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微流控器件結構對水/水微囊形成過程、界面張力的影響規律(二)

來源: 瀏覽 372 次 發布時間:2025-02-28

1.2實驗過程


1.2.1同軸玻璃管微流控器件的制備


通過拉伸儀將內徑0.55 mm、外徑0.96 mm的圓柱形玻璃管和內徑1.00 mm、外徑1.40 mm的圓柱形玻璃管一端拉伸成錐狀,并利用砂紙將錐狀管口分別打磨至300和600μm.管口尺寸通過體顯微鏡進行精確測量。然后將外徑0.96 mm的玻璃管(內管)插入內徑1.00 mm的玻璃管(外管),分別制備內管管口內縮300μm、內/外管管口平齊、內管管口伸出300μm、內管管口內縮300μm外管管口不拉伸的同軸微流控器件,最后通過AB膠環氧樹脂固定。


1.2.2微流控器件制備水/水微囊


內/外相各成分含量均為質量分數:內相為0.2%黃原膠(增稠劑、穩定劑)、0.1%透明質酸鈉(保濕劑)、2%普魯蘭多糖(抗氧化劑)、5%甘油(保濕劑)的水溶液(以下簡稱黃原膠水溶液),由內管注入微流控器件;外相為1%海藻酸鈉(包材,可被鈣離子交聯形成穩定囊壁)、0.05%十二烷基硫酸鈉(表面活性劑)的水溶液,由外管注入微流控器件。內相在外相的剪切下形成液滴,同時外相在重力作用下脫離管口生成水包水的水/水微囊,并進一步通過接收池(質量分數為5%氯化鈣水溶液)中的鈣離子交聯海藻酸鈉水凝膠網絡,形成穩定的核殼結構。為了便于觀察水/水微囊的特征,采用黃色染色劑對內相進行染色。通過系統改變內相流速和外相流速,研究微流控器件結構對水/水微囊成型的影響,最終確定水/水微囊的制備相圖。


1.2.3流速對水/水微囊制備的影響


內管管口內縮300μm的同軸微流控器件制備水/水微囊具有較好的穩定性,若無特別說明,后續均采用該種設計。保持外相流速不變,研究內相流速對水/水微囊直徑和壁厚的影響。然后保持內相流速不變,研究外相流速對水/水微囊直徑和壁厚的影響。水/水微囊的直徑和壁厚通過隨機選取100顆微囊進行測量計算得到。內相流速為40 mL/h,外相流速為20 mL/h,制備得到的水/水微囊具有較薄的壁厚,若無特別說明,后續均采用該內相/外相流速。


1.2.4水/水微囊形成過程的數值模擬


數值模擬采用SolidWorks軟件建立幾何模型,使用ANSYS Workbench完成網格劃分和模擬過程。模擬器件參數與實驗器件參數保持一致,即內管外徑0.96μm、內徑0.55 mm、管口300μm,外管外徑1.40 mm、內徑1.00 mm、管口600μm,內管管口內縮300μm.由于同軸微流控器件通道結構具有軸對稱性,將模型簡化為二維模型。模型總體尺寸為20 mm×5.4 mm,包括上方微通道結構和下方20 mm長的空氣域。微通道結構和內外相采用非結構化四邊形網格劃分。幾何模型分別設置20,25,30,35,40和45μm等6種網格尺寸對模型進行網格無關性檢驗,最后選取網格尺寸為30μm,對應微囊直徑為2.756 mm.內相和外相進口為速度型入口,出口為壓力型出口,壁面為靜止無滑移的疏水表面。初始化后,內相充滿內通道,外相充滿外通道。流動模型設置為層流模型,瞬態求解過程中的壓力速度耦合采用SIMPLE算法,殘差收斂精度為10?5,時間步長為10?4 s.數值模擬研究兩相流速、界面張力及兩相黏度對水/水微囊直徑和壁厚的影響時,模擬采用的溫度為25℃,操作壓力為0 Pa,外相/空氣界面張力為30 mN/m,內相/外相界面張力為0.5 mN/m,內相0.2%黃原膠水溶液密度為1200 kg/m3,黏度為0.48 Pa·s,外相1.0%海藻酸鈉水溶液密度為1135 kg/m3,黏度為0.30 Pa·s,空氣密度為1.225 kg/m3,黏度為1.79×10?5 Pa·s.


1.2.5水/水微囊的pH響應和可控釋放


分別用HCl溶液和檸檬酸鈉調節溶液pH為1.0或8.0,靜置觀察水/水微囊在酸性或堿性溶液中隨時間的變化。


1.2.6平行放大微流控器件的設計和水/水微囊的高通量制備


首先通過微通道流動阻力分析,設計平行放大10通道微流控器件,微流控器件內相主管道直徑4.0 mm,內相分管道直徑0.5 mm,外相主管道直徑3.5 mm,外相分管道直徑1.2 mm.然后通過三維建模軟件SolidWorks建立微流控器件模型。最后通過光固化3D打印機直接打印微流控器件。



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