通常，由于在可见于吸收和流体处理结构中的许多多孔结构中纤维的随机取向，需要大量材料来移动流体体积。结果，几种不同性质的材料被结合使用来输送流体。可促进流体移动的表面将使结构性能更好，并可利用通常不使用的能力。可以形成或放置这样的表面以促进液体移动。这样，流体不会随机移动，而是遵循表面结构。这为人们提供了设计流体流动位置的能力。
以前，解决这些或相关问题的不成功尝试包括授予comanns等人的加拿大专利申请no.ca2875722a1，它描述了互连的毛细管；以及技术出版物“one-waywickinginopenmicro-channelscontrolledbychanneltopography”,journalofcolloidandinterfacescience404(2013)169-178，它描述了尝试最小化但不消除回流的定向流体传输。
技术实现要素：
本文描述的公开解决了上述问题，并提高了流体处理的效率。
根据本公开，一种用于被动定向流体输送的毛细管结构包括具有向前方向和向后方向的毛细管，该毛细管包括第一和第二毛细管单元，每个毛细管单元具有一系列毛细管部件，所述毛细管部件包括与发散部分流体连通的连接部分、具有向前侧和在向前方向上产生凹形弯月面的尺寸的发散部分，其中第二毛细管单元的连接部分连接到第一毛细管单元的发散部分的向前侧以形成至少一个过渡部分，并且其中过渡部分中尺寸的变化在向后方向上产生凸形液体弯月面或具有无穷大的曲率半径的直液体弯月面。
本公开还描述了一种用于定向输送具有接触角的流体的基底，该基底包括用于被动定向流体输送的毛细管结构，该毛细管结构包括具有向前方向和向后方向的毛细管，该毛细管包括第一和第二毛细管单元，每个毛细管单元具有一系列毛细管部件，所述毛细管部件包括与发散部分流体连通的连接部分、具有向前侧和在向前方向上产生凹形弯月面的尺寸的发散部分，其中第二毛细管单元的连接部分连接到第一毛细管单元的发散部分的向前侧以形成至少一个过渡部分，并且其中过渡部分中尺寸的变化在向后方向上产生凸形液体弯月面或具有无穷大的曲率半径的直液体弯月面。
本公开还描述了一种用于流体的被动定向输送的毛细管结构，该流体相对于毛细管结构具有接触角，该结构包括毛细管，该毛细管包括多个毛细管单元，每个毛细管单元具有一系列毛细管部件，所述毛细管部件包括与发散部分流体连通的连接部分、由过渡部分跟随的发散部分，其中连接部分具有纵横比αconnective>1/2((1/cosθ)–1)，其中发散部分以使得α/2<π/2–θ的角度从连接部分发散，并且其中过渡部分结合了从一个毛细管单元的发散部分到下一个毛细管单元的连接部分的宽度的突然变化。
本公开的其他特征和方面在下文更详细地讨论。
附图说明
通过参考以下说明、所附权利要求书和附图，本公开的前述及其他特征和方面以及实现它们的方式将变得更显而易见，并且本公开本身将得到更好的理解，其中：
图1是本公开的液体二极管的毛细管的表面设计的示意性平面图；
图2a是具有示例性尺寸的图1所示类型的多个毛细管的平行布置的示意性平面图；
图2b是具有示例性尺寸的图2a的多个毛细管的平行布置的示意性特写平面图；
图3是本公开的用于被动定向液体输送的液体二极管的示意图，该液体二极管包括结构的两个周期或毛细管单元，其中在向前方向上流动并且液体前沿在向后方向上停止。在图5中更详细地示出了用c表示的过渡点；
图4a是在图3中用a表示的用于双向流动的连接毛细管部件的示意性剖视图；
图4b是在图3中用b表示的用于双向流动的具有小倾斜角的圆锥形毛细管部件的示意性剖视图；
图4c是用于双向流动的连接毛细管部件的示意性剖视图，其在图3中用a表示并限定了曲率半径；和
图5是图4b的圆锥形毛细管部件和图4a的连接毛细管部件之间的接头处的示意性剖视图，其中突然变窄形成导致定向流动的单一过渡点，在图3中用c表示。图5中的曲率半径r1和r2具有不同的长度。
在本说明书和附图中反复使用参考字符旨在表示本公开相同或类似的特征或元件。附图是表示性的，并且未必按比例绘制。图中的某些比例可能被放大了，而其他部分则可能被最大程度缩小了。
具体实施方式
本领域的普通技术人员应当理解，本讨论仅是对本公开的示例性方面的描述，并且不旨在限制本公开的更广泛的方面。
本公开总体上涉及受益于定向流体输送的应用。一般来说，这种定向液体输送的应用范围很广，从吸收制品到微流体、医疗应用、酿酒厂、热交换器、电子冷却、过滤系统、润滑、电子墨水显示和集水装置。
本公开涉及一种用于定向流体输送(包括通过毛细力的完全定向液体输送)的表面。该设计通过使用封闭或开放毛细管(即毛细管)来控制流体从源位置到单独的期望位置的输送，以允许逆重力(或不逆重力)定向流动。
在一个示例中，由于在许多多孔结构中纤维的随机取向，需要大量材料来移动流体体积。结果，在一种方法中，几种具有不同性质的材料被结合使用来输送流体。可促进流体移动(特别是向结构的更远部分)的表面将允许结构利用通常不使用的流动面积或吸收能力。例如，这种表面可以形成或放置在层合物或膜上，以促进液体移动。这样，流体不会随机移动，而是遵循表面结构。这为人们提供了设计流体流动位置的能力。
此外，纤维性多孔结构一旦润湿就容易发生孔隙坍塌或结垢，导致液体输送效率低下。本公开的表面结构被设计成使得毛细管通过将液体从通道向外转移到另一个位置或储存材料来提供可再生的空隙空间，从而使得通道再次可供使用。这可以通过由膜、凝胶、膜状结构或包括刚性聚合物材料的刚性材料制造材料来实现。
根据本公开，接触角为0<θ<90°(固有地或通过处理)的所有材料都适用于定向液体输送。合适材料的示例包括聚合物、金属、陶瓷、半导体、玻璃、膜、非织造物或任何其它合适材料。术语聚合物不限于技术聚合物，而是包括可生物降解的聚合物，例如纤维素化合物、聚磷腈、聚乳酸(pla)和诸如聚二甲基硅氧烷(pdms)的弹性体。特别适用于本申请的是聚合物，例如聚(甲基丙烯酸甲酯)(pmma)、pla、聚丙烯(pp)、硅酮、环氧树脂、水凝胶、聚酰胺(pa)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、乙酸纤维素(ca)和乙酸丁酸纤维素(cab)。不具有0<θ<90°固有接触角的材料可以通过表面处理或化学处理来改变，例如等离子体改性、电晕放电、旋涂、喷涂或任何合适的方法或方法组合。该材料可以是或可以变成亲水的或亲脂的。
关于本公开的特定表面结构，其上形成表面结构的基底包括至少在流体流动的一些区域与液体的接触角小于90°的表面。该表面具有包括多个毛细管的结构，这些毛细管具有不同基本类型的毛细管部件的独特顺序排列。
该结构可以激光雕刻或通过其它制造方法形成到pmma(聚(甲基丙烯酸甲酯))板或其它合适的聚合物基底中。合适的制造方法包括热压印、丝网印刷、3d印刷、微铣削、铸造、注塑成型、压印、蚀刻、光刻(包括光学光刻和uv光刻)、光聚合、双光子聚合或任何其它合适的方法或方法的组合。
与其它微流体二极管技术相比，在本公开的结构中避免了可移动部件，如瓣片或圆柱形盘。本公开采用传统的散装材料，而不需要化学处理或使用多孔基底。虽然本公开提供了一种用于单向芯吸的结构，但是所制造的结构也允许液体前沿在相反方向上完全停止。
本公开的结构的性能消除了对两个或更多个毛细管互连的要求，如之前的尝试中所示，例如在授予comanns等人的加拿大专利申请no.ca2875722a1中所示，该专利描述了互连的毛细管。本公开的单个毛细管足以进行明显的定向流体输送。然而，在本公开的其它方面，如果需要毛细管网络，毛细管可以互连。例如，几个毛细管的网络可以更容错，以响应一个或多个毛细管中的堵塞，因为提供了替代路径来绕过堵塞单个毛细管的障碍。
由于与先前结构相比不同的设计，本文描述的结构提供了优点。这种结构提供了更高的体积流量(即，每给定的与流体接触的表面积)，部分原因是由于更紧密地填充毛细管的能力，因为两个毛细管之间不需要相互作用。换句话说，两个相互作用的毛细管之间没有振荡流。这种较高的体积流量是由于较高的输送速度，因为没有倾向于限制在向前方向上的输送速度的振荡流。此外，本公开的毛细管在设计上更简单。结果，该结构更能容忍毛细管尺寸的变化，这意味着该结构更能容忍所施加流体的润湿性质(例如，表面张力和接触角)的变化。该结构也更能容忍制造误差。
图1示出了具有两个连续毛细管单元25的毛细管20的一个示例性总体布置。毛细管20包括线性布置的一个或多个毛细管单元25，其中每个毛细管单元25与前一个和后一个毛细管单元25流体连通。如图2a所示，两个或更多个毛细管20可以布置成并排布置以提供平行的流体路径。本文描述的毛细管20可以在z方向上打开或闭合，z方向是垂直于图中x-y平面的方向。
尽管通过毛细管20的流体流可以在向前方向或向后方向上，但是净流量应该在向前方向上。在向前方向上的净流量也称为定向流量。
如图3-4c所示，并且如下文更详细描述的，毛细管单元25包括至少两种基本类型的限定形状的毛细管部件。包括适度加宽的毛细管部件和从窄到宽(反之亦然)快速过渡的毛细管部件。毛细管单元25还可以包括连接部分毛细管部件。基本类型的毛细管部件以独特的方式顺序布置，并且基本类型的毛细管部件的这种独特顺序布置导致在向前方向50上的被动定向流体输送，即使是在重力作用下。
本申请的结构包括至少一个毛细管20，其具有或不具有连接到其它毛细管的任何接头或叉。每个毛细管20包括三个特定几何参数的潜在重复序列，这些参数的设计取决于与基底的性质结合的流体性质。几何参数是连接部分a、发散部分b和至少一个过渡点c。
弯月面的曲率半径可用于确定流体是否会在向前方向上流动，或者流体是否会停止在向后方向上流动。简单的指导原则是凹形等于向前移动，凸形等于在向后方向上停止。
凹形的定义意味着“向内弯曲”或“向内凹陷”，意味着物体在某种程度上向其中心点弯曲。在本申请中，凹形流体在图4a和4b中示出。以毛细管力作为其后的驱动力的凹形液体前沿将有利于液体在图4a和4b所示的所有方向上移动。如图4c所示，液体前沿相对于液体的中心点具有凹形形状，并且曲率半径r由配合穿过液滴前沿的(假想的)圆形给出。对于图4a所示的情况，曲率半径在图4c中示出。曲率半径r是假想球体的半径，该球体使液滴在两侧向内“凹陷”。
相比之下，凸形意味着“拱起”或“向外拱起”。在本申请中，凸形流体在图5中示出。左手侧的凸形半径阻止流体在向后方向上流动。在这种情况下，假想球体源自液滴内部，曲率半径由r1给出。在右手侧的凹形液体前沿具有曲率半径r2。由于毛细管壁的不对称性，一个液滴有两种不同的曲率半径，导致液滴的毛细管驱动力不对称，并有利于定向流动。
因此，任何上述情况下的曲率都是由杨氏-拉普拉斯方程确定的：如果主要压力分量位于液滴内，它将形成凹曲率，如果它在外面，它将形成凸曲率。
示例
示例：连接部分在图3中用a表示，并在图4a中示意性地示出。连接部分a的设计允许双向流动。为了说明连接部分a的示例几何形状，对毛细管驱动压差δp采用以下推导，其由杨氏-拉普拉斯方程描述：
δp＝γ/h(x)·(-1+cosθ(x)+2α(x)cos(α(x)/2)cos(θ(x)-α(x)/2))。
这里，γ表示液体对周围气体的表面张力，h(x)表示毛细管的深度，α(x)表示毛细管的纵横比，α(x)表示连接毛细管壁的倾斜角。纵横比是毛细管的深度h(x)除以其宽度。这里，θ表示液体与固体的接触角。
α＝0的类型a的直连接部分的示例
δp＝γ/h·(-1+cosθ+2α(x)cos(0)cos(θ))
δp＝γ/h·(-1+cosθ+2α(x)cos(θ))
δp＝γ/h·(-1+cosθ(1+2α(x))
在具有恒定纵横比αconnective的示例性连接毛细管中，双向液体输送必须满足以下方程。
δp＝γ/h·(-1+cosθ(1+2α(x))>0
-1+cosθ(1+2αconnective)>0
cosθ(1+2αconnective)>1
1+2αconnective>1/cosθ
2αconnective>(1/cosθ)–1
αconnective>1/2((1/cosθ)–1)
结果，必须满足条件αconnective>1/2((1/cosθ)–1)，并且连接部分a必须是亲水的。
发散部分在图3中以b表示，并在图4b中示意性地示出。具有小倾斜角α的发散部分b的大体圆锥形设计也允许双向流动。应当注意，α不需要沿着发散部分恒定。为了说明发散部分b的示例几何形状，对毛细管驱动压差δpconic采用以下推导，其由杨氏-拉普拉斯方程描述：
δpconic,±＝γ/hconic(x)(-1+cosθ(x)+2aconic(x)cos(α(x)/2)cos(θ(x)±α(x)/2))。
这里，δpconic,+和δpconic,-分别是在向前方向和向后方向上的毛细管驱动压力差。这里，γ表示液体对周围气体的表面张力，hconic(x)表示毛细管的深度，αconic(x)表示圆锥形毛细管的纵横比，α(x)表示圆锥形毛细管的壁的倾斜角。纵横比是毛细管的深度hconic(x)除以其宽度。这里θ表示液体与固体的接触角。
在具有纵横比αconic(x)的示例圆锥形毛细管中，双向液体输送必须满足以下方程。
-1+cosθ+2aconic(x)cos(α/2)cos(θ±α/2)>0
-1+cosθ始终为负(除非θ＝0，在这种情况下表达式为0)。
因此，2aconic(x)cos(α/2)cos(θ±α/2)>+1-cosθ，以使表达式>0
另外，cos(θ+α/2)要求0度<θ+α/2<90度才能为正；cos(θ-α/2)要求0度<θ-α/2<90度才能为正。
转换为弧度，如果之前的假设接触角0度<θ<90度和倾斜角0度<α<90度成立，则α/2<π/2–θ和α/2<θ必须为真，表达式才会>0。
过渡部分在图3中用c表示，并在图5中更详细地示出。大体圆锥形的发散部分b和过渡部分c之间的接头导致在向前方向40上的突然变窄，形成单一的过渡点50，导致在向前方向40上的定向流动。过渡部分c可以沿着发散部分b的长度设置在长度的50％的位置，或者设置在大于长度的50％的位置，该长度是从连接部分a和发散部分b之间的接头处测量的。这种布置防止了在向后方向45上的回流。换句话说，在过渡部分c中的过渡点50处，流体前沿从凹到凸的过渡停止了流体在向后方向45上的输送。
这在pmma中被原型化，并被证明对肥皂水有效。样品由聚(甲基丙烯酸甲酯)(pmma)板通过使用二氧化碳激光器激光烧蚀制成，激光器的主波长在红外光范围内。该结构由八根毛细管制成，毛细管尺寸和排列如图2a和2b所示，周期长度为2.4mm，张角为26.6°。直毛细管部分的宽度为0.3mm。使用了0.72v％的皂浓缩物(
在第一特定方面，一种用于被动定向流体输送的毛细管结构包括具有向前方向和向后方向的毛细管，该毛细管包括第一和第二毛细管单元，每个毛细管单元具有一系列毛细管部件，所述毛细管部件包括与发散部分流体连通的连接部分、具有向前侧和在向前方向上产生凹形弯月面的尺寸的发散部分，其中第二毛细管单元的连接部分连接到第一毛细管单元的发散部分的向前侧以形成至少一个过渡部分，并且其中过渡部分中尺寸的变化在向后方向上产生凸形液体弯月面或具有无穷大的曲率半径的直液体弯月面。
第二特定方面包括第一特定方面，其中每个毛细管单元在z方向上至少部分地打开。
第三特定方面包括第一和/或第二方面，其中每个毛细管单元在z方向上闭合。
第四特定方面包括方面1-3中的一个或多个，还包括多个彼此平行设置的毛细管。
第五特定方面包括方面1-4中的一个或多个，其中每个毛细管没有与另一个毛细管的互连。
第六特定方面包括方面1-5中的一个或多个，其中给定液体相对于毛细管的接触角小于90°。
第七特定方面包括方面1-6中的一个或多个，其中毛细管是亲水的。
第八特定方面包括方面1-7中的一个或多个，其中毛细管是亲脂的。
第九特定方面包括方面1-8中的一个或多个，其中过渡部分停止向后方向上的流体输送。
第十特定方面包括方面1-9中的一个或多个，其中发散部分具有从连接部分与发散部分的交点测量的长度，并且其中过渡部分设置在该长度的大于50％处。
第十一特定方面包括方面1-10中的一个或多个，其中发散部分具有从连接部分与发散部分的交点测量的长度，并且其中过渡部分设置在该长度的50％处。
第十二特定方面是一种用于定向输送具有接触角θ的流体的基底，该基底包括用于被动定向流体输送的毛细管结构，该毛细管结构包括具有向前方向和向后方向的毛细管，该毛细管包括第一和第二毛细管单元，每个毛细管单元具有一系列毛细管部件，所述毛细管部件包括与发散部分流体连通的连接部分、具有向前侧和在向前方向上产生凹形弯月面的尺寸的发散部分，其中第二毛细管单元的连接部分连接到第一毛细管单元的发散部分的向前侧以形成至少一个过渡部分，并且其中过渡部分中尺寸的变化在向后方向上产生凸形液体弯月面或具有无穷大的曲率半径的直液体弯月面。
第十三特定方面包括第十二特定方面，其中毛细管以平行布置设置。
第十四特定方面包括第十二和/或第十三方面，其中给定液体相对于基底的接触角小于90°。
第十五特定方面包括方面12-14中的一个或多个，其中每个毛细管单元在z方向上是开放的。
第十六特定方面包括方面12-15中的一个或多个，其中每个毛细管具有向前方向和向后方向，并且其中每个过渡部分停止在向后方向上的流体输送。
在第十七特定方面，一种用于流体的被动定向输送的毛细管结构包括毛细管，该流体相对于毛细管结构具有接触角θ，该毛细管包括多个毛细管单元，每个毛细管单元具有一系列毛细管部件，所述毛细管部件包括与发散部分流体连通的连接部分、由过渡部分跟随的发散部分，其中连接部分具有纵横比αconnective>1/2((1/cosθ)–1)，其中发散部分以使得α/2<π/2–θ的角度从连接部分发散，并且其中过渡部分结合了从一个毛细管单元的发散部分到下一个毛细管单元的连接部分的宽度的突然变化。
第十八特定方面包括第十七特定方面，还包括多个彼此平行设置的毛细管。
第十九特定方面包括第十七和/或第十八特定方面，其中每个毛细管没有与另一毛细管的互连。
第二十特定方面包括方面17-19中的一个或多个，其中过渡部分停止向后方向上的流体输送。
在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本公开的这些和其他修改和变型可由本领域的普通技术人员实践，在所附权利要求中对此更具体地描述。此外，应当理解，本公开的各个方面中的方面可以整体或部分地互换。此外，本领域的普通技术人员将会知道，上述描述仅仅是举例，并非意图限制此类所附权利要求书中进一步描述的本公开。