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微流控器件結(jié)構(gòu)對水/水微囊形成過程、界面張力的影響規(guī)律（二）
來源： 瀏覽 1193 次 發(fā)布時(shí)間:2025-02-28
1.2實(shí)驗(yàn)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(nèi)徑0.55 mm、外徑0.96 mm的圓柱形玻璃管和內(nèi)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(jìn)行精確測量。然后將外徑0.96 mm的玻璃管（內(nèi)管）插入內(nèi)徑1.00 mm的玻璃管（外管），分別制備內(nèi)管管口內(nèi)縮300μm、內(nèi)/外管管口平齊、內(nèi)管管口伸出300μm、內(nèi)管管口內(nèi)縮300μm外管管口不拉伸的同軸微流控器件，最后通過AB膠環(huán)氧樹脂固定。
1.2.2微流控器件制備水/水微囊
內(nèi)/外相各成分含量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)：內(nèi)相為0.2%黃原膠（增稠劑、穩(wěn)定劑）、0.1%透明質(zhì)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(nèi)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(lián)形成穩(wěn)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(nèi)相在外相的剪切下形成液滴，同時(shí)外相在重力作用下脫離管口生成水包水的水/水微囊，并進(jìn)一步通過接收池（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%氯化鈣水溶液）中的鈣離子交聯(lián)海藻酸鈉水凝膠網(wǎng)絡(luò)，形成穩(wěn)定的核殼結(jié)構(gòu)。為了便于觀察水/水微囊的特征，采用黃色染色劑對內(nèi)相進(jìn)行染色。通過系統(tǒng)改變內(nèi)相流速和外相流速，研究微流控器件結(jié)構(gòu)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(nèi)管管口內(nèi)縮300μm的同軸微流控器件制備水/水微囊具有較好的穩(wěn)定性，若無特別說明，后續(xù)均采用該種設(shè)計(jì)。保持外相流速不變，研究內(nèi)相流速對水/水微囊直徑和壁厚的影響。然后保持內(nèi)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(jī)選取100顆微囊進(jìn)行測量計(jì)算得到。內(nèi)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(xù)均采用該內(nèi)相/外相流速。
1.2.4水/水微囊形成過程的數(shù)值模擬
數(shù)值模擬采用SolidWorks軟件建立幾何模型，使用ANSYS Workbench完成網(wǎng)格劃分和模擬過程。模擬器件參數(shù)與實(shí)驗(yàn)器件參數(shù)保持一致，即內(nèi)管外徑0.96μm、內(nèi)徑0.55 mm、管口300μm，外管外徑1.40 mm、內(nèi)徑1.00 mm、管口600μm，內(nèi)管管口內(nèi)縮300μm.由于同軸微流控器件通道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和下方20 mm長的空氣域。微通道結(jié)構(gòu)和內(nèi)外相采用非結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格劃分。幾何模型分別設(shè)置20，25，30，35，40和45μm等6種網(wǎng)格尺寸對模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，最后選取網(wǎng)格尺寸為30μm，對應(yīng)微囊直徑為2.756 mm.內(nèi)相和外相進(jìn)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(nèi)相充滿內(nèi)通道，外相充滿外通道。流動(dòng)模型設(shè)置為層流模型，瞬態(tài)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(shí)間步長為10?4 s.數(shù)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(shí)，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(nèi)相/外相界面張力為0.5 mN/m，內(nèi)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(yīng)和可控釋放
分別用HCl溶液和檸檬酸鈉調(diào)節(jié)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(shí)間的變化。
1.2.6平行放大微流控器件的設(shè)計(jì)和水/水微囊的高通量制備
首先通過微通道流動(dòng)阻力分析，設(shè)計(jì)平行放大10通道微流控器件，微流控器件內(nèi)相主管道直徑4.0 mm，內(nèi)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(jī)直接打印微流控器件。