基于微流控芯片的液滴分离方法与实验研究

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由于在一些领域内微液滴的应用越来越广,所以在微流控技术方式下的液滴生成技术及其应用引起了越来越多的关注。微液滴的产生具有很多的影响因素,本论文主要是根据Comsol仿真,讨论了生成微液滴大小的几个影响因素,进行了芯片的设计和制备以及进样器的开发,并通过实验进行液滴大小的分析总结,和仿真进行对比。首先,本论文介绍了微流控芯片的现状和发展前景以及微液滴的应用和发展,还有一些微流控芯片基本理论和微尺度多相流液滴形成理论,为软件仿真进行一个理论指导,并对微液滴实验提供理论依据。其次,采用Comsol软件仿真微液滴的形成过程,得到微通道的宽深比设置为1时,流体的流速增加最慢,流体流速最快,易于液滴的生成;确定了液滴生成的范围;总结连续相和离散相流速、恒定流速比下总流速对液滴大小的影响,当离散相流速固定时,连续相流速的增加,液滴的尺寸逐渐变小;当连续相流速一定时,离散相的流速的增加,液滴的尺寸逐渐增加,但是增加到一定程度也会趋于下降趋势;当两相流流速比恒定时,总流速的增大,液滴尺寸也逐渐减小。最后,设计了具有收口结构的十字交叉型微通道结构,通过微丝法制备PDMS材料的圆形通道的芯片,利用刻蚀法制备玻璃材料的方形通道的芯片,完成了微流控芯片的进样器的开发与设计。通过十字型微流控芯片进行微液滴生成实验,总结和概括了液滴的生成区域,连续相和离散相流速、恒定流速比下总流速对液滴大小的影响,基本上和仿真结果一致。综上所述,基于十字交叉结构的微流控芯片,可有效地按需生成微液滴,并且可以达到预期的目的,但仍然还有不足:①十字结构具有收口结构,出口通道采用扩张型微通道,加工简单;②芯片产生微液滴时所需外界提供的压力较小;③可有效地生成纳升级甚至是皮升级或飞升级微液滴;④生成的微液滴大小均匀、稳定;⑤未能从流体的粘度和温度等方面讨论对液滴大小的影响。
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