[发明专利]一种微流控设备及其制备包覆液膜单分散气泡的方法

说明书

技术领域

本发明属化工技术领域，具体涉及一种微流控设备及其制备包覆液膜单分散气泡的方法。

技术背景

直径均一的单分散微气泡在化学、化工、材料、生物、制药等诸多领域具有良好的应用前景，表面包覆液膜的气泡是一种特殊结构的气泡，可以用于高级发泡材料、光电显示器材、生物催化材料、药物胶囊载体等高新技术产品的制造过程。包覆液膜气泡的制备难点在于控制气泡的均匀性（单分散性），以及气泡直径和液膜厚度的可调控性，传统塔型设备内鼓泡的方法难以适应微米尺度气泡和单分散直径的制备要求（直径小于1mm，直径相对偏差小于5%），近年来在化学化工领域发展出的微流控设备是实现单分散微气泡制备的一项新技术手段。

研究结果表明：利用T微通道、水力学聚焦微通道、同轴环管微通道等微流控设备微分散设备可以精确控制液滴或气泡的分散尺寸在数微米至数毫米范围内，并且液滴或气泡的直径相对偏差小于5%，微液滴或微气泡的分散尺寸与流量、粘度、界面张力等操作条件相关，可以通过改变设备结构和操作条件调整液滴或气泡的尺寸和分布。在同一微流控设备内组合多种微分散结构可以实现水包油包水、水包油包气等多重乳液的制备，这些多重乳液制备技术是制备包覆液膜的微气泡的技术基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微流控设备及其制备包覆液膜单分散气泡的方法。

一种双同轴环管微流控设备，该设备由外层连续相通道、中间层液膜相管道和内层气相管道依次嵌套而成，其中每个管道的进口独立与外界连通；该设备连续相通道水力学直径在200μm ~ 1000μm，气相环管道进口水力学直径为80μm~300μm，液膜相管道的进口前端为圆锥形，锥形尖端水力学直径为10μm~100μm，其进口末端水力学直径为120μm ~ 800μm。

一种利用上述述设备制备包覆液膜单分散气泡的方法，向设备气相管道内通入气相，液膜相管道内通入液膜相，连续相通道内通入连续相，气相管道和液膜相管道之间的气相和液膜相呈截面为环状的分层流流动；液膜相管道末端，气液两相受连续相剪切而分散，出口获得分散成为包覆液膜的气泡；其中气泡直径通过调整气相和连续相的流量比来实现或者通过调整外层连续相通道的水力学直径实现，气相与连续相的流量比为1：（0.5 ~ 200）；液膜厚度通过调整液膜相和气相的流量比来实现，液膜相与气相流量比为0.0001 ~ 0.01。

其中气相、液膜相和连续相为不互溶或者部分互溶的气-液-液三相流体，三相间界面张力满足物理关系γ_气连> γ_气膜+ γ_膜连，其中γ_气连为气相和连续相之间的界面张力，γ_气膜为气相和液膜相之间的界面张力，γ_膜连为液膜相和连续相之间的界面张力。

本发明方法的有益效果为：利用本发明的微流控设备，通过这种“一级层流、二级剪切”的分散方式可以精确控制气泡直径，使其相对偏差小于3%，在5μm ~ 2000μm范围内可精确控制气泡直径，气泡表面包覆液膜厚度亦可在0.2μm ~ 50μm之间精确调控。

附图说明

图1为双同轴环管微流控设备结构示意图。

图2为包覆液膜的单分散气泡；其中标尺为1mm。

具体实施方式

下面通过结合附图和具体实例对本发明进行进一步说明。

实施例1

使用如附图1、2所示的双同轴环管微流控设备，设备外层连续相通道水力学直径为1000μm，中间层液膜相管道进口末端水力学直径为800μm，锥形尖端直径为100μm，内层气相环管道水力学直径为300μm。选择空气为气相，硅油为液膜相，十二烷基磺酸钠水溶液为连续相，三相的流量比为液膜相:气相:连续相=0.004:1:0.5。出口获得的气泡平均直径为1940μm，直径相对偏差1.9%，液膜厚度2.2μm。

实施例2

使用如附图1、2所示的双同轴环管微流控设备，设备外层连续相通道水力学直径为700μm，中间层液膜相管道进口末端水力学直径为600μm，锥形尖端直径为50μm，内层气相环管道水力学直径为300μm。选择二氧化碳氮气的混合气为气相，硅油为液膜相，十二烷基磺酸钠和PVA（聚乙烯醇）的水溶液为连续相，三相的流量比为液膜相:气相:连续相=0.01:1:120。出口获得的气泡平均直径为442μm，直径相对偏差1.7%，液膜厚度49.6μm。

实施例3

使用类似于附图1、2所示的双同轴环管微流控设备，设备外层连续相通道水力学直径为200μm，中间层液膜相管道进口末端水力学直径为120μm，锥形尖端直径为10μm，内层气相环管道水力学直径为80μm。选择氮气为气相，硅油和正辛烷的混合溶液为液膜相，十二烷基磺酸钠和PEG（聚乙二醇）的水溶液为连续相，三相的流量比为液膜相:气相:连续相=0.0001:2:300。出口获得的气泡平均直径为51μm，直径相对偏差2.2%，液膜厚度0.5μm。