一種微流控設備及其製備包覆液膜單分散氣泡的方法

2023-12-04 07:35:46

專利名稱：一種微流控設備及其製備包覆液膜單分散氣泡的方法
一種微流控設備及其製備包覆液膜單分散氣泡的方法技術領域
本發明屬化工技術領域，具體涉及一種微流控設備及其製備包覆液膜單分散氣泡的方法。技術背景
直徑均一的單分散微氣泡在化學、化工、材料、生物、製藥等諸多領域具有良好的應用前景，表面包覆液膜的氣泡是一種特殊結構的氣泡，可以用於高級發泡材料、光電顯示器材、生物催化材料、藥物膠囊載體等高新技術產品的製造過程。包覆液膜氣泡的製備難點在於控制氣泡的均勻性(單分散性)，以及氣泡直徑和液膜厚度的可調控性，傳統塔型設備內鼓泡的方法難以適應微米尺度氣泡和單分散直徑的製備要求(直徑小於1mm，直徑相對偏差小於5%)，近年來在化學化工領域發展出的微流控設備是實現單分散微氣泡製備的一項新技術手段。
研究結果表明利用T微通道、水力學聚焦微通道、同軸環管微通道等微流控設備微分散設備可以精確控制液滴或氣泡的分散尺寸在數微米至數毫米範圍內，並且液滴或氣泡的直徑相對偏差小於5%，微液滴或微氣泡的分散尺寸與流量、粘度、界面張力等操作條件相關，可以通過改變設備結構和操作條件調整液滴或氣泡的尺寸和分布。在同一微流控設備內組合多種微分散結構可以實現水包油包水、水包油包氣等多重乳液的製備，這些多重乳液製備技術是製備包覆液膜的微氣泡的技術基礎。發明內容
本發明的目的在於提供一種微流控設備及其製備包覆液膜單分散氣泡的方法。
一種雙同軸環管微流控設備，該設備由外層連續相通道、中間層液膜相管道和內層氣相管道依次嵌套而成，其中每個管道的進口獨立與外界連通；該設備連續相通道水力學直徑在200 μ m 1000 μ m，氣相環管道進口水力學直徑為80 μ πΓ300 μ m，液膜相管道的進口前端為圓錐形，錐形尖端水力學直徑為 ο μ πΓ ΟΟ μ m，其進口末端水力學直徑為 120 μ m 800 μ m。
一種利用上述述設備製備包覆液膜單分散氣泡的方法，向設備氣相管道內通入氣相，液膜相管道內通入液膜相，連續相通道內通入連續相，氣相管道和液膜相管道之間的氣相和液膜相呈截面為環狀的分層流流動；液膜相管道末端，氣液兩相受連續相剪切而分散， 出口獲得分散成為包覆液膜的氣泡；其中氣泡直徑通過調整氣相和連續相的流量比來實現或者通過調整外層連續相通道的水力學直徑實現，氣相與連續相的流量比為I :(0.5 200);液膜厚度通過調整液膜相和氣相的流量比來實現，液膜相與氣相流量比為O. 0001 O. 01。
其中氣相、液膜相和連續相為不互溶或者部分互溶的氣-液-液三相流體，三相間界面張力滿足物理關係Y IS〉Y Y KS，其中Y 為氣相和連續相之間的界面張力， Y 為氣相和液膜相之間的界面張力，Y )13^為液膜相和連續相之間的界面張力。
本發明方法的有益效果為利用本發明的微流控設備，通過這種「一級層流、二級剪切」的分散方式可以精確控制氣泡直徑，使其相對偏差小於3%，在5μπι 2000 μ m範圍內可精確控制氣泡直徑，氣泡表面包覆液膜厚度亦可在O. 2 μ m 50 μ m之間精確調控。


圖I為雙同軸環管微流控設備結構示意圖。
圖2為包覆液膜的單分散氣泡；其中標尺為1mm。
具體實施方式
下面通過結合附圖和具體實例對本發明進行進一步說明。
實施例I
使用如附圖1、2所示的雙同軸環管微流控設備，設備外層連續相通道水力學直徑為1000 μ m，中間層液膜相管道進口末端水力學直徑為800μπι，錐形尖端直徑為100 μ m，內層氣相環管道水力學直徑為300 μ m。選擇空氣為氣相，矽油為液膜相，十二烷基磺酸鈉水溶液為連續相，三相的流量比為液膜相氣相連續相=0. 004:1:0. 5。出口獲得的氣泡平均直徑為1940 μ m,直徑相對偏差I. 9%，液膜厚度2. 2 μ m。
實施例2
使用如附圖1、2所示的雙同軸環管微流控設備，設備外層連續相通道水力學直徑為700 μ m，中間層液膜相管道進口末端水力學直徑為600 μ m，錐形尖端直徑為50 μ m,內層氣相環管道水力學直徑為300 μ m。選擇二氧化碳氮氣的混合氣為氣相，矽油為液膜相，十二烷基磺酸鈉和PVA (聚乙烯醇)的水溶液為連續相，三相的流量比為液膜相氣相連續相 =0. 01:1:120。出口獲得的氣泡平均直徑為442 μ m,直徑相對偏差I. 7%，液膜厚度49. 6 μ m。
實施例3
使用類似於附圖1、2所示的雙同軸環管微流控設備，設備外層連續相通道水力學直徑為200 μ m，中間層液膜相管道進口末端水力學直徑為120μπι，錐形尖端直徑為10 μ m， 內層氣相環管道水力學直徑為80 μ m。選擇氮氣為氣相，矽油和正辛烷的混合溶液為液膜相，十二烷基磺酸鈉和PEG (聚乙二醇)的水溶液為連續相，三相的流量比為液膜相氣相 連續相=0. 0001:2:300。出口獲得的氣泡平均直徑為51 μ m，直徑相對偏差2. 2%，液膜厚度O.5 μ rn。
權利要求
1.一種雙同軸環管微流控設備，其特徵在於，該設備由外層連續相通道、中間層液膜相管道和內層氣相管道依次嵌套而成，其中每個管道的進口獨立與外界連通；該設備連續相通道水力學直徑在200 μ m 1000 μ m，氣相環管道進口水力學直徑為80 μ πΓ300 μ m，液膜相管道的進口前端為圓錐形，錐形尖端水力學直徑為ΙΟμπΓ ΟΟμπ ，其進口末端水力學直徑為 120 μ m 800 μ m。
2.一種利用權利要求I所述設備製備包覆液膜單分散氣泡的方法，其特徵在於，向設備氣相管道內通入氣相，液膜相管道內通入液膜相，連續相通道內通入連續相，氣相管道和液膜相管道之間的氣相和液膜相呈截面為環狀的分層流流動；液膜相管道末端，氣液兩相受連續相剪切而分散，出口獲得分散成為包覆液膜的氣泡；其中氣泡直徑通過調整氣相和連續相的流量比來實現或者通過調整外層連續相通道的水力學直徑實現，氣相與連續相的流量比為I :(0. 5 200);液膜厚度通過調整液膜相和氣相的流量比來實現，液膜相與氣相流量比為O. 0001 O. 01。
3.根據權利要求2所述的製備包覆液膜單分散氣泡的方法，其特徵在於，其中氣相、液膜相和連續相為不互溶或者部分互溶的氣-液-液三相流體，三相間界面張力滿足物理關^ Y氣連> Y氣膜+ Y膜連。
全文摘要
本發明公開了屬於化工技術領域的一種微流控設備及其製備包覆液膜單分散氣泡的方法。該方法使用雙同軸環管微流控設備作為分散工具，該設備由外層連續相通道、中間層液膜相管道和內層氣相管道依次嵌套而成，其中每個管道的進口獨立與外界連通；利用「一級層流、二級剪切」的分散方式在連續相中製備出包覆液體薄膜的均勻氣泡。該技術可以精確控制氣泡直徑相對偏差小於3%，在70μm ~ 2000μm範圍內可精確控制氣泡直徑，氣泡表面包覆液膜厚度亦可在0.2μm ~ 50μm之間精確調控。
文檔編號B01L3/00GK102974411SQ20121047930
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月22日 優先權日2012年11月22日
發明者駱廣生, 王凱, 王濤, 秦康, 楊路 申請人:清華大學