一种可调控的液滴自驱动微反应器的制备方法与流程

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一种可调控的液滴自驱动微反应器的制备方法与流程

本发明属于高分子材料制备领域,尤其涉及一种可调控的液滴自驱动微反应器的制备方法。



背景技术:

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,可以实现液滴的自驱动,从而减少需要外部辅助的需求。目前的微反应系统存在制作设备昂贵,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,而市场上将润湿梯度与微反应器结合的研究少之又少,对于能够调控的液滴自驱动微反应器的研究几乎没有。



技术实现要素:

为了解决上述问题,本发明提供一种可调控的液滴自驱动微反应器的制备方法,针对现有技术的不足,实现了微流体的自驱动及其调控,极大降低了流体驱动调控成本,具有便携、经济、快速、高效等特点,实现广泛应用。

为此采用如下的技术方案:一种可调控的液滴自驱动微反应器的制备方法,其特征在于包括以下步骤:

步骤(1)制备涂覆液:将聚二甲基硅氧烷的预聚物与交联剂以质量为10:1的比例混合搅拌均匀,之后放置在真空干燥箱中用真空泵抽取20min,去除溶液中的气泡,制得聚二甲基硅氧烷的涂覆液;

步骤(2)制备掩盖板:取一片长50mm、宽25mm、厚1mm的硅模板,利用三维绘图软件绘制出梯度结构排布图,所述梯度结构排布图是以直径为10μm、深40μm的单元孔在模板上呈梯度分布,所述梯度分布方式以沿模板长边为准,以第一个1mm的距离内单元孔间距为10μm,在第二个1mm的距离内单元孔间距增至20μm并以此类推;然后以绘制的梯度结构排布图为参照,对硅模板进行雕刻处理;选用的基底为玻璃基底,并对其进行预清洗,即将玻璃基底依次在丙酮、无水酒精、去离子水中超声10~20min,超声频率为50~100Hz,之后用水洗净并进行干燥处理;然后将处理好的硅模板紧密贴合在预清洗后的玻璃基底表面上;将步骤(1)制备的涂覆液通过旋涂的方式均匀覆盖在硅模板表面,具体旋涂方式的旋涂次数为1次,先以每分钟1500转的速率旋涂5s,再以每分钟8000转的速率旋涂20s,最后以每分钟1500转的速率旋涂5s,之后将旋涂有涂覆液的硅模板以温度为75℃干燥20min,从而在硅模板表面上形成涂覆液的薄膜;

步骤(3)制备具有柔性的多级梯度结构表面:准备厚度为1mm、宽为25mm的VHB胶带,先将VHB胶带拉伸,并维持50%的应变量,然后将步骤(2)制得的掩盖板旋涂有涂覆液薄膜的一面与拉伸后的VHB胶带紧密贴合,在温度为80℃的烘箱中处理2个小时;之后将玻璃基底与硅模板揭下,复制了硅模板梯度结构的涂覆液薄膜便与VHB胶带紧密贴合;最后释放对VHB胶带的拉力,紧贴在VHB胶带表面上的聚二甲基硅氧烷薄膜便由于收缩力在其表面上产生屈曲与梯度相结合的多级结构;

步骤(4)制备遮挡板:使用三维绘图软件绘制出一个等边梯形,梯形上短边长25mm,下长边长82.8mm,高50mm,两腰长115mm且与上下边夹角分别为120°和60°,取一厚度0.3mm、尺寸与上述等边梯形相同的铜片,将铜片沿梯形的高折叠使之夹角呈90°,即折成一楔形的遮挡板;

步骤(5)制备化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面:将步骤(4)制得的遮挡板的三角形长边处覆盖在步骤(3)制备的具有柔性的多级梯度结构表面上,遮挡板的楔形开口方向为VHB胶带上柱子更密集的方向;将其放置在等离子表面处理机中处理60min后取出,将遮挡板移去后即得到化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面;

步骤(6)将至少3条通过步骤(1)至(5)制得的化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面,按照表面柱子由疏到密的顺序,将至少3条上述结构的表面从上至下排列成一个“Y”字型,组装成一个微反应器;至少两种反应流体会先汇集于交叉口反应,之后再流向竖直的流道。

根据本发明所述的制备方法制备的一种可调控的液滴自驱动微反应器,在柔性多级梯度结构表面的基础上,结合了材料表面的化学性能变化形成的化学梯度,进一步增强了材料表面驱动液滴定向运输的能力。同时改变了材料的物理结构与化学结构:屈曲上的柱状结构从左到右其梯度变化为由疏到密,从而致使材料的疏水性从左到右由强变弱;经过等离子处理后的材料由于遮挡板的作用,其受到的反应程度从左到右其梯度变化为由小到大,材料本身为疏水性,经过处理后会变为亲水性,从而致使材料的疏水性从左到右由强变弱。两者的结合极大的提高了材料对于液滴的定向驱动能力,排成“Y”字型后,两种反应流体会先汇集于交叉口反应,之后再流向竖直的流道。并且由于是以柔性的VHB胶带为基底制备的多级结构,还可以通过对基底的拉伸来实现多级结构排列密度的变化,从而实现对液滴定向驱动速度的控制,从而来调控反应进行的速率。

本发明的有益效果是:

1)使材料的物理梯度与化学梯度相结合,进一步提高的材料定向驱动液滴的能力。

2)以通过对柔性基底的拉伸来改变梯度结构的排布密度,改变了材料表面的疏水性程度,从而可以对反应流体流动速率进行调控,操作简单,无需外部辅助设备。

3)通过设计能使得液滴充分混合和快速运输,从而提高微反应器效率。

4)制备方法经济,操作便捷。

附图说明

图1为具有柔性的多级梯度结构表面的制备示意图,图中标号为:1为VHB胶带,2为涂覆液薄膜,3为硅模板,4为玻璃基底,5为屈曲与梯度相结合的多级结构。

图2为多级结构表面等离子处理示意图,其中6为遮挡板。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

参照附图。实施例1 本实施例包括以下步骤:

步骤(1)制备涂覆液:5g聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂覆液的预聚物与0.5g交联剂混合搅拌均匀,之后放置在真空干燥箱中用真空泵抽取20min,去除溶液中的气泡,制得聚二甲基硅氧烷的涂覆液;

步骤(2)制备掩盖板:取一片长50mm、宽25mm、厚1mm的硅模板3,利用三维绘图软件绘制出梯度结构排布图,所述梯度结构排布图是以直径为10μm、深40μm的单元孔在模板上呈梯度分布,所述梯度分布方式以沿模板长边为准,以第一个1mm的距离内单元孔间距为10μm,在第二个1mm的距离内单元孔间距增至20μm并以此类推;然后以绘制的梯度结构排布图为参照,对硅模板进行雕刻处理;选用的基底为玻璃基底,并对其进行预清洗,即将玻璃基底依次在丙酮、无水酒精、去离子水中超声10~20min,超声频率为50~100Hz,之后用水洗净并进行干燥处理;然后将处理好的硅模板紧密贴合在预清洗后的玻璃基底表面上;将步骤(1)制备的涂覆液通过旋涂的方式均匀覆盖在硅模板表面,具体旋涂方式的旋涂次数为1次,先以每分钟1500转的速率旋涂5s,再以每分钟8000转的速率旋涂20s,最后以每分钟1500转的速率旋涂5s,之后将旋涂有涂覆液的硅模板以温度为75℃干燥20min,从而在硅模板3表面上形成涂覆液薄膜2;

步骤(3)制备具有柔性的多级梯度结构表面:准备厚度为1mm、宽为25mm的VHB胶带1,先将VHB胶带拉伸,并维持50%的应变量,然后将步骤(2)制得的掩盖板旋涂有涂覆液薄膜2的一面与拉伸后的VHB胶带紧密贴合,在温度为80℃的烘箱中处理2个小时;之后将玻璃基底与硅模板揭下,复制了硅模板梯度结构的涂覆液薄膜便与VHB胶带紧密贴合;最后释放对VHB胶带的拉力,紧贴在VHB胶带表面上的聚二甲基硅氧烷薄膜便由于收缩力在其表面上产生屈曲与梯度相结合的多级结构5;

步骤(4)制备遮挡板6:使用三维绘图软件绘制出一个等边梯形,梯形上短边长25mm,下长边长82.8mm,高50mm,两腰长115mm且与上下边夹角分别为120°和60°,取一厚度0.3mm、尺寸与上述等边梯形相同的铜片,将铜片沿梯形的高折叠使之夹角呈90°,即折成一楔形的遮挡板;

步骤(5)制备化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面:将步骤(4)制得的遮挡板的三角形长边处覆盖在步骤(3)制备的具有柔性的多级梯度结构表面上,遮挡板的楔形开口方向为VHB胶带上柱子更密集的方向;将其放置在等离子表面处理机中处理60min后取出,将遮挡板移去后即得到化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面。

步骤(6)将3条通过步骤(1)至(5)制得的化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面,按照表面柱子由疏到密的顺序,将3条上述结构的表面从上至下排列成一个“Y”字型,组装成一个微反应器;所述的“Y”字型排列,为两种液体混合反应的微反应器,可以视情况再增加所需的流道。反应液体首先流向“Y”字型中间处汇集混合,然后再流向“Y”字型的末端。

实施例2本实施例与实施例1的不同之处在于:适当对基底进行拉伸,可以使得材料表面柱子排列变得更加稀疏,从而轻微改变了材料表面的疏水性,进而对流体的流动速度产生影响。

本方法制备的一种可调控的液滴自驱动微反应器,材料表面上具有屈曲结构,在屈曲结构上还具有呈梯度分布的柱状结构,且材料表面具有化学梯度,润湿性由疏水性逐渐变为亲水性。液体在材料表面不同长度方向上接触角不同,从而滴落在“Y”字型上端的反应流体会受到表面张力的驱动发生定向移动,汇集于“Y”字型交叉口反应,最后于竖直流道上流出。

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