最新一种气泡自驱动微反应器的制作方法

将乐信息网 http://www.jianglexinxi.cn 2020-09-17 06:26 出处:网络
这里介绍的最新一种气泡自驱动微反应器的制作方法,可以跟着小编一起阅读下去

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本发明涉及一种气泡微反应器,特别涉及一种气泡自驱动微反应器。

技术背景

微反应器是一种单元反应界面宽度为微米量级的微型化化学反应系统,是90年代兴起的微化工技术。它是指以反应为主要目的,以一个或多个微反应器为主,同时还可能包括有微混合、微换热、微分离、微萃取等辅助装置及微传感器和微执行器等关键组件的一个微反应系统。具体来说,微反应器一般是指通过微加工技术和精密加工技术制造的带有微结构的反应设备,微反应器内的流体通道或者分散尺度在微米量级,而微反应器的处理量则依据其应用的目的的不同达到从数微升每分钟到数万立方米每年的规模。近年来,基于某些特定的反应对流道表面润湿性的要求,表面润湿性开始被引入到微反应器中,利用润湿性可以有效的调控流体在流道中的移动。

传统的微反应系统主要通过光刻、蚀刻和机械加工的方法在硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷和聚甲基丙烯酸甲酯等材料上制作,但这些制备方法存在着制备设备昂贵,制备过程复杂,流道精度不准确等缺点,并大多数需要外部辅助设施来提供动力,大大限制了微反应器的工业化进程。在微反应器中结合润湿性,制作具有润湿梯度的微反应器流道,可以实现气泡的自驱动,从而减少需要外部辅助的需求。而市场上将润湿梯度与微反应器结合的研究少之又少,对于能够调控的气泡自驱动微反应器的研究几乎没有。



技术实现要素:

本发明针对目前的微反应装置存在着制作设备昂贵,制备过程复杂,流道精度不准确、不可调控,需要外部辅助等问题,提供一种气泡自驱动微反应器,这种微反应器制备简单、操作便捷,实现了微气泡的自驱动及调控,极大降低了气泡驱动调控成本,具有便携、经济、快速、高效等特点,可以广泛应用。

为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:

一种气泡自驱动微反应器,包括左右两条锥螺旋体,两条锥螺旋体在锥顶固定连接;每条锥螺旋体的起始端为一倾斜正四边形,锥螺旋体从起始端开始向上逐渐缩小至收束端,正四边形的竖直边随锥螺旋体的收缩逐渐增大;左右两条锥螺旋体在锥顶固定的四边形边长相同。

上述的一种气泡自驱动微反应器,每条锥螺旋体的圈数在5~7圈。

气泡直径要大于锥螺旋内侧面的高度,楔角才能对气泡产生拉普拉斯力,同时锥螺旋的曲率对气泡产生曲率驱动力,在两个力的共同作用下,气泡被驱动着向顶部运动。

本发明左右两条锥螺旋体,如果将它们各自展开,可以看出其内壁是一个带有楔角楔形,并且楔形的尺寸从底部到锥顶逐渐增大。

而锥螺旋从底部到锥顶逐渐缩小,使曲率梯度越来越大,曲率的变化率越大,产生的曲率驱动力就越强。

从而利用本发明,可以使气泡因楔形产生的拉普拉斯力和锥螺旋产生的曲率驱动力作用下,从底部向锥顶运动。

本发明单根锥螺旋体结构如下:本发明所诉的微反应部分结构绘制步骤,在空间建立右手直角坐标系,食指代表y轴朝上,中指代表z轴朝向身体,大拇指代表x轴朝向右侧,形成x、y、z空间坐标系。以点(0,0,a)为形心,其中a为任意值,做平行于yz且边长为了l2的正四边形。设正四边形中两条对边与z轴平行时为位置1,延x轴正方向向其投影,正四边形绕轴延顺时针方向旋转α1度,其中kπ≤α1≤π/2+kπ(k为任意整数),轴为通过正四面体形心并于x轴平行的直线。以原点为圆心,在yz平面内做半径为a的圆。以该圆为基圆做锥度为α2的锥螺旋,其中锥螺旋的轴为y轴,锥螺旋向上向内缩小,锥螺旋的螺距为h,螺旋线的起始点为正四面体的形心。在锥螺旋向上向内收缩的过程中,正四边形的两条竖直的边逐渐变长,竖直的边长最终l2(l2sinα2⁡<h)。

若将单根锥螺旋体沿直线展开,可以看出其内壁是一个带有楔角的楔形,其中楔角:,楔形的尺寸从底部到锥顶逐渐增大。

锥螺旋从底部到锥顶逐渐缩小,使曲率梯度越来越大,曲率的变化率越大,产生的曲率驱动力就越强。

气泡直径要大于锥螺旋体内侧面的高度,楔角才能对气泡产生拉普拉斯力,同时锥螺旋的曲率对气泡产生曲率驱动力,在两个力的共同作用下,气泡被驱动着向顶部运动。

利用本发明,可以使气泡因楔形产生的拉普拉斯力和锥螺旋产生的曲率驱动力作用下,从底部向锥顶运动。

本发明所述的微反应器结构制备方法,包含以下步骤:

步骤一,用3d打印机制备锥螺旋体;

步骤三,制备粗糙微纳米结构:利用飞秒激光扫描处理获得粗糙微纳米结构;

步骤四,制备超疏水基底:用刷子蘸取适量的超疏水溶剂均匀涂覆在锥螺旋体表面,并将其放在调至60℃的烘台表面烘干,放置15min并确保溶剂完全挥发,然后,重复蘸取、涂覆、烘干五次;

步骤五,滴加润滑剂hfe7100,用电吹风吹拭表面,以除去多余润滑剂,在基底表面形成一层润滑膜。

在液体环境中,在锥螺旋体表面制备超疏水基底,能使气泡吸附在锥螺旋内表面。在锥螺旋表面滴上润滑剂,能减少气泡的输运摩擦力。

润滑剂可以使用hfe7100,这种润滑剂由甲基九氟丁醚组成,具有低表面张力和低粘度,可以减小气泡运输过程中的粘阻力。

本发明的有益效果是:

1)采用双螺旋对称结构可使在不同位置释放的气泡最终在对称面上行进最终进行汇合,进行微反应。

2)将楔形结构与螺旋曲面结构结合,在曲率驱动力和拉普拉斯力的双重作用下,实现了气泡自驱动。

3)通过改变结构参数可实现气泡在结构表面的运输速度、距离、时长,以及允许运输的气泡大小。

4)制备方法经济,操作便捷。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明单根锥螺旋的结构示意图。

图3为本发明在水下进行气泡微反应的示意图。

图中标记为:1在对称锥螺旋中间汇合的气泡,2右侧的气泡,3左侧的气泡,4锥螺旋体。

具体实施方式

参照附图:气泡自驱动微反应器及其制备方法,包括以下步骤:

1)设计对称双锥螺旋结构,并取单支锥螺旋的结构参数如下:

α1=45°,α2=30°,l1=3mm,l2=1mm,

h=5mm,n=7,rmax=10mm;

2)三维软件建模并用3d打印机打印锥螺旋气泡微反应器;

3)制备粗糙微/纳米结构:利用飞秒激光扫描处理获得粗糙微/纳米结构

4)制备超疏水基底:用刷子蘸取适量的超疏水溶剂均匀涂覆在锥螺旋体表面,并将样品放在调至60℃的烘台表面,放置15min并确保溶剂完全挥发,然后,重复蘸取、涂覆、烘干五次

5)滴加润滑剂hfe7100,用电吹风吹拭表面,以除去多余润滑剂,在基底表面形成一层润滑膜。

α2为螺旋锥底边的夹角,是整体的结构性参数,l1、l2分别为楔形的两个底边,h为螺距,代表一圈螺旋所上升的高度,r是螺旋半径。通过适当调节l1、l2可以改变楔形楔角的大小,进而调节拉普拉斯力的大小;通过适当调节α2、hr可以改变基底曲率,来调节曲率驱动力的变化。截面四边形的倾角α1实现对驱动力的划分,改变径向驱动力和轴向驱动力的相对大小。

本发明结构简单,在水下的气泡汇合过程如图3所示,在水下环境中用液枪取一定体积的气泡分别在锥螺旋左右两侧释放,用高速摄像机观测,气泡将沿锥螺旋两边向中间汇聚。

这对于水下相关气体的反应有重大技术性支持。如白磷、硅烷等固体与氧气的自燃反应,氢气与一氧化碳生成甲醇的反应,氢气与氧气室温下自燃的反应等等。利用本发明的对称双螺旋结构实现气泡的定向融合,本发明在水下气体反应中的应用性极强。


技术特征:

1.一种气泡自驱动微反应器,包括左右两条锥螺旋体,其特征在于两条锥螺旋体在锥顶固定连接;每条锥螺旋体的起始端为一倾斜正四边形,锥螺旋体从起始端开始向上逐渐缩小至收束端,正四边形的竖直边随锥螺旋体的收缩逐渐增大;左右两条锥螺旋体在锥顶固定的四边形边长相同。

2.如权利要求1所述的一种气泡自驱动微反应器,其特征在于每条锥螺旋体的圈数在5~7圈。

技术总结
一种气泡自驱动微反应器,包括左右两条锥螺旋体,两条锥螺旋体在锥顶固定;每条锥螺旋体的起始端为一倾斜正四边形,锥螺旋体从起始端开始向上逐渐缩小至收束端,正四边形的竖直边随锥螺旋体的收缩逐渐增大;左右两条锥螺旋体在锥顶固定的四边形边长相同。气泡直径大于锥螺旋内侧面的高度,利用楔角产生的拉普拉斯力和曲率驱动力,使双螺旋对称结构可使在不同位置释放的气泡最终在对称面上行进最终进行汇合,进行微反应。

技术研发人员:吴化平;卓江山;徐璞;杨哲
受保护的技术使用者:浙江工业大学
技术研发日:2019.10.31
技术公布日:2020.08.18

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