本发明属于液滴微反应器和乳液模板法微球/囊成型技术应用领域，具体涉及一种模拟微重力的液滴回转固化反应系统。
背景技术：
在微反应器、药物控释、催化剂载体、生物活性种装载、激光惯性约束聚变（icf）靶等领域中，百微米至数毫米粒径的微球/囊应用广泛。尤其是，聚合物空心球作为激光聚变靶芯轴材料和聚变能靶燃料容器的需求量很大，且对球体品质要求极高。随着激光驱动器功率越来越大，几何形貌规整的毫米量级至厘米量级的聚合物微球批量制备成为制靶领域的瓶颈之一。传统的机械搅拌、超声、喷雾和膜乳化等“自顶向下”（toptodown）的方法均难于批量制备出单分散度高且结构可控的大颗粒/球，且往往步骤较多，耗时费力。近年来，“自底向上”（bottomtoup）的微（micro-）/毫流控（milli-fluidic）液滴成形技术对于颗粒/微球的粒径与几何结构调控具有独特优势。无论是哪种方法，都以乳液液滴作为模板进行固化成型来制作微球/囊。其中，双/多重乳液原位固化成型过程复杂难控，乳液成活率低，产品球球形度和同心度（壁厚均匀性）难于提高，制约着icf聚变靶丸的制备和应用。
与微纳米级液滴相比，毫米量级甚至更大粒径的液滴自身流变性复杂，重力沉降和浮力效应更加明显。其中，双/多重乳液体系更加复杂，热力学极不稳定，密度分层效应等造成巨大风险和不可控性，为制备毫米量级甚至更大粒径的聚合物空心微球和微胶囊带来巨大挑战。为此，密度匹配的液滴中性悬浮技术，以及乳液体系粘度和界面张力等物理性质参数调控技术研究得最早。在此基础上，清华大学采用30度角倾斜旋转的部分充液圆底烧瓶为固化反应容器，水浴加热固化制备了约2mm粒径的聚苯乙烯（ps）空心球，但其流场受限于其容器形状，不适于大粒径乳液分散。美国国家点中心和中国工程物理研究院激光聚变研究中心采用水平旋转部分充液圆柱形固化反应容器，通过热固化技术制备了约3mm粒径的聚二乙烯基苯（pdvb）泡沫空心球和2mm粒径的聚苯乙烯（ps）空心球和聚－α－甲基苯乙烯（pams）空心球。另外，美国国家点中心和罗彻斯特大学等采用电泳居中技术获得约2mm粒径的间苯二酚-甲醛（rf）和多羟基甲基丙烯酸甲酯（tmpta）空心球。目前，电泳居中技术受体系介电常数限制，也主要用于制备2mm以下中空微球，且其过程引入了更为复杂的控制参数。研究表明，基于密度匹配技术和乳液体系物理性质，外加流场扰动作用是优化乳液固化过程的有效方式。然而，回转部分充液技术往往获得湍流流场，乳液液滴在涡流作用下作无规的剧烈运动，乳液发生较大形变，传热传质加剧，体系密度失配，导致破乳严重，不适于毫米量级和更大粒径的乳液稳定分散，且固化过程后期胶粒多发生团聚，导致微球产率极低，对于聚合时间较长的体系尤为不利。同时，由于存在气液界面，过饱和空气也会侵害乳液。相较而言，美国航空航天局使用的回转生物反应器（rccs）模拟微重力条件研究生物组织，其回转全充液技术往往获得层流流场可避免部分充液技术存在的隐患，效率更高。遗憾的是，对大颗粒/球要求极高的制靶领域尚未对此项技术引起足够的关注，大大滞后了高品质靶球的研制和应用。
因此，亟需发展一种适用于毫米量级甚至更大量级，能够模拟微重力的液滴回转固化反应系统。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟微重力的液滴回转固化反应系统。
本发明的模拟微重力的液滴回转固化反应系统，其特点是，包括旋转蒸发仪、环形旋转支架、固化反应容器、反应控制室和观测部；所述的旋转蒸发仪包括控制器、升降杆和空心转轴，固化反应容器包括瓶口和瓶身，环形旋转支架包括与固化反应容器配装的颈部和主体，环形旋转支架的颈部装卡到空心转轴上，固化反应容器装卡到环形旋转支架内，控制器控制升降杆升降和空心转轴旋转；
所述的反应控制室包括圆柱形罩、温度控制器和红外线加热灯管；所述的圆柱形罩水平放置并包覆在环形旋转支架主体外面，圆柱形罩的两端分别为开口端和封闭端，环形旋转支架的颈部从开口端伸出，出口处保留缝隙；圆柱形罩的内壁均匀分布红外线加热灯管和温度传感器探头，温度控制器通过温度传感器探头测量圆柱形罩内的温度，并基于温度反馈控制圆柱形罩内的温度；圆柱形罩的上下开有孔ⅰ和孔ⅱ，封闭端开有孔ⅲ；
所述的观测部包括片状激光、摄像头和粒子成像测速系统，摄像头从孔ⅲ观测固化反应容器内的液滴状态，获得的图像信号传输至粒子成像测速系统处理；
外接的辐照光源和片状激光的灯头分别从孔ⅰ或孔ⅱ伸入圆柱形罩内。
所述的圆柱形罩的内壁材质为反光材料或对内壁进行抛光处理。
所述的圆柱形罩有隔热保温材料层。
所述的固化反应容器形状为圆柱形瓶或圆底烧瓶，材料为石英玻璃。
所述的旋转蒸发仪的控制器利用步进电机驱动空心转轴按设置旋转时间、强度和方向作无极变速旋转。
所述的环形旋转支架的主体可上下开合，以便装卸固化反应容器。
所述的环形旋转支架应尽可能少遮盖所述固化反应容器。
所述的固化反应容器充液后作为容纳液滴、乳液、多重乳液和微球等颗粒的容器，提供液滴固化反应过程中的外加流场作用。
所述的圆柱形罩可上下开合，以便装卸环形旋转支架和固化反应容器。
所述的反应控制室用于提供数控恒温空气浴装置。
本发明的模拟微重力的液滴回转固化反应系统，其核心旨在通过调控简易回转器装置的腔体内部流场获得模拟微/低重力作用，使乳液液滴在可控条件下原位固化成型，批量制备几何形貌规整的毫米量级大颗粒；与传统普通转瓶部分充液技术的湍流流场相比，本发明中的全充液技术和控速回转技术能形成更加稳定可控的层流流场，液滴对重力作用来不及反应就转到另一方向，其重力作用几乎被抵消，乳液液滴在微/低重力条件下自适应悬浮约束成椭圆度极小的球体，同时避免了气液界面和过饱和空气对乳液的侵害，乳液液滴全部成活且分散良好，并集成了固化反应条件（光、辐照和热）及过程监测调控装置，乳液体系聚合固化更加高效和可控，有利于提高产品球的产率和质量，可广泛用于制备大直径聚合物微球，尤其是能满足激光惯性约束聚变（icf）实验靶球制备的要求。
附图说明
图1为本发明的模拟微重力的液滴回转固化反应系统的结构示意图；
图中，1.微流控液滴发生器2.升降杆3.空心转轴4.环形旋转支架5.固化反应容器6.圆柱形罩7.摄像头8.旋转蒸发仪9.温度控制器10.红外线加热灯管11.孔ⅰ12.孔ⅱ13.孔ⅲ14.粒子成像测速系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细介绍本发明。
如图1所示，本发明的模拟微重力的液滴回转固化反应系统包括旋转蒸发仪8、环形旋转支架4、固化反应容器5、反应控制室和观测部；所述的旋转蒸发仪8包括控制器、升降杆2和空心转轴3，固化反应容器5包括瓶口和瓶身，环形旋转支架4包括与固化反应容器5配装的颈部和主体，环形旋转支架4的颈部装卡到空心转轴3上，固化反应容器5装卡到环形旋转支架4内，控制器控制升降杆2升降和空心转轴3旋转；
所述的反应控制室包括圆柱形罩6、温度控制器9和红外线加热灯管10；所述的圆柱形罩6水平放置并包覆在环形旋转支架4主体外面，圆柱形罩6的两端分别为开口端和封闭端，环形旋转支架4的颈部从开口端伸出，出口处保留缝隙；圆柱形罩6的内壁均匀分布红外线加热灯管10和温度传感器探头，温度控制器9通过温度传感器探头测量圆柱形罩6内的温度，并基于温度反馈控制圆柱形罩6内的温度；圆柱形罩6的上下开有孔ⅰ11和孔ⅱ12，封闭端开有孔ⅲ13；
所述的观测部包括片状激光、摄像头7和粒子成像测速系统14，摄像头7从孔ⅲ13观测固化反应容器5内的液滴状态，获得的图像信号传输至粒子成像测速系统14处理；
外接的辐照光源和片状激光的灯头分别从孔ⅰ11或孔ⅱ12伸入圆柱形罩6内。
所述的圆柱形罩6的内壁材质为反光材料或对内壁进行抛光处理。
所述的圆柱形罩6有隔热保温材料层。
所述的固化反应容器5形状为圆柱形瓶或圆底烧瓶，材料为石英玻璃。
本发明的模拟微重力的液滴回转固化反应系统的工作过程如下：
a.将旋转蒸发仪8和反应控制室分别安装在水平实验台上，相对位置和效果参照图1，根据圆柱形罩6的位置调整升降杆2使空心转轴3高度位置与圆柱形罩6高度相适应，并将环形旋转支架4装配在空心转轴3上调至水平，确保环形旋转支架4能正常旋转。
b.打开环形旋转支架4，将部分充液的固化反应容器5（如预充pva水溶液，超过1/3，不到1/2）安装在环形旋转支架4内。
c.将一端弯曲的导管的弯曲端伸入固化反应容器5，另一端从空心转轴3伸出，并伸入连接至微流控液滴发生器1的液滴出口通道，使微流控液滴发生器1工作，连续批量制备得到乳液液滴，乳液经玻璃管道穿过空心转轴3运输，乳液进入到通过旋转蒸发仪8控速旋转的固化反应容器5中，收集至所需数目后停止收集。
d.将固化反应容器5充满，封住瓶口，使固化反应容器5在环形旋转支架4带动下通过旋转蒸发仪8控速旋转，关闭圆柱形罩6。
e.将片状激光灯头安装在孔ⅰ11，并将辐照光源（uv）灯头安装在孔ⅱ12，摄像头7安装在孔ⅲ13，通过调节粒子成像测速系统14在线观察乳液状态。待乳液完成自修复，呈较为理想的球形，良好分散。
f.开始加热，或光照，或同时加热和光照，通过温度控制器9设置和调节温度，保温或用紫外（uv）灯对液滴进行照射；固化过程中视乳液状态可通过旋转蒸发仪8适当调节旋转方式，通过调节粒子成像测速系统14在线观察乳液颜色变化，继续光照至完全固化，转移，干燥即得到产品球。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所使用的材料，试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
完成上述a、b和c步骤中的装配工作。
以体积比100：32的纯水（h2o）与重水（d2o）的混合溶液为内水相w1；将二乙烯基苯（dvb）单体与溶剂邻苯二甲酸二丁酯（dbp）按体积比1：5的比例混合均匀，以质量分数0.4wt%的脱水山梨醇油酸酯（span80）为乳化剂，质量分数3%的苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦（bapo）为光引发剂，通氩气保护的条件下搅拌10分钟混合均匀，所得混合溶液为中间油相o；以质量分数5%的聚乙烯醇（pva，mw=88000g/mol）水溶液为外水相w2。采用出口通道为5.5mm的微流控液滴发生器1控制三相流速（qw1=3.33ul/s，qo=0.88ul/s，qw2=20.83ul/s），连续批量制备得到双重乳液（w1/o/w2），乳液经玻璃管道穿过所述空心转轴3运输到5rpm速率水平旋转的部分充液的固化反应容器5中，收集不少于200粒，外径为5.172mm，壁厚为356µm，尺寸标准偏差小于5‰。
停止收集，用pva水溶液充满固化反应容器5，封住瓶口，通过旋转蒸发仪8使固化反应容器5在环形旋转支架4带动下以8-12rpm的速率进行水平旋转，关闭圆柱形罩6。将片状激光灯头安装在孔ⅰ11，并将辐照光源（uv）灯头安装在孔ⅱ12，摄像头7安装在孔ⅲ13，通过调节粒子成像测速系统14在线观察乳液状态。约5分钟后，乳液完成自修复，呈较为理想的球形，良好分散。
开始加热，通过温度控制器9设置和调节温度，保温50℃；同时用波长为365nm，光照强度为3.7w/cm3的紫外（uv）灯对液滴进行照射；固化过程中视乳液状态可通过旋转蒸发仪8适当调节转速，通过调节粒子成像测速系统14在线观察，双重乳液由透明变为乳白色，继续光照至45分钟使之完全固化得湿凝胶球，成活率达100%；将湿凝胶球转移至乙醇溶液中进行置换；将置换后的湿凝胶球放入co2超临界干燥设备进行干燥，即得到聚二乙烯基苯（pdvb）泡沫空心球，外径5.111mm，球壳壁厚351µm，同批产品球尺寸标准偏差小于5‰，球形度和同心度均高于99%。
本发明不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。