微流控技术制备液滴可视化实验观测教学平台设计

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2021-10-16 08:59 热度：

摘 要：摘要：液滴微流控技术是物理、化学、材料以及生物医学等多学科交叉领域的前沿研究热点。为了满足研究生、本科生开展微流控相关教学需求，本文设计并搭建了微流控技术制备液滴

　　摘要：液滴微流控技术是物理、化学、材料以及生物医学等多学科交叉领域的前沿研究热点。为了满足研究生、本科生开展微流控相关教学需求，本文设计并搭建了微流控技术制备液滴可视化实验教学平台，展示了挤压式和滴式两种流型的相界面演化过程并分析其内在流体动力学机理，使课堂教学实现高层理论和基础性认知的层次化结合，帮助学生深入理解和认识流体力学高度抽象的理论，推动微流控相关学科实验教学方法的改革。

　　关键词：微流控;液滴制备;实验教学平台

　　液滴微流控是一项在微尺度通道内通过多相流体剪切制备单分散液滴，并对其进行操控的技术。作为微流控技术的重要分支，液滴微流控技术广泛应用于聚变能源、医药、化工、化妆品等工业领域，是物理、化学、材料以及生物医学等多学科交叉领域的前沿研究热点。针对相关学科专业的研究生、本科生开设液滴微流控教学环节已经势在必行。流体力学是液滴微流控技术的应用基础，然而，其中很多概念由高等数学引入，理论性强、数学表达式非线性强，是高度抽象的。如果纯粹从理论知识开展教学，学生听起来比较枯燥，并且无法对液滴微流控过程中液滴的形态变化以及工艺参数的影响产生直观认知。而在微流控技术制备液滴过程中，微通道中雷诺数较小，多相流体以层流形态流动，流动状态容易控制，在显微镜下流动形态十分清晰，故通过实验教学可使学生获得对液滴动力学行为的直观认识。但现有与液滴微流控相关的实验教学、实践培训平台还较为欠缺，难以满足相关专业的实验教学需求，所以，亟需开展液滴微流控实验教学平台的开发。为此，本文将搭建微流控技术制备液滴可视化实验观测教学平台，展示两种流型的相界面演化过程并分析其内在流体动力学机理，帮助学生深入理解认识流体力学的高度抽象理论，提升相关课程的教学效果。

　　1 教学实验设计

　　1.1 微流控技术制备液滴可视化实验观测教学平台设计搭建

　　微流控技术制备液滴可视化实验观测教学平台主要由两相流体输入装置、十字交叉型微通道实验段和高速显微成像装置组成。如图1所示，连续相和离散相流体在两台独立注射泵的控制下，精密地输入固定在实验台上的微通道中。为防止杂质堵塞微通道，注射器出口加装过滤器以保证两相流体的洁净。此外，微通道的下方需要利用辅助光源以获得清晰稳定的两相流体界面。辅助光源采用冷光源以规避光源发热引起温度变化影响流体物理性质。通过高速摄像机配合显微镜实时记录微通道中两相流体的流动形态，并储存于计算机中。

　　1.2 微流控技术制备液滴可视化实验观测教学平台的教学案例设计

　　微流控制备液滴实验教学案例的核心内容是调节工况参数以改变两相流体流动形态，利用高速相机记录液滴生成过程中两相界面的演变过程，从而阐明液滴动力学行为以及液滴行为调控机理。

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　　实验中的离散相选用二甲基硅油，密度ρd=897.9kg/m3，黏度μd=5MPa·s。连续相选用去离子水+40%wt甘油+0.5%wt十二烷基硫酸钠，密度ρc=1062.6kg/m3，黏度μc=3.8MPa·s。两相界面张力系数σ=8.27mN/m。微通道的宽和高分别为0.4mm和0.2mm。根据实验系统图搭建实验台，其主要过程如下：

　　(1)搭建微通道实验段：将微通道固定在三维移动平台上，将注射泵、聚乙烯管和对应通道入口依次相连，在通道背面设置冷光源作为辅助光源;

　　(2)检查密闭性：启动注射泵，检查通道、各相管道和连接处的密封性;

　　(3)搭建高速显微成像系统：使用支撑装置将显微镜和高速摄像机固定在光学实验平台上，然后，连接高速摄像机与计算机;

　　(4)调整视场：打开高速显微成像系统和辅助光源，调节三维移动平台使微通道大致处于显微镜视场中央;调节显微镜焦距、高速摄像机拍摄速度以及冷光源的强弱和位置，保证计算机显示的图片具有足够的清晰度;

　　(5)挤压式流型观察：启动连续相注射泵，并设定流量为1mL/h，待连续相流体充满整个通道时，打开离散相注射泵，设定流量为0.1mL/h。待两相流动现象稳定后使用高速摄像机实时记录并保存到计算机中;

　　(6)滴式流型观察：打开连续相注射泵，调整连续相注射泵流量至8mL/h，待连续相流体充满整个通道时，打开离散相注射泵，设定流量为5.6mL/h。待两相流动现象稳定后，使用高速摄像机实时记录并保存于计算机中;

　　(7)实验结束后，依次关闭离散相注射泵、连续相注射泵、高速摄像机、冷光源和计算机，清理实验台并将实验废液倒入废液回收桶。

　　2 实验结果与分析

　　微流控技术制备液滴过程中主要受到四个无量纲参数的控制，包括连续相毛细数Cac=(μcuc)/σ，离散相雷诺数Red=(ρddud)/μd，离散相韦伯数Wed=(ρdud2d)/σ以及离散相与连续相之间的流量比Q*=Qd/Qc。前三个无量纲参数分别代表了黏性力与界面张力的比值、惯性力和黏性力的比值以及惯性力和界面张力的比值。特征长度d=2wh/(w+h)，w和h分别是通道的宽和高。液滴制备持续时间由无量纲时间t*=Qc(t–t0)/w2h表征，其中，t是实际时间，t0是液滴制备周期初始时刻。

　　2.1 挤压式流型

　　挤压式流型出现于两相流量均较小的工况下。图2展示了挤压式流型下一个制备周期内的相界面形貌演化情况，包括生长、挤压、颈缩和快速夹断四个阶段。离散相流体在进入主通道后沿着主通道轴向流动。在经过交叉处时，侧通道内连续相流体的对向流动限制了离散相头部在侧通道轴向上的膨胀，使其在惯性力作用下向下游继续膨胀(生长阶段，t*=0～4.17)。当离散相流体的头部阻塞了交叉处后方的通道时，侧通道内压力将上升并挤压离散相，使离散相头部曲率逐渐增大直至相界面完全离开通道壁(挤压阶段，t*=4.17～4.88)，交叉区域内的相界面也开始内凹形成明显的颈部。在界面张力与连续相挤压的协同作用下，颈部持续收缩(颈缩阶段，t*=4.88～5.83)，随即出现Rayleigh-Plateau不稳定性，颈部快速夹断，形成一个塞状液滴和一个卫星液滴(快速夹断阶段，t*=5.83～6.23)。

　　2.2 滴式流型

　　增大Q*时，挤压式流型将转变为滴式流型，如图3所示。与挤压式流型不同的是，滴式流型在生长阶段(t*=0～0.11)后没有出现挤压阶段。这是因为相对于界面张力，离散相惯性力和连续相黏性剪切力的作用增强(Wed和Cac增加)，离散相头部向下游伸长而不会阻塞交叉区域出口。而随着离散相头部增大，其受到的连续相黏性剪切作用继续增强，促使颈部开始收缩，进入颈缩阶段(t*=0.11～0.62)最终由于Rayleigh-Plateau不稳定性，颈部快速夹断，形成一个塞状液滴和卫星液滴，即快速夹断阶段(t*=0.62～0.72)。

　　3 微流控技术制备液滴可视化实验观测教学平台的教学应用

　　作为对高度抽象的理论知识的补充，本文所建立的微流控技术制备液滴可视化实验教学平台能够帮助学生直观了解液滴制备过程中的相界面演化特性。从上述直观可视化实验数据出发，任课老师可针对相关知识点，尤其相界面演化特性及流体动力学的内在关系进行深入讲解剖析，从而加深学生对流体受力博弈这一微流控本质机理的理解与掌握，使课堂教学实现高层理论和基础性认知的层次化结合，调动学生学习的积极性，强化教学效果。此外，该平台还可以作为学生课外研学的平台，引导学生自主设计微流控芯片，探索高通量、高均匀度液滴生成的优选工艺参数，提升学生工程实践能力，激发学生创新意识。

　　4 结语

　　本文设计并搭建了微流控技术制备液滴可视化实验观测教学平台，并开展了不同工况参数下液滴制备实验教学案例研究，动态观测了液滴制备过程中的相界面演化，分析了液滴制备过程中的相界面演化规律与流体动力学特性。通过可视化实验，学生能够直观认识液滴制备过程，从而进一步加深对流体力学抽象理论和知识的理解认识，有助于调动学生学习的积极性，激发学生创新意识，推动微流控相关交叉学科的实验教学方法改革。——论文作者：俞炜

文章名称：微流控技术制备液滴可视化实验观测教学平台设计

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