一种制备具球形空腔聚合物纤维的方法及专用微流控芯片的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新型材料技术与微流控技术的交叉领域，具体涉及一种制备具球形空腔聚合物纤维的方法及专用微流控芯片。
【背景技术】
[0002]本发明以微流控技术为依托。微流控芯片(microfluidic chip)又称芯片实验室(lab on a chip)，指的是把常规实验室基本操作单元集成到一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规实验室的各种功能的一种技术。液滴微流控是微流控芯片技术的一个重要分支。其利用两相流在T型或夹流等形态的微流体通道内形成单分散的水滴或油滴。单分散的液滴为高通量的微量分析检查及颗粒材料合成提供了一个强力的支撑。
[0003]高分子聚合物指由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量化合物。由能够形成结构单元的小分子所组成的化合物称为单体，是合成聚合物的原料。由于高分子聚合物材料相对于传统材料具有更加多样更加优异的特性，因此其发展速度及应用的广泛性大大超过了传统材料。可以说高分子材料已成为工业、农业、国防和科技等领域的重要材料。高分子材料的一大特性是其能够根据需求被方便的加工成各种形态的材料，例如棒状，颗粒，纤维等等。但就高分子聚合物纤维来说，由于加工方法的限制，很难制备出具有更加复杂特殊形态及成分的纤维材料。随着科学技术的发展，各个领域对材料性能及功能的要求逐渐提高。制备更加复杂及多形态，多成分的多功能化聚合物材料，尤其是聚合物纤维材料已成为当务之急。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供了一种基于微流控技术制备具有球形空腔结构的聚合物纤维的方法及其专用芯片，利用本发明所提供的芯片及方法，可制备出具有特殊球形空腔的聚合物纤维，尺寸范围可从微米级到毫米级，聚合物种类多样，球形空腔间距及大小可调，并可在空腔内包涵多种物质。此类具复制结构及成分的聚合物纤维的应用前景广泛。
[0005]本发明提供了一种微流控芯片，该微流控芯片分为两层，两层材料表面均具有通道结构，两通道结构呈镜面对称，两层芯片材料在两镜面对称通道结构相互重合的情况下被封接在一起；
[0006]该芯片具有一个用于引入聚合物单体溶液的连续相入口及通道、一个用于引入液滴分散相溶液的分散相入口及通道、一个用于引入鞘流溶液的入口及通道、一个用于产生液滴的夹流通道结构单元、一个用于产生聚合物纤维的喷口结构单元、一个聚合物纤维产生通道、和一个产物收集出口。
[0007]本发明提供的微流控芯片，所述夹流通道结构位于喷口结构的上游，是连续相溶液通道与分散相溶液通道的交汇处，呈十字形。
[0008]本发明提供的微流控芯片，所述喷口结构单元位于夹流通道结构单元的下游，是连续相溶液通道、鞘流溶液通道及聚合物纤维形成通道三者的交汇处；连续相溶液通道与聚合物纤维形成通道呈上下分布，具有共同的中心轴；聚合物纤维形成通道直径大于连续相溶液通道；鞘流溶液通道分为两支路，位于喷口结构单元的左右两侧。
[0009]本发明提供的微流控芯片，所述产物收集出口位于聚合物纤维形成通道的末端，连通芯片通道与外界环境。
[0010]本发明还提供了基于所述微流控芯片制备具有球形空腔结构的聚合物纤维的方法，利用注射泵，将分散相溶液(挥发性液体物质)，连续相溶液(聚合物单体溶液)，鞘流溶液(第三种液体物质)分别通过各自的入口注入到微流控芯片的分散相溶液通道，连续相溶液通道及鞘流溶液通道内；调整各流体的流速到合适的范围内，使各溶液分别流经夹流通道结构单元及喷口结构单元，并在各溶液流经聚合物纤维形成通道时，通道内部或外部施加合适的聚合条件，以使聚合物单体聚合成纤维；随后在芯片的产物收集出口处即可连续的收集到包含有液滴的聚合物纤维材料；将收集到的聚合物纤维材料的外部鞘流溶液及内部残留溶剂去除，之后利用液滴溶液的挥发性将其从聚合物纤维中除去，即可形成具有球形空腔的聚合物纤维；通过在液滴分散相溶液中预先加入某种物质，可将此物质包涵在聚合物纤维的球形空腔内，以赋予这种纤维材料特殊的性能。
[0011]本发明提供的制备具有球形空腔结构的聚合物纤维的方法，在所述夹流通道结构单元处，分散相溶液会自动的形成液滴并被包涵在连续相溶液中，并被携带到下游的喷口结构单元。
[0012]本发明提供的制备具有球形空腔结构的聚合物纤维的方法，在所述喷口结构单元处，载有液滴的连续相溶液及鞘流溶液连续的从各自的通道汇入到聚合物纤维产生通道，形成了内部为聚合物单体溶液，外部为鞘流溶液的鞘流流型。
[0013]本发明提供的制备具有球形空腔结构的聚合物纤维的方法，在所述聚合物纤维形成通道内部或外部施加合适的聚合条件，使聚合物单体在鞘流内层连续的发生聚合，形成内部包含有液滴的聚合物纤维材料，并在鞘流的携带下通过产物收集出口通出到芯片外部以供收集。
[0014]本发明提供的制备具有球形空腔结构的聚合物纤维的方法，将收集到的聚合物纤维材料的外部鞘流溶液及内部残留溶剂去除，之后利用液滴溶液的挥发性将其从聚合物纤维中除去，以形成具有球形空腔的聚合物纤维。
[0015]本发明提供的制备具有球形空腔结构的聚合物纤维的方法，通过所述注射泵调节分散相及连续相溶液的流速，以调节生成的液滴的大小及间距，进而控制聚合物纤维内部球形空腔的大小及间距。
[0016]本发明提供的制备具有球形空腔结构的聚合物纤维的方法，通过在液滴分散相溶液中预先加入某种物质，可将此物质包涵在聚合物纤维的球形空腔内，以赋予这种纤维材料特殊的性能。
[0017]本发明具有以下优点:
[0018](I)操作简单，制备过程稳定；
[0019](2)聚合方法灵活，纤维材料种类多样；
[0020](3)球形空腔大小间距可调；
[0021](4)空腔内可包涵各种物质，可赋予纤维材料特殊的性能。
【附图说明】
[0022]图1:由两层具有镜面对称通道结构的聚合物材料组成的芯片示意图，(A)为芯片上层，(B)为芯片下层；
[0023]图2:立体通道结构示意图，其中包括分散相溶液入口(Il)及其通道(D)，连续相溶液入口(12)及其通道(C)，鞘流溶液入口(13)及其通道(S)，聚合物纤维形成通道(G)，及产物收集出口(O)；
[0024]图3:夹流通道结构单元(CJ)及喷口结构单元(SO)放大示意图；两结构分别用于形成液滴及形成鞘流流型。
【具体实施方式】
[0025]下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
[0026]实施例1:本发明芯片结构
[0027]