一種可調控的液滴自驅動微反應器的製備方法與流程
2023-11-01 14:07:13 2
本發明屬於高分子材料製備領域，尤其涉及一種可調控的液滴自驅動微反應器的製備方法。
背景技術：
微反應器是一種單元反應界面寬度為微米量級的微型化化學反應系統，是90年代興起的微化工技術。它是指以反應為主要目的，以一個或多個微反應器為主，同時還可能包括有微混合、微換熱、微分離、微萃取等輔助裝置及微傳感器和微執行器等關鍵組件的一個微反應系統。具體來說，微反應器一般是指通過微加工技術和精密加工技術製造的帶有微結構的反應設備，微反應器內的流體通道或者分散尺度在微米量級，而微反應器的處理量則依據其應用的目的的不同達到從數微升每分鐘到數萬立方米每年的規模。近年來，基於某些特定的反應對流道表面潤溼性的要求，表面潤溼性開始被引入到微反應器中，利用潤溼性可以有效的調控流體在流道中的移動。
傳統的微反應系統主要通過光刻、蝕刻和機械加工的方法在矽片、玻璃、聚二甲基矽氧烷和聚甲基丙烯酸甲酯等材料上製作，但這些製備方法存在著製備設備昂貴，製備過程複雜，流道精度不準確等缺點，並大多數需要外部輔助設施來提供動力，大大限制了微反應器的工業化進程。在微反應器中結合潤溼性，製作具有潤溼梯度的微反應器流道，可以實現液滴的自驅動，從而減少需要外部輔助的需求。目前的微反應系統存在製作設備昂貴，製備過程複雜，流道精度不準確、不可調控，需要外部輔助等問題，而市場上將潤溼梯度與微反應器結合的研究少之又少，對於能夠調控的液滴自驅動微反應器的研究幾乎沒有。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明提供一種可調控的液滴自驅動微反應器的製備方法，針對現有技術的不足，實現了微流體的自驅動及其調控，極大降低了流體驅動調控成本，具有便攜、經濟、快速、高效等特點，實現廣泛應用。
為此採用如下的技術方案：一種可調控的液滴自驅動微反應器的製備方法，其特徵在於包括以下步驟：
步驟（1）製備塗覆液：將聚二甲基矽氧烷的預聚物與交聯劑以質量為10:1的比例混合攪拌均勻，之後放置在真空乾燥箱中用真空泵抽取20min，去除溶液中的氣泡，製得聚二甲基矽氧烷的塗覆液；
步驟（2）製備掩蓋板：取一片長50mm、寬25mm、厚1mm的矽模板，利用三維繪圖軟體繪製出梯度結構排布圖，所述梯度結構排布圖是以直徑為10μm、深40μm的單元孔在模板上呈梯度分布，所述梯度分布方式以沿模板長邊為準，以第一個1mm的距離內單元孔間距為10μm，在第二個1mm的距離內單元孔間距增至20μm並以此類推；然後以繪製的梯度結構排布圖為參照，對矽模板進行雕刻處理；選用的基底為玻璃基底，並對其進行預清洗，即將玻璃基底依次在丙酮、無水酒精、去離子水中超聲10~20min，超聲頻率為50~100hz，之後用水洗淨並進行乾燥處理；然後將處理好的矽模板緊密貼合在預清洗後的玻璃基底表面上；將步驟（1）製備的塗覆液通過旋塗的方式均勻覆蓋在矽模板表面，具體旋塗方式的旋塗次數為1次，先以每分鐘1500轉的速率旋塗5s，再以每分鐘8000轉的速率旋塗20s，最後以每分鐘1500轉的速率旋塗5s，之後將旋塗有塗覆液的矽模板以溫度為75℃乾燥20min，從而在矽模板表面上形成塗覆液的薄膜；
步驟（3）製備具有柔性的多級梯度結構表面：準備厚度為1mm、寬為25mm的vhb膠帶，先將vhb膠帶拉伸，並維持50%的應變量，然後將步驟（2）製得的掩蓋板旋塗有塗覆液薄膜的一面與拉伸後的vhb膠帶緊密貼合，在溫度為80℃的烘箱中處理2個小時；之後將玻璃基底與矽模板揭下，複製了矽模板梯度結構的塗覆液薄膜便與vhb膠帶緊密貼合；最後釋放對vhb膠帶的拉力，緊貼在vhb膠帶表面上的聚二甲基矽氧烷薄膜便由於收縮力在其表面上產生屈曲與梯度相結合的多級結構；
步驟（4）製備遮擋板：使用三維繪圖軟體繪製出一個等邊梯形，梯形上短邊長25mm，下長邊長82.8mm，高50mm，兩腰長115mm且與上下邊夾角分別為120°和60°，取一厚度0.3mm、尺寸與上述等邊梯形相同的銅片，將銅片沿梯形的高摺疊使之夾角呈90°，即折成一楔形的遮擋板；
步驟（5）製備化學梯度與柔性多級梯度結構相結合的表面：將步驟（4）製得的遮擋板的三角形長邊處覆蓋在步驟（3）製備的具有柔性的多級梯度結構表面上，遮擋板的楔形開口方向為vhb膠帶上柱子更密集的方向；將其放置在等離子表面處理機中處理60min後取出，將遮擋板移去後即得到化學梯度與柔性多級梯度結構相結合的表面；
步驟（6）將至少3條通過步驟（1）至（5）製得的化學梯度與柔性多級梯度結構相結合的表面，按照表面柱子由疏到密的順序，將至少3條上述結構的表面從上至下排列成一個「y」字型，組裝成一個微反應器；至少兩種反應流體會先匯集於交叉口反應，之後再流向豎直的流道。
根據本發明所述的製備方法製備的一種可調控的液滴自驅動微反應器，在柔性多級梯度結構表面的基礎上，結合了材料表面的化學性能變化形成的化學梯度，進一步增強了材料表面驅動液滴定向運輸的能力。同時改變了材料的物理結構與化學結構：屈曲上的柱狀結構從左到右其梯度變化為由疏到密，從而致使材料的疏水性從左到右由強變弱；經過等離子處理後的材料由於遮擋板的作用，其受到的反應程度從左到右其梯度變化為由小到大，材料本身為疏水性，經過處理後會變為親水性，從而致使材料的疏水性從左到右由強變弱。兩者的結合極大的提高了材料對於液滴的定向驅動能力，排成「y」字型後，兩種反應流體會先匯集於交叉口反應，之後再流向豎直的流道。並且由於是以柔性的vhb膠帶為基底製備的多級結構，還可以通過對基底的拉伸來實現多級結構排列密度的變化，從而實現對液滴定向驅動速度的控制，從而來調控反應進行的速率。
本發明的有益效果是：
1）使材料的物理梯度與化學梯度相結合，進一步提高的材料定向驅動液滴的能力。
2）以通過對柔性基底的拉伸來改變梯度結構的排布密度，改變了材料表面的疏水性程度，從而可以對反應流體流動速率進行調控，操作簡單，無需外部輔助設備。
3）通過設計能使得液滴充分混合和快速運輸，從而提高微反應器效率。
4）製備方法經濟，操作便捷。
附圖說明
圖1為具有柔性的多級梯度結構表面的製備示意圖，圖中標號為：1為vhb膠帶，2為塗覆液薄膜，3為矽模板，4為玻璃基底，5為屈曲與梯度相結合的多級結構。
圖2為多級結構表面等離子處理示意圖，其中6為遮擋板。
具體實施方式
下面結合附圖進一步說明本發明。
參照附圖。實施例1本實施例包括以下步驟：
步驟（1）製備塗覆液：5g聚二甲基矽氧烷（pdms）塗覆液的預聚物與0.5g交聯劑混合攪拌均勻，之後放置在真空乾燥箱中用真空泵抽取20min，去除溶液中的氣泡，製得聚二甲基矽氧烷的塗覆液；
步驟（2）製備掩蓋板：取一片長50mm、寬25mm、厚1mm的矽模板3，利用三維繪圖軟體繪製出梯度結構排布圖，所述梯度結構排布圖是以直徑為10μm、深40μm的單元孔在模板上呈梯度分布，所述梯度分布方式以沿模板長邊為準，以第一個1mm的距離內單元孔間距為10μm，在第二個1mm的距離內單元孔間距增至20μm並以此類推；然後以繪製的梯度結構排布圖為參照，對矽模板進行雕刻處理；選用的基底為玻璃基底，並對其進行預清洗，即將玻璃基底依次在丙酮、無水酒精、去離子水中超聲10~20min，超聲頻率為50~100hz，之後用水洗淨並進行乾燥處理；然後將處理好的矽模板緊密貼合在預清洗後的玻璃基底表面上；將步驟（1）製備的塗覆液通過旋塗的方式均勻覆蓋在矽模板表面，具體旋塗方式的旋塗次數為1次，先以每分鐘1500轉的速率旋塗5s，再以每分鐘8000轉的速率旋塗20s，最後以每分鐘1500轉的速率旋塗5s，之後將旋塗有塗覆液的矽模板以溫度為75℃乾燥20min，從而在矽模板3表面上形成塗覆液薄膜2；
步驟（3）製備具有柔性的多級梯度結構表面：準備厚度為1mm、寬為25mm的vhb膠帶1，先將vhb膠帶拉伸，並維持50%的應變量，然後將步驟（2）製得的掩蓋板旋塗有塗覆液薄膜2的一面與拉伸後的vhb膠帶緊密貼合，在溫度為80℃的烘箱中處理2個小時；之後將玻璃基底與矽模板揭下，複製了矽模板梯度結構的塗覆液薄膜便與vhb膠帶緊密貼合；最後釋放對vhb膠帶的拉力，緊貼在vhb膠帶表面上的聚二甲基矽氧烷薄膜便由於收縮力在其表面上產生屈曲與梯度相結合的多級結構5；
步驟（4）製備遮擋板6：使用三維繪圖軟體繪製出一個等邊梯形，梯形上短邊長25mm，下長邊長82.8mm，高50mm，兩腰長115mm且與上下邊夾角分別為120°和60°，取一厚度0.3mm、尺寸與上述等邊梯形相同的銅片，將銅片沿梯形的高摺疊使之夾角呈90°，即折成一楔形的遮擋板；
步驟（5）製備化學梯度與柔性多級梯度結構相結合的表面：將步驟（4）製得的遮擋板的三角形長邊處覆蓋在步驟（3）製備的具有柔性的多級梯度結構表面上，遮擋板的楔形開口方向為vhb膠帶上柱子更密集的方向；將其放置在等離子表面處理機中處理60min後取出，將遮擋板移去後即得到化學梯度與柔性多級梯度結構相結合的表面。
步驟（6）將3條通過步驟（1）至（5）製得的化學梯度與柔性多級梯度結構相結合的表面，按照表面柱子由疏到密的順序，將3條上述結構的表面從上至下排列成一個「y」字型，組裝成一個微反應器；所述的「y」字型排列，為兩種液體混合反應的微反應器，可以視情況再增加所需的流道。反應液體首先流向「y」字型中間處匯集混合，然後再流向「y」字型的末端。
實施例2本實施例與實施例1的不同之處在於：適當對基底進行拉伸，可以使得材料表面柱子排列變得更加稀疏，從而輕微改變了材料表面的疏水性，進而對流體的流動速度產生影響。
本方法製備的一種可調控的液滴自驅動微反應器，材料表面上具有屈曲結構，在屈曲結構上還具有呈梯度分布的柱狀結構，且材料表面具有化學梯度，潤溼性由疏水性逐漸變為親水性。液體在材料表面不同長度方向上接觸角不同，從而滴落在「y」字型上端的反應流體會受到表面張力的驅動發生定向移動，匯集於「y」字型交叉口反應，最後於豎直流道上流出。