平頭石英毛細管嵌入旁路通道并向主通道一側伸出，伸出長度為520微米。利用聚四氟乙烯軟管將連續相注入，并將兩相流體收集。加入十二烷基硫酸鈉(SDS，在連續相中的質量分數為0.01wt%?2wt%)或十六烷基三甲基溴化銨(CTAB，在連續相中的質量分數為0.01wt%? 2wt% )等水溶性表面活性劑的水溶液作為連續相，加入不同質量濃度的甘油(在連續相中的質量分數為lwt%?70wt%)以調節連續相粘度，連續相粘度為ImPa.s?500mPa.s，正己烷作為分散相，調節兩相流量可以得到平均尺寸I?1000微米、標準偏差不大于3%的微尺度單分散正己烷液滴。
[0043]實施例2
[0044]不銹鋼為基片材質的的主通道寬徑區寬度為1400微米、下游寬度為750微米，旁路通道寬度為540微米，主通道與旁路通道均為方形凹槽，深度均為540微米，將外徑為540微米、內徑為310微米的不銹鋼毛細管嵌入旁路通道并向主通道一側伸出，伸出長度為520微米。利用聚四氟乙烯軟管將連續相注入，并將兩相流體收集。加入十二烷基硫酸鈉(SDS，在連續相中的質量分數為0.01wt%? 2wt% )或十六烷基三甲基溴化銨(CTAB，在連續相中的質量分數為0.01wt%? 2wt% )等水溶性表面活性劑的水溶液作為連續相，加入不同質量濃度的甘油(在連續相中的質量分數為lwt%? 70wt% )以調節連續相粘度，連續相粘度為ImPa.s?500mPa.s，正己烷作為分散相，調節兩相流量可以得到平均尺寸為I?1000微米、標準偏差不大于3%的微尺度單分散正己烷液滴。
[0045]實施例3
[0046]聚四氟乙烯為基片材質的的主通