1.本发明属于微化工技术领域，具体涉及一种基于非对称并行微通道装置制备单分散非牛顿流体液滴的方法。
背景技术：2.微液滴可以为化学反应、生物合成、材料制备等领域提供相对独立的微反应、微混合、微分离空间。液滴尺寸均一是保证相应过程高效进行的必要条件。传统的制备微液滴的方法主要是机械搅拌法和膜乳化法，然而采用这些方法消耗的试剂量大且制备的微液滴尺寸单分散性差、不稳定。微化工技术具有控制精准的优良特性，这使其在制备均一液滴方面具有绝对优势。然而单管路微通道的生产通量小，严重制约了微液滴的大批量制备。专利cn107511189b公布了一种基于毛细管的单分散微液滴的制备方法，该方法生产通量小且无法实现连续化制备。专利cn114160218a中利用声辐射制备单分散非牛顿流体微液滴的微通道装置也只有单管路，同样存在生产通量小的问题。
3.在放大过程中，并行管路中流体流量分配状况影响液滴尺寸均匀性，甚至在发生窜流时无法生成液滴。此外，在微通道中使用的流动介质通常含有高分子等物质，该类流体在流动过程中呈现复杂的非线性流体流变特性，如流体黏度和弹性与形变速率密切相关，严重影响流体分配及液滴的单分散性。因此，基于并行放大方式高通量制备均一微液滴是人们关注的重点之一。专利cn113304790a公布了一种实现微液滴高通量制备的微通道基本单元及其阵列组。其基本单元为具有两个聚焦结构的类“回”字型结构，结构复杂，对加工制造的要求很高。
4.当前的并行微通道从结构上可分为对称式并行微通道和非对称式并行微通道。专利cn110624616a采用一种三维树状对称并行放大的方式提高微液滴产量，在该类微通道中管路加工精度及管路表面粗糙度差异会导致流体分配不均，且空间利用率较低。非对称式并行微通道具有抗扰动性强、排布紧凑，易于集成，空间利用率高等优势，非对称并行微通道制备均一液滴的关键点在于合理的结构布局和尺寸设计。
技术实现要素：5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于非对称并行微通道制备单分散非牛顿流体液滴的方法，以克服现有技术中液滴生产效率不高及液滴尺寸不均匀的问题。
6.本发明的技术方案是：
7.一种非对称并行微通道，由上盖板和下底板组成，上盖板具有连通至下底板的两相进液口和排液口，下底板刻蚀有微通道的主体结构，二者由螺栓紧密键合确保微通道的密封性；微通道装置主体包含：连续相入口、运输连续相流体的并行通道、分散相入口、运输分散相流体的主通道、运输分散相流体的并行通道、两个t型结构、运输液滴的并行通道、液滴收集主通道、液滴排出口，其中连续相流体入口与运输连续相流体的并行通道相连，分散
相流体入口与运输分散相流体的主通道相连，主通道与运输分散相流体的并行通道垂直连接，运输连续相流体的并行通道、运输分散相流体的并行通道及运输液滴的并行通道三者通过t型结构相连，运输液滴的并行通道的另一端与液滴收集主通道垂直连接，排液口位于液滴收集主通道尾端。
8.运输连续相流体的并行通道长度相同，长度为微通道高度的50-100倍，微通道高度为50-1000μm，宽高比为0.1-10。
9.所述的分散相进液口位于微通道的一侧，运输分散相流体的主通道宽度为微通道高度的1-30倍，运输分散相流体的并行通道长度相同，且为微通道高度的10-20倍。
10.液滴收集主通道的宽度为微通道高度的1-30倍，液滴排出口位于分散相入口侧的对侧，二者呈之字型。
11.运输分散相流体的并行通道与运输连续相流体的并行通道根数一致，具体数量依据需求设置，大于等于2。
12.一种基于非对称并行微通道制备单分散非牛顿流体液滴的方法，连续相和分散相分别由连续相入口和分散相入口注入所述非对称并行微通道，互不相溶的两相在t型结构处接触，分散相在连续相挤压力和剪切力的作用下生成液滴，后经排液口排出微通道，通过两相流量调控制备得到不同尺寸液滴。
13.所述连续相为有机溶剂环己烷、正丁烷、石蜡油、硅油中的一种。
14.所述分散相为羧甲基纤维素钠、黄原胶、聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺的水溶液或添加有纳米二氧化硅的聚乙二醇溶液中的一种，水溶液中高分子的添加浓度为0.003％-4％，聚乙二醇中添加的粒径为15nm的二氧化硅的浓度为5％-15％。
15.所述连续相或分散相中含有表面活性剂span40、span80、span85、吐温20、吐温80中的一种，表面活性剂的添加量为2％-7％。
16.本发明具有以下有益效果：
17.本发明装置和方法完成了均一非牛顿流体液滴的制备，通过两相流量调控可实现不同尺寸液滴的连续化制备，控制精准且操作简单方便。通过设置非对称并行微管路，提高了液滴制备效率、增强了系统抗扰动性、提升了微通道芯片的空间利用率、有利于降低材料成本且便于加工制造。两管路中制备的液滴均一性良好。可通过该微通道基本单元的阵列排布进一步提升其生产通量。
附图说明
18.图1为本发明微通道结构示意图；
19.其中：1-连续相入口；2-运输连续相流体的并行通道；3-分散相入口；4-运输分散相流体的主通道；5-运输分散相流体的并行通道；6-t型结构；7-运输液滴的并行通道；8-液滴收集主通道；9-排液口；
20.图2中(a)、(b)、(c)分别为qd＝60μl/min，分散相流量qc分别为200μl/min，300μl/min，400μl/min制备的不同尺寸的均一非牛顿液滴；
21.图3为使用本微通道在分散相注射流量为60μl/min，分散相注射流量为200μl/min时制备的液滴尺寸分布图。
具体实施方式：
22.下面结合附图和实施例对本发明中基于非对称并行微通道制备单分散非牛顿液滴的方法作进一步的详细说明。
23.实施例1：
24.常温下，将聚丙烯酰胺和去离子水按照质量比1:10000配置，搅拌10h使高分子物质充分溶解，制备得到分散相。将表面活性剂span85和环己烷按照质量比5:100充分混溶，制备得到连续相。运输分散相的主通道宽度为高度的20倍，其他管路的宽高比均为1。将连续相和分散相分别从微通道的入口1和3注入，分散相的注入流量为50μl/min，连续相的注入流量为800μl/min。二者在t型结处相遇后，在连续相流体的挤压力和剪切力作用下，生成直径为480μm的非牛顿液滴，液滴生成后从排出口流出微通道，进入收集装置。
25.实施例2：
26.常温下，将羧甲基纤维素钠和去离子水按照质量比1:100配置，搅拌10h使高分子物质充分溶解，制备得到分散相。将表面活性剂span85和环己烷按照质量比5:100充分混溶，制备得到连续相。运输分散相的主通道及液滴收集主通道的宽高度比均为20，其他管路的宽高比均为1。将连续相和分散相分别从微通道的入口1和3注入，分散相的注入流量为250μl/min，连续相的注入流量为200μl/min。二者在t型结处相遇后，在连续相流体的挤压力和剪切力作用下，生成直径为740μm的非牛顿液滴，液滴生成后从排出口流出微通道，进入收集装置。
27.实施例3：
28.常温下，将羧甲基纤维素钠和去离子水按照质量比0.1:100配置，搅拌10h使高分子物质充分溶解，制备得到分散相。将表面活性剂span85和环己烷按照质量比5:100充分混溶，制备得到连续相。液滴收集主通道的宽高度比为20，其他管路的宽高比均为1。将连续相和分散相分别从微通道的入口1和3注入，分散相的注入流量为20μl/min，连续相的注入流量为400μl/min。二者在t型结处相遇后，在连续相流体的挤压力和剪切力作用下，生成直径为520μm的非牛顿液滴，液滴生成后从排出口流出微通道，进入收集装置。
29.实施例4：
30.常温下，将聚丙烯酰胺和去离子水按照质量比1:10000配置，搅拌10h使高分子物质充分溶解，制备得到分散相。将表面活性剂span85和环己烷按照质量比5:100充分混溶，制备得到连续相。微通道中所有管路的宽高比均为1。将连续相和分散相分别从微通道的入口1和3注入，分散相的注入流量为250μl/min，连续相的注入流量为400μl/min。二者在t型结处相遇后，在连续相流体的挤压力和剪切力作用下，生成直径为600μm的非牛顿液滴，液滴生成后从排出口流出微通道，进入收集装置。
31.实施例5：
32.常温下，将聚丙烯酰胺和去离子水按照质量比0.3:10000配置，搅拌10h使高分子物质充分溶解，制备得到分散相。将表面活性剂span85和环己烷按照质量比5:100充分混溶，制备得到连续相。液滴收集主通道的宽高度比为20，其他管路的宽高比均为1。将连续相和分散相分别从微通道的入口1和3注入，分散相的注入流量为350μl/min，连续相的注入流量为400μl/min。二者在t型结处相遇后，在连续相流体的挤压力和剪切力作用下，生成直径为616μm的非牛顿液滴，液滴生成后从排出口流出微通道，进入收集装置。
33.实施例6：
34.将二氧化硅纳米粒子和聚乙二醇按照质量比8:100配置，并加入4％吐温20，充分搅拌使二氧化硅粒子与聚二乙醇充分混合，制备得到分散相。连续相为黏度10mpa
·
s硅油。液滴收集主通道的宽高度比为20，其他管路的宽高比均为1。将连续相和分散相分别从微通道入口1和3注入，分散相的注入流量为40μl/min，连续相的注入流量为50μl/min。二者在t型结处相遇后，在连续相流体的挤压力和剪切力作用下，生成直径为500μm的非牛顿液滴，液滴生成后从排出口流出微通道，进入收集装置。
35.实施例7：
36.将二氧化硅纳米粒子和聚乙二醇按照质量比10:100配置，并加入4％吐温20，充分搅拌使二氧化硅粒子与聚二乙醇充分混合，制备得到分散相。连续相为黏度10mpa
·
s硅油。液滴收集主通道的宽高度比为20，其他管路的宽高比均为1。将连续相和分散相分别从微通道入口1和3注入，分散相的注入流量为10μl/min，连续相的注入流量为50μl/min。二者在t型结处相遇后，在连续相流体的挤压力和剪切力作用下，生成直径为385μm的非牛顿液滴，液滴生成后从排出口流出微通道，进入收集装置。
37.以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明形式上的限制。任何相关领域的专业技术人员，依据本发明的技术实质所作的任何简单的修改、替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
技术特征：1.一种非对称并行微通道，其特征在于,由上盖板和下底板组成，上盖板具有连通至下底板的两相进液口和排液口，下底板刻蚀有微通道的主体结构，二者由螺栓紧密键合确保微通道的密封性；微通道装置主体包含：连续相入口(1)、运输连续相流体的并行通道(2)、分散相入口(3)、运输分散相流体的主通道(4)、运输分散相流体的并行通道(5)、两个t型结构(6)、运输液滴的并行通道(7)、液滴收集主通道(8)、液滴排出口(9)；其中连续相流体入口(1)与运输连续相流体的并行通道(2)相连，分散相流体入口(3)与运输分散相流体的主通道(4)相连，主通道(4)与运输分散相流体的并行通道(5)垂直连接，运输连续相流体的并行通道(2)、运输分散相流体的并行通道(4)及运输液滴的并行通道(7)三者通过t型结构(6)相连，运输液滴的并行通道(7)的另一端与液滴收集主通道(8)垂直连接，排液口(9)位于液滴收集主通道(8)尾端。2.根据权利要求1所述的非对称并行微通道，其特征在于，运输连续相流体的并行通道(2)长度相同，长度为微通道高度的50-100倍，微通道高度为50-1000μm，宽高比为0.1-10。3.根据权利要求1所述的非对称并行微通道，其特征在于，所述的分散相进液口位于微通道的一侧，运输分散相流体的主通道(4)宽度为微通道高度的1-30倍，运输分散相流体的并行通道(5)长度相同，且为微通道高度的10-20倍。4.根据权利要求1所述的非对称并行微通道，其特征在于，液滴收集主通道(8)的宽度为微通道高度的1-30倍，液滴排出口(9)位于分散相入口侧的对侧，二者呈之字型。5.根据权利要求1所述的非对称并行微通道，其特征在于，运输分散相流体的并行通道与运输连续相流体的并行通道根数一致，具体数量根据需求设置，大于等于2。6.一种基于非对称并行微通道制备单分散非牛顿流体液滴的方法，其特征在于，连续相和分散相分别由连续相入口(1)和分散相入口(3)注入权利要求1-5任意一项权利要求所述非对称并行微通道，互不相溶的两相在t型结构(6)处接触，分散相在连续相挤压力和剪切力的作用下生成液滴，后经排液口(9)排出微通道，通过两相流量调控制备得到不同尺寸液滴。7.根据权利要求6所述的一种基于非对称并行微通道制备单分散非牛顿流体液滴的方法，其特征在于，所述连续相为有机溶剂环己烷、正丁烷、石蜡油、硅油中的一种。8.根据权利要求6所述的一种基于非对称并行微通道制备单分散非牛顿流体液滴的方法，其特征在于，所述分散相为羧甲基纤维素钠、黄原胶、聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺的水溶液或添加有纳米二氧化硅的聚乙二醇溶液，水溶液中高分子的添加浓度为0.003％-4％，聚乙二醇中添加的粒径为15nm的二氧化硅的浓度为8％-15％。9.根据权利要求6所述的一种基于非对称并行微通道制备单分散非牛顿流体液滴的方法，其特征在于，连续相或分散相中含有表面活性剂span40、span80、span85、吐温20、吐温80中的一种，表面活性剂的添加量为2％-7％。
技术总结本发明公开了一种基于非对称并行微通道制备单分散非牛顿流体液滴的方法，属于微化工技术领域。该微通道装置由上盖板和底板组成，上盖板有连通至微通道底板的两相进液孔和排液口。下底板由流体分配管、并行支路、两个T型结、液滴收集管组成。本发明基于非对称并行微通道制备单分散非牛顿流体液滴的方法提高了液滴制备的生产效率，通过两相流量变化可方便实现对液滴尺寸的调控，该微通道装置在液滴制备过程中稳定性良好，液滴尺寸均一。在精细化工、生物医药、材料、食品等领域具有广泛的应用价值。价值。价值。
技术研发人员：付涛涛 董艳鹏 张翀 沈秋颖
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2022.07.19
技术公布日：2022/11/1
