一种分形阶跃通道式双重乳液微流控量产装置
阅读说明：本技术 一种分形阶跃通道式双重乳液微流控量产装置 (Fractal step channel type double-emulsion micro-fluidic mass production device ) 是由 陈永平 卢悦 李波 刘向东 于 2021-09-26 设计创作，主要内容包括：一种分形阶跃通道式双重乳液微流控量产装置,包括若干并行的横向渐扩-纵向突扩乳化单元和多级配置的分形结构流体分配通道,横向渐扩-纵向突扩乳化单元包括相互连接的等深度楔形流动截面渐扩结构和变深度纵向突扩阶跃结构。横向渐扩-纵向突扩乳化单元中,等深度楔形流动截面渐扩结构将流体从通道壁面推离,促进液滴在表面张力作用下加速脱离,变深度纵向突扩阶跃结构则会引起内界面拉普拉斯压差的变化,产生定向毛细驱动压差,促进流体快速流出,并在瑞利不稳定作用下断裂形成液滴,两种效应相互协同,提升乳液生成动力,串联两级乳化模块可促成双重乳液生成；分形结构流体分配通道可解决各相流体在多路并行制备单元之间出现分配不均的问题。(A fractal step channel type double-emulsion microfluidic volume production device comprises a plurality of parallel transverse divergent-longitudinal sudden-divergent emulsification units and a fractal structure fluid distribution channel in multistage configuration, wherein each transverse divergent-longitudinal sudden-divergent emulsification unit comprises an equal-depth wedge-shaped flow cross section divergent structure and a variable-depth longitudinal sudden-divergent step structure which are mutually connected. In the transverse divergent-longitudinal sudden-divergent emulsification unit, a constant-depth wedge-shaped flow cross section divergent structure pushes away fluid from the wall surface of a channel, so that the accelerated separation of liquid drops under the action of surface tension is promoted, the change of Laplace differential pressure of an inner interface is caused by a variable-depth longitudinal sudden-divergent step structure, directional capillary driving differential pressure is generated, the rapid outflow of the fluid is promoted, the fluid drops are formed by the breakage of the variable-depth longitudinal sudden-divergent step structure under the action of Rayleigh instability, the two effects are synergistic, the power for generating emulsion is improved, and the generation of double emulsion can be promoted by connecting two-stage emulsification modules in series; the fractal structure fluid distribution channel can solve the problem that each phase fluid is unevenly distributed among the multi-channel parallel preparation units.)
技术领域
本发明涉及双重乳液微流控生产技术领域，尤其涉及一种分形阶跃通道式双重乳液微流控量产装置。
背景技术
与单液滴相比，双重乳液是含有较小液滴的乳液滴，内部存在特有的壳-核结构，因其特有的灵活性和可控性而被广泛应用于化学化工、医药、化妆品等领域。传统的搅拌法、机械振荡法等传统双重乳液制备技术中，制备过程通常伴随强烈的振荡与剪切，这些制备方法下生成的双重乳液存在可控性差、球形度低、分散度低等问题。
微流控技术可通过对微小通道内多相流体的有效组织，实现多相流体及其相界面行为的精确控制。因此，与传统的乳液制备技术相比，采用微流控技术制备双重乳液具有单分散性好、球形度优、可控性高等优点，且原材料消耗小，整个制备过程更加经济、安全。
目前，针对单通路微流控液滴生成过程的研究已经较为成熟，可以生产出高品质、单分散的单、双重乳液乃至多重乳液液滴，且液滴的尺寸、核壳比、内液滴的个数均能实现连续可调。但在双重乳液量产过程中，各相流体在多路并行制备单元之间会出现分配不均的问题，在并行常规的流动聚焦结构的乳化体系中，当各相流体流量出现波动时，液滴尺寸也会随之变化，导致双重乳液的分散度低。此外，微流控装置中的各相流体流动缓慢，常引起单元出口处相界面包覆及脱离过程“动力不足”，进而造成乳液生成失败甚至通道阻塞。因此，各相流体的均匀分配和制备单元液滴生成的充足动力是高品质双乳液工业化量产的两大瓶颈问题。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种结合了等深度楔形渐扩通道结构与变深度纵向突扩阶跃通道结构的分形阶跃通道式双重乳液微流控量产装置。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种分形阶跃通道式双重乳液微流控量产装置，其特征在于：包括一级乳化模块、二级乳化模块和双重乳液输送通道，所述一级乳化模块包括若干并行的一级乳化单元，所述一级乳化单元包括内相流体输送通道、一级等深度楔形流动截面渐扩结构、一级变深度纵向突扩阶跃结构和中间相流体输送通道，所述内相流体输送通道的出口与所述一级等深度楔形流动截面渐扩结构的入口连接，所述一级等深度楔形流动截面渐扩结构的出口与所述一级变深度纵向突扩阶跃结构的入口连接，所述中间相流体输送通道连通一级变深度纵向突扩阶跃结构的底部，所述二级乳化模块包括若干并行的二级乳化单元，所述二级乳化单元包括二级等深度楔形流动截面渐扩结构、二级变深度纵向突扩阶跃结构和外相流体输送通道，所述一级变深度纵向突扩阶跃结构的出口与所述二级等深度楔形流动截面渐扩结构的入口连接，所述二级等深度楔形流动截面渐扩结构的出口与所述二级变深度纵向突扩阶跃结构的入口连接，所述外相流体输送通道连通二级变深度纵向突扩阶跃结构的底部，所述一级等深度楔形流动截面渐扩结构和二级等深度楔形流动截面渐扩结构的渐扩角度范围为10～35°，所述一级变深度纵向突扩阶跃结构和二级变深度纵向突扩阶跃结构的深度分别至少为一级等深度楔形流动截面渐扩结构和二级等深度楔形流动截面渐扩结构的2倍，所述双重乳液输送通道与二级变深度纵向突扩阶跃结构的出口连接。
进一步的，还包括具有分形结构的内相流体分配模块，所述内相流体分配模块包括依次连通的内相流体主通道和内相流体子通道，所述内相流体主通道分叉形成两个内相流体子通道，每个内相流体子通道又分叉形成下一级的两个内相流体子通道，直至内相流体分配通道的末端形成2n个内相流体子通道，n为内相流体子通道的分形级数，取自然数，第n级内相流体子通道与所述内相流体输送通道的入口连通。
进一步的，第i-1级内相流体子通道的长度li-1与第i级内相流体子通道的长度li之间满足第i-1级内相流体子通道的水力半径di-1与第i级内相流体子通道的水力半径di之间满足其中，Δ为长度分形维数。
进一步的，还包括具有分形结构的中间相流体供液分配模块和外相流体供液分配模块，所述中间相流体供液分配模块包括依次连接的中间相流体供液通道、中间相流体主通道和中间相流体子通道，所述中间相流体主通道分叉形成两个中间相流体子通道，每个中间相流体子通道又分叉形成下一级的两个中间相流体子通道，直至中间相流体供液分配模块的末端形成2j个中间相流体子通道，j为中间相流体子通道的分形级数，第j级中间相流体子通道与所述中间相流体输送通道的入口连接，所述外相流体供液分配模块包括依次连接的外相流体供液通道、外相流体主通道和外相流体子通道，所述外相流体主通道分叉形成两个外相流体子通道，每个外相流体子通道又分叉形成下一级的两个外相流体子通道，直至外相流体供液分配模块的末端形成2k个外相流体子通道，k为外相流体子通道的分形级数，第k级外相流体子通道与所述外相流体输送通道的入口连接，其中j＝k＝n。
进一步的，所述内相流体分配模块、一级乳化模块和二级乳化模块均设置在通道板内，所述双重乳液输送通道设置在盖板内，所述内相流体供液通道、中间相流体供液分配模块和外相流体供液分配模块均设置在供液底板内，所述盖板、通道板和供液底板自上而下依次密封连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、一级和二级乳化模块中的横向渐扩-纵向突扩乳化单元均为等深度楔形流动截面渐扩后耦合变深度纵向突扩阶跃结构，其中等深度楔形流动截面渐扩结构可以使流体从通道壁面被推离，促进液滴在表面张力的作用下加速脱离；变深度纵向突扩阶跃结构则会引起内界面拉普拉斯(Laplace)压差的变化，产生定向毛细驱动压差，促进了流体的快速流出，并在瑞利不稳定作用下断裂形成液滴，两种效应相互协同，提升乳液生成动力，通过串联两级乳化模块可促成双重乳液的生成。2、阶跃式乳化方式中，液滴尺寸主要受表/界面张力控制，对流量变化不敏感，因此最大限度地保证了每个乳化单元所生成液滴尺寸的均一性。3、多级配置的分形结构流体分配通道，实现流体由大径流主流向多个子通道的均匀分配输运，保证了各个乳化单元液滴生成的单分散性，同时分形结构的分配通道可以大大减少液滴量产过程中所需注射泵的数量。4、在后续添加紫外或加热固化装置将生成的双重乳液固化为微胶囊，可以拓展其在药物、化工等多个领域的应用。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为通道板内部结构示意图；
图3为通道板内部结构俯视图；
图4为一级乳化单元和二级乳化单元结构示意图；
图5为一级乳化单元俯视图；
图6为供液底板结构示意图；
图7为双重乳液生成原理图。
其中：1-通道板，2-盖板，3-供液底板，4-内相流体，5-中间相流体，6-单液滴，7-外相流体，8-双重乳液，11-内相流体分配模块，12-一级乳化模块，13-二级乳化模块，21-双重乳液输送通道，31-内相流体供液通道，32-中间相流体供液分配模块，33-外相流体供液分配模块，111-内相流体主通道，112-内相流体子通道，121-内相流体输送通道，122-一级等深度楔形流动截面渐扩结构，123-一级变深度纵向突扩阶跃结构，124-中间相流体输送通道，131-二级等深度楔形流动截面渐扩结构，132-二级变深度纵向突扩阶跃结构，133-外相流体输送通道，321-中间相流体主通道，322-中间相流体子通道，323-中间相流体供液通道，331-外相流体主通道，332-外相流体子通道，333-外相流体供液通道。
具体实施方式
为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
图1-6示出了一种分形阶跃通道式双重乳液微流控量产装置的实施例，包括自上而下密封连接的盖板2、通道板1和供液底板3，在盖板2内设置有双重乳液输送通道21，在通道板1内设置有内相流体分配模块11、一级乳化模块12和二级乳化模块13，在供液底板3内设置有内相流体供液通道31、中间相流体供液分配模块32和外相流体供液分配模块33。一级乳化模块12包括若干并行的一级乳化单元，一级乳化单元包括内相流体输送通道121、一级等深度楔形流动截面渐扩结构122、一级变深度纵向突扩阶跃结构123和中间相流体输送通道124，内相流体输送通道121的出口与一级等深度楔形流动截面渐扩结构122的入口连接，一级等深度楔形流动截面渐扩结构122的出口与一级变深度纵向突扩阶跃结构123的入口连接，中间相流体输送通道124连通一级变深度纵向突扩阶跃结构123的底部，二级乳化模块13包括若干并行的二级乳化单元，二级乳化单元包括二级等深度楔形流动截面渐扩结构131、二级变深度纵向突扩阶跃结构132和外相流体输送通道133，一级变深度纵向突扩阶跃结构123的出口与二级等深度楔形流动截面渐扩结构131的入口连接，二级等深度楔形流动截面渐扩结构131的出口与二级变深度纵向突扩阶跃结构132的入口连接，外相流体输送通道133连通二级变深度纵向突扩阶跃结构132的底部，一级等深度楔形流动截面渐扩结构122和二级等深度楔形流动截面渐扩结构131的渐扩角度β范围为10～35°，一级变深度纵向突扩阶跃结构123和二级变深度纵向突扩阶跃结构132的深度分别至少为一级等深度楔形流动截面渐扩结构122和二级等深度楔形流动截面渐扩结构131的2倍，双重乳液输送通道21与二级变深度纵向突扩阶跃结构132的出口连接。
内相流体分配模块11包括依次连通的内相流体主通道111和内相流体子通道112，内相流体主通道111分叉形成两个内相流体子通道112，每个内相流体子通道112又分叉形成下一级的两个内相流体子通道112，直至内相流体分配模块11的末端形成2n个内相流体子通道112，n为内相流体子通道112的分形级数，取自然数，第n级内相流体子通道112与内相流体输送通道121的入口连通。第i-1级内相流体子通道的长度li-1与第i级内相流体子通道的长度li之间满足第i-1级内相流体子通道的水力半径di-1与第i级内相流体子通道的水力半径di之间满足其中，Δ为长度分形维数。中间相流体供液分配模块32包括依次连接的中间相流体供液通道323、中间相流体主通道321和中间相流体子通道322，中间相流体主通道321分叉形成两个中间相流体子通道322，每个中间相流体子通道322又分叉形成下一级的两个中间相流体子通道322，直至中间相流体供液分配模块32的末端形成2j个中间相流体子通道322，j为中间相流体子通道322的分形级数，第j级中间相流体子通道322与中间相流体输送通道124的入口连接，外相流体供液分配模块33包括依次连接的外相流体供液通道333、外相流体主通道331和外相流体子通道332，外相流体主通道331分叉形成两个外相流体子通道332，每个外相流体子通道332又分叉形成下一级的两个外相流体子通道332，直至外相流体供液分配模块33的末端形成2k个外相流体子通道332，k为外相流体子通道332的分形级数，第k级外相流体子通道332与外相流体输送通道133的入口连接，其中j＝k＝n。
上述实施例的具体工作原理为：
如图7所示，内相流体4从内相流体供液通道31流入具有分形结构的内相流体分配模块11中，中间相流体5经过中间相流体供液分配模块32分配后，从中间相流体输送通道124充满一级等深度楔形流动截面渐扩结构122和一级变深度纵向突扩阶跃结构123。当内相流体4到达一级乳化模块12时，一级等深度楔形流动截面渐扩结构122使内相流体4与中间相流体5之间的内界面的前端脱离与通道侧壁的接触，且该界面在界面张力的作用下产生向心收缩，促进内相流体4液滴SE(single emulsion)的生长，当内界面前端运动到一级变深度纵向突扩阶跃结构123时，通道深度的纵向突扩使得内界面前端长成半径为rd的灯泡状头部，界面内的压力为pi1，
其中，po1为中间相流体的压力，γ为水油两相的界面张力系数。
随着颈部的收缩，颈部压力为pn1，
其中，α为油相与固体内壁面的接触角，h为通道高度，r1为在x-y平面上的曲率半径，r2为在y-z平面上的曲率半径。
颈部压力与灯泡状头部的压力产生了毛细压差Δp＝pn1-pi1，引起颈部断裂，生成单液滴6。
生成的单液滴6随着中间相流体5在通道中继续向前流动，外相流体7经过外相流体供液分配模块33分配后，从外相流体输送通道133充满二级等深度楔形流动截面渐扩结构131和二级变深度纵向突扩阶跃结构132。当包裹着单液滴6的中间相流体5到达二级乳化模块13时，中间相流体5与外相流体7之间的外界面会经过与内相流体4相似的过程，从而断裂形成双重乳液8。
上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种实现物料保存的微流控装置