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液液(气液)相微反应器技术是一种发展很快、应用很广的化工、生物技术,在生命科学以及诸多相关领域已经得到非常广泛的应用,成为研究热点之一。本研究工作是在对目前微反应器微流控研究现状综合分析的基础上提出两种T型微通道结构的液液相微反应器微流体控制装置,并对其形成原因进行实验分析。
在基于T型微通道的微反应器微流控装置的实验研究中,以水为分散相、硅油为连续相,对宽度800μm、深度为30μm的T型垂直交错结构微通道中油包水型液液相微反应器的形成进行了实验研究。通过改变分散相和连续相流量配比,生成了大小可控的纳升级液滴。对两相流量和液滴直径的关系以及流速、压力在液滴形成过程中的变化趋势进行了分析,得到粘性剪切力和界面张力是液滴形成的主要因素。通过数据分析了液滴形成中几何关系随时间的变化规律,由此建立液滴频率和直径的半经验公式。研究了液滴流向120μm微通道时,在台阶突扩处的破裂问题,提出0h数是决定液滴破裂的关键性参数。如果不发生液滴破裂,在台阶突扩处液滴出现三种排列方式:交错双排Z字型,珍珠项链型和单排型液滴排列。并发现流量较大时,两相在主通道内形成层流,并在微通道的台阶突扩处生成新的两种类型液滴。
在基于T型垂直微通道的不稳定性的实验研究中,以辛烷为分散相,水为连续相,对宽度为200μm、深度为40μm的T型交错微通道内水包油型液液相微反应器的形成进行了实验研究。通过改变分散相和连续相流量比例,在T型节点的下游发现两种液滴形成方式:射流状液滴和滴状液滴。比较了两种液滴形成过程中界面张力、粘性剪切力和惯性力的关系,分析了形成两种液滴的界面不稳定性,得到界面不稳定是微尺度下液滴形成的主要原因,而较大的粘性剪切力可以提前激发界面失稳。最后,分析了由表面活性剂的浓度引起的Marangoni效应对液滴形成的影响。