外部激励作用下毛细流动聚焦的实验研究
发布时间：2021-12-10 22:02
微米尺度的液滴（微液滴）在科学研究和工程应用中具有重要的价值。近年来,学者们基于微纳尺度流动方法开发了多种微液滴制备技术,可以一步到位地生成多种结构的微液滴。常见的微流控芯片技术与玻璃毛细管技术均可以在滴模式下制备高单分散微液滴,但都具有较低的通量。毛细流动聚焦（简称流动聚焦,Flow focusing）是一种“高速”的微纳尺度流动方法,其原理为从毛细管流出的流体在另一种流体的驱动下,经过小孔形成稳定的锥-射流（Cone-jet）结构,射流在下游由于不稳定性破碎形成微液滴。流动聚焦技术可以克服低通量的缺点,但是在射流模式下制备微液滴时带来了单分散性差的问题。主动激励技术则可以通过引入外部能量来控制微液滴的生成,但是目前在激励作用下通过调控射流来制备均匀微液滴的研究相对较少,且主要集中于微管道内液体流动,对复合射流的研究则更为缺乏。主动激励技术可以调控射流的特点,给流动聚焦高通量制备各种结构的均匀微液滴带来可能性。本文结合实验、数值模拟方法,研究了主动激励流动聚焦（Active flow focusing,AFF）（包括单轴、同轴以及多轴）中不同结构射流的破碎规律以及微液滴控制方法,主要...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１单乳液滴和双乳液滴
?第１章绪论???无碳复写纸、电子油墨和二氧化碳吸附等［１８］。对于多核双乳液滴而言，其组合方??〇?〇?〇??Ｗ／ＯＷ?Ｏ／Ｏｒ－Ｗ?Ｏ／ＷＷ?Ｗ／ＷＷ?Ｇ／Ｏ－Ｗ?Ｇ／Ｗ－－Ｗ??Ｏ／Ｗ＇Ｏ?ＷＷ／Ｏ?Ｗ；〇／〇?〇／〇／〇?ＧＭＶＯ?ＧｌＱｆＯ??图１．２具有不同组合方式的双乳液滴ｌ１＇??式则更为灵活，近年来，包含有不同成分的多核双乳液滴也己经引起科学家们越??来越多的研宄兴趣［７，１７，１９］。这种多核双乳液滴可以具有多个不同成分的内核，如??图１．１（ｂ）所示，由于其相较于单核双乳液滴具有更为复杂的形貌和功能，以多核??双乳液滴为模板进行微胶囊化在可编码胶体晶体、微反应器、微混合器和自修复??微胶囊等领域中具有很大的应用潜力［２？２６］。??１．１微流动液滴制备技术??单分散微液滴的制备己经引起了广泛的关注，因为它们涉及了各领域的诸??多实际应用。其重要的应用价值推动了多种微液滴制备技术的发展，其物理制备??方法主要有传统的乳化法以及近些年来新兴的微流动方法。传统乳化法是利用??高速搅拌或超声等将外界能量注入到系统中，从而使一种溶液（分散相）分散在??另一种溶液（连续相）中，也可以将中间乳液进一步乳化而形成更高阶的多乳液??滴１２７］。乳化法可以逐层乳化、逐层组装，其操作简单，生产率高，至今仍然被??广泛地应用在工业生产中，但乳化法在制备过程中存在易损害被包裹物质的活??性、无法精确控制液滴的尺寸、包裹率较低以及无法制备结构更为复杂的多乳??液滴等诸多问题。因此，近年来发展了多种新兴的微流动方法，比如：微流控芯??片（Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ?ｃｈｉｐ）［２８］、玻璃毛细管（
?第１章绪论???（ａ）?（ｂ）???（ｃ）????Ｑ／Ｑ．??＃?ｊ％?ｉ＾＼??１＾＊０?ｉ?卿??（，?＜ｅ，?腦ＩＩ?画??ｉｊ?邏画ｒ顆??１?卜謂??ｕＷｄ?＇，：＿圓＿‘｜??７ｉ￣ｖ＾ｓ?ｆｒｙ?４，Ｗ＜＾３Ｔ＾＾．?■＿??Ｗｃ??图１．４微流控芯片中最常见的几种基本几何构型。（ａ）?Ｔ形通道；（ｂ）同流动（Ｃｏ－ｆｌｏｗ）；?（ｃ）??流动聚焦（Ｆｌｏｗ?ｆｏｃｕｓｉｎｇ）：?（ｄ）?ＰＤＭＳ芯片Ｔ形通道制备单分散性油滴丨５１丨；（ｅ）ＰＤＭＳ??芯片平面流动聚焦构型制备单分散性水滴１２８１。??示；（ｉｉｉ）平面流动聚焦（Ｐｌａｎｎｅｒ?ｆｌｏｗ－ｆｏｃｕｓｉｎｇ），被聚焦流体从中间通道流入，另??一种不混溶的驱动流体从两侧通道流入，两种流体同时流向三个通道的下游并??在小孔处聚焦。在驱动流体的剪切力和粘性力的作用下，内部的被聚焦流体被拉??伸形成一股射流，在小孔内或下游发生破碎形成微液滴，如图］．４（ｃ）所示。Ａｎｎａ??等人首次使用平面流动聚焦几何构型制备单分散Ｗ／０乳液Ｐ８：！，当两种流体属性??和芯片的结构参数保持不变时，可以通过改变两种液体的流量观察到不同的实??验现象，平面流动聚焦不仅可以制备与小孔大小相当的液滴（滴模式），还可以制??备尺寸更小的液滴（远小于小孔尺度，射流模式），如图１．４（ｅ）所示。??多乳液滴的制备通常可以采取两种方式：分步乳化和一步制备。其中分步??乳化指的是使用一系列制备单乳液滴的基本构型进行串联，最内层液滴在第一??级处生成，然后流入到下一级通道中，进而乳化成更高阶液滴。通过控制串联单??元的数量和每级液滴的生
【参考文献】：
期刊论文
[1]流动聚焦及射流不稳定性[J]. 司廷,李广滨,尹协振. 力学进展. 2017(00)
[2]Simulation of incompressible multiphase flows with complex geometry using etching multiblock method[J]. Haoran LIU,Kai MU,Hang DING. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2016(11)
[3]微流控器件中的多相流动[J]. 陈晓东,胡国庆. 力学进展. 2015(00)
[4]PZT压电陶瓷制备中的几个问题[J]. 牟国洪,杨世源,李翔,张福平. 材料导报. 2004(03)
博士论文
[1]交流电场调控复合液滴的融合与释放机理及实验研究[D]. 贾延凯.哈尔滨工业大学 2019
[2]液驱流动聚焦中界面失稳及耦合研究[D]. 穆恺.中国科学技术大学 2018
[3]流动聚焦制备多功能复合型微载体实验研究[D]. 吴强.中国科学技术大学 2018
[4]双乳液滴内核可控包裹与融合机制及实验研究[D]. 侯立凯.哈尔滨工业大学 2017
[5]流动聚焦技术制备药物微载体研究[D]. 朱志强.中国科学技术大学 2017
[6]各向异性微球的微流控制备及其在生物分析中的应用[D]. 商珞然.东南大学 2017
[7]复合流动聚焦的实验和理论研究[D]. 李广滨.中国科学技术大学 2016
本文编号：3533470
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１单乳液滴和双乳液滴
?第１章绪论???无碳复写纸、电子油墨和二氧化碳吸附等［１８］。对于多核双乳液滴而言，其组合方??〇?〇?〇??Ｗ／ＯＷ?Ｏ／Ｏｒ－Ｗ?Ｏ／ＷＷ?Ｗ／ＷＷ?Ｇ／Ｏ－Ｗ?Ｇ／Ｗ－－Ｗ??Ｏ／Ｗ＇Ｏ?ＷＷ／Ｏ?Ｗ；〇／〇?〇／〇／〇?ＧＭＶＯ?ＧｌＱｆＯ??图１．２具有不同组合方式的双乳液滴ｌ１＇??式则更为灵活，近年来，包含有不同成分的多核双乳液滴也己经引起科学家们越??来越多的研宄兴趣［７，１７，１９］。这种多核双乳液滴可以具有多个不同成分的内核，如??图１．１（ｂ）所示，由于其相较于单核双乳液滴具有更为复杂的形貌和功能，以多核??双乳液滴为模板进行微胶囊化在可编码胶体晶体、微反应器、微混合器和自修复??微胶囊等领域中具有很大的应用潜力［２？２６］。??１．１微流动液滴制备技术??单分散微液滴的制备己经引起了广泛的关注，因为它们涉及了各领域的诸??多实际应用。其重要的应用价值推动了多种微液滴制备技术的发展，其物理制备??方法主要有传统的乳化法以及近些年来新兴的微流动方法。传统乳化法是利用??高速搅拌或超声等将外界能量注入到系统中，从而使一种溶液（分散相）分散在??另一种溶液（连续相）中，也可以将中间乳液进一步乳化而形成更高阶的多乳液??滴１２７］。乳化法可以逐层乳化、逐层组装，其操作简单，生产率高，至今仍然被??广泛地应用在工业生产中，但乳化法在制备过程中存在易损害被包裹物质的活??性、无法精确控制液滴的尺寸、包裹率较低以及无法制备结构更为复杂的多乳??液滴等诸多问题。因此，近年来发展了多种新兴的微流动方法，比如：微流控芯??片（Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ?ｃｈｉｐ）［２８］、玻璃毛细管（
?第１章绪论???（ａ）?（ｂ）???（ｃ）????Ｑ／Ｑ．??＃?ｊ％?ｉ＾＼??１＾＊０?ｉ?卿??（，?＜ｅ，?腦ＩＩ?画??ｉｊ?邏画ｒ顆??１?卜謂??ｕＷｄ?＇，：＿圓＿‘｜??７ｉ￣ｖ＾ｓ?ｆｒｙ?４，Ｗ＜＾３Ｔ＾＾．?■＿??Ｗｃ??图１．４微流控芯片中最常见的几种基本几何构型。（ａ）?Ｔ形通道；（ｂ）同流动（Ｃｏ－ｆｌｏｗ）；?（ｃ）??流动聚焦（Ｆｌｏｗ?ｆｏｃｕｓｉｎｇ）：?（ｄ）?ＰＤＭＳ芯片Ｔ形通道制备单分散性油滴丨５１丨；（ｅ）ＰＤＭＳ??芯片平面流动聚焦构型制备单分散性水滴１２８１。??示；（ｉｉｉ）平面流动聚焦（Ｐｌａｎｎｅｒ?ｆｌｏｗ－ｆｏｃｕｓｉｎｇ），被聚焦流体从中间通道流入，另??一种不混溶的驱动流体从两侧通道流入，两种流体同时流向三个通道的下游并??在小孔处聚焦。在驱动流体的剪切力和粘性力的作用下，内部的被聚焦流体被拉??伸形成一股射流，在小孔内或下游发生破碎形成微液滴，如图］．４（ｃ）所示。Ａｎｎａ??等人首次使用平面流动聚焦几何构型制备单分散Ｗ／０乳液Ｐ８：！，当两种流体属性??和芯片的结构参数保持不变时，可以通过改变两种液体的流量观察到不同的实??验现象，平面流动聚焦不仅可以制备与小孔大小相当的液滴（滴模式），还可以制??备尺寸更小的液滴（远小于小孔尺度，射流模式），如图１．４（ｅ）所示。??多乳液滴的制备通常可以采取两种方式：分步乳化和一步制备。其中分步??乳化指的是使用一系列制备单乳液滴的基本构型进行串联，最内层液滴在第一??级处生成，然后流入到下一级通道中，进而乳化成更高阶液滴。通过控制串联单??元的数量和每级液滴的生
【参考文献】：
期刊论文
[1]流动聚焦及射流不稳定性[J]. 司廷,李广滨,尹协振. 力学进展. 2017(00)
[2]Simulation of incompressible multiphase flows with complex geometry using etching multiblock method[J]. Haoran LIU,Kai MU,Hang DING. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2016(11)
[3]微流控器件中的多相流动[J]. 陈晓东,胡国庆. 力学进展. 2015(00)
[4]PZT压电陶瓷制备中的几个问题[J]. 牟国洪,杨世源,李翔,张福平. 材料导报. 2004(03)
博士论文
[1]交流电场调控复合液滴的融合与释放机理及实验研究[D]. 贾延凯.哈尔滨工业大学 2019
[2]液驱流动聚焦中界面失稳及耦合研究[D]. 穆恺.中国科学技术大学 2018
[3]流动聚焦制备多功能复合型微载体实验研究[D]. 吴强.中国科学技术大学 2018
[4]双乳液滴内核可控包裹与融合机制及实验研究[D]. 侯立凯.哈尔滨工业大学 2017
[5]流动聚焦技术制备药物微载体研究[D]. 朱志强.中国科学技术大学 2017
[6]各向异性微球的微流控制备及其在生物分析中的应用[D]. 商珞然.东南大学 2017
[7]复合流动聚焦的实验和理论研究[D]. 李广滨.中国科学技术大学 2016
本文编号：3533470
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