一种球形液体颗粒的制备装置的制作方法

本发明涉及新材料研发领域，尤其是一种能够制备外表面具有疏水保护层的液滴的一种球形液体颗粒的制备装置。

背景技术：

外表面具有疏水保护层的液滴是一种最近被开发出的新的材料结构，简称疏水液滴，已经被应用于生物科技、制药等领域，疏水液滴表面的疏水层能够保护液滴以避免受到外界环境的污染，特别是在相对较高的外界压力下，使得液滴能够保持球形，另外，疏水液滴更容易操纵，在某些应用中具有重要作用。现有技术缺陷：疏水液滴的产量有限，且制备得到的液滴尺寸差别较大，并且制备过程中存在对液滴的污染问题，而且，制备体积在微升量级以下的疏水液滴步骤繁琐，较为耗时，所述一种球形液体颗粒的制备装置能够解决问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明基于电流体拉拽的原理来产生亚微升的疏水液滴，并对沉积在疏水的粉末衬底上的液滴进行振动以生成所需尺寸的疏水液滴，制备过程中能够避免对液滴的污染。

本发明所采用的技术方案是：

所述一种球形液体颗粒的制备装置包括底座、疏水衬底、电压源、支架、粉末盘、照相机、金属细杆、注射泵、位移台、离子风枪、振动马达和电缆，xyz为三维坐标系，疏水衬底位于底座的上面，疏水衬底通过电缆连接电压源，电压源能够在疏水衬底与金属细杆之间形成电压差，支架固定于底座上面，粉末盘通过振动马达连接于支架，使得粉末盘位于疏水衬底的上方，振动马达能够带动粉末盘振动，通过支架能够调节粉末盘的位置，粉末盘中具有聚四氟乙烯ptfe粉末，聚四氟乙烯ptfe粉末颗粒的平均尺寸为300微米，金属细杆位于粉末盘的上方，金属细杆空间垂直于粉末盘，金属细杆的上端连接注射泵，注射泵固定在位移台下面，通过位移台能够使得注射泵及金属细杆三维移动，注射泵包括一个圆柱形的液体腔和活塞，液体腔中具有极性液体，活塞向下运动能够将极性液体传输至金属细杆的上端、并沿金属细杆流向金属细杆的下端，最终形成液滴，照相机位于金属细杆侧面z正方向的10厘米位置处，离子风枪位于粉末盘侧面z负方向的15厘米位置处；电压源输出的电压范围为0到4千伏；疏水衬底由一块金属片制成；粉末盘由塑料制成，粉末盘的厚度为6毫米；金属细杆的直径为230微米、长度为1.3毫米；注射泵的液体腔直径为4毫米。

采用所述一种球形液体颗粒的制备装置制备疏水液滴的步骤如下：

步骤一，通过位移台调节注射泵及金属细杆的位置，使得金属细杆下端位于疏水衬底正上方的11厘米位置处；

步骤二，通过支架调节粉末盘的位置，使得粉末盘位于金属细杆下端的2厘米位置处；

步骤三，注射泵活塞以10微米/秒的速度向下运动，从而在金属细杆下端处产生液滴；

步骤四，通过电压源在金属细杆与疏水衬底之间施加直流电压，电压源的输出电压在3分钟内从0增加到3千伏，以将金属细杆下端处的液滴拉伸至所需体积，最终脱离金属细杆下端，并通过照相机监测液滴滴下的过程；

步骤五，金属细杆滴下的液滴被粉末盘收集，离子风枪发射的离子气流吹向粉末盘，并持续20秒，以使得液滴的电荷变为中性，有利于疏水层的包裹；

步骤六，开启振动马达，使得粉末盘沿z方向发生振荡，粉末盘振荡的频率为100赫兹、振荡幅度为600微米，持续50秒；

步骤七，开启振动马达，使得粉末盘沿x方向发生振荡，粉末盘振荡的频率为100赫兹、振荡幅度为600微米，持续50秒；

步骤八，开启振动马达，使得粉末盘沿y方向发生振荡，粉末盘振荡的频率为80赫兹、振荡幅度为300微米，持续30秒，最终使得聚四氟乙烯ptfe粉末均匀包裹在液滴外表面从而形成疏水液滴。

本发明的有益效果是：

本发明装置利用电场辅助及多方向振动来生成亚微升量级的疏水液滴，制备过程无需手动操作，制备速度快，对液滴的污染小，得到的疏水液滴体积分布较为均匀。

附图说明

下面结合本发明的图形进一步说明：

图1是本发明示意图。

图中，1.底座，2.疏水衬底，3.电压源，4.支架，5.粉末盘，6.照相机，7.金属细杆，8.注射泵，9.位移台，10.离子风枪，11.振动马达。

具体实施方式

如图1是本发明示意图，包括底座(1)、疏水衬底(2)、电压源(3)、支架(4)、粉末盘(5)、照相机(6)、金属细杆(7)、注射泵(8)、位移台(9)、离子风枪(10)、振动马达(11)和电缆，xyz为三维坐标系，疏水衬底(2)位于底座(1)的上面，疏水衬底(2)通过电缆连接电压源(3)，疏水衬底(2)由一块金属片制成，电压源(3)能够在疏水衬底(2)与金属细杆(7)之间形成电压差，电压源(3)输出的电压范围为0到4千伏；支架(4)固定于底座(1)上面，粉末盘(5)通过振动马达(11)连接于支架(4)，使得粉末盘(5)位于疏水衬底(2)的上方，振动马达(11)能够带动粉末盘(5)振动，通过支架(4)能够调节粉末盘(5)的位置，粉末盘(5)中具有聚四氟乙烯ptfe粉末，聚四氟乙烯ptfe粉末颗粒的平均尺寸为300微米，粉末盘(5)由塑料制成，粉末盘(5)的厚度为6毫米，金属细杆(7)位于粉末盘(5)的上方，金属细杆(7)空间垂直于粉末盘(5)，金属细杆(7)的直径为230微米、长度为1.3毫米，金属细杆(7)的上端连接注射泵(8)，注射泵(8)固定在位移台(9)下面，通过位移台(9)能够使得注射泵(8)及金属细杆(7)三维移动，注射泵(8)包括一个圆柱形的液体腔和活塞，注射泵(8)的液体腔直径为4毫米，液体腔中具有极性液体，活塞向下运动能够将极性液体传输至金属细杆(7)的上端、并沿金属细杆(7)流向金属细杆(7)的下端，最终形成液滴，照相机(6)位于金属细杆(7)侧面z正方向的10厘米位置处，离子风枪(10)位于粉末盘(5)侧面z负方向的15厘米位置处。

所述一种球形液体颗粒的制备装置包括底座(1)、疏水衬底(2)、电压源(3)、支架(4)、粉末盘(5)、照相机(6)、金属细杆(7)、注射泵(8)、位移台(9)、离子风枪(10)、振动马达(11)和电缆，xyz为三维坐标系，疏水衬底(2)位于底座(1)的上面，疏水衬底(2)通过电缆连接电压源(3)，电压源(3)能够在疏水衬底(2)与金属细杆(7)之间形成电压差，支架(4)固定于底座(1)上面，粉末盘(5)通过振动马达(11)连接于支架(4)，使得粉末盘(5)位于疏水衬底(2)的上方，振动马达(11)能够带动粉末盘(5)振动，通过支架(4)能够调节粉末盘(5)的位置，粉末盘(5)中具有聚四氟乙烯ptfe粉末，聚四氟乙烯ptfe粉末颗粒的平均尺寸为300微米，金属细杆(7)位于粉末盘(5)的上方，金属细杆(7)空间垂直于粉末盘(5)，金属细杆(7)的上端连接注射泵(8)，注射泵(8)固定在位移台(9)下面，通过位移台(9)能够使得注射泵(8)及金属细杆(7)三维移动，注射泵(8)包括一个圆柱形的液体腔和活塞，液体腔中具有极性液体，活塞向下运动能够将极性液体传输至金属细杆(7)的上端、并沿金属细杆(7)流向金属细杆(7)的下端，最终形成液滴，照相机(6)位于金属细杆(7)侧面z正方向的10厘米位置处，离子风枪(10)位于粉末盘(5)侧面z负方向的15厘米位置处；电压源(3)输出的电压范围为0到4千伏；疏水衬底(2)由一块金属片制成；粉末盘(5)由塑料制成，粉末盘(5)的厚度为6毫米；金属细杆(7)的直径为230微米、长度为1.3毫米；注射泵(8)的液体腔直径为4毫米。

通过电压使得液滴脱离金属细杆(7)下端的工作原理为：通过电压源(3)在金属细杆(7)与疏水衬底(2)之间施加恒定的电压，使得金属细杆(7)与疏水衬底(2)之间产生静电场，极性液体的液滴受到向下的静电力的作用，并在液滴的重力作用下达到力平衡，即f重力+f静电力-f表面张力＝0，其中液滴所受的重力f重力＝(4πr³/3)ρg，r是悬挂在金属细杆(7)下端的液滴的半径，ρ是液体密度，g是重力加速度，液滴所受的静电力f静电力＝ε0se²/2，ε0是液滴表面与疏水衬底(2)之间的媒介的介电常数，s是金属细杆(7)下端的液滴的表面积，e是液滴表面与疏水衬底(2)之间的电场强度，液滴的表面张力f表面张力＝2πrγ，γ是液滴中液体的表面张力常数，r是金属细杆(7)下端的外侧半径，说明了f重力为液滴半径的三阶函数，f静电力为液滴半径的二阶函数，f表面张力为液滴半径的一阶函数，表明了静电力对于尺寸较小的液滴的表面张力影响较大。

当液滴受到的向下的力大于其表面张力，悬挂的液滴将会与金属细杆(7)下端分离，金属细杆(7)与疏水衬底(2)之间的电场强度越大，液滴与金属细杆(7)下端分离时的半径越小，金属细杆(7)下端位置的电场强度与金属细杆(7)下端悬挂的液滴尺寸的关系用表示，其中v是电压源(3)施加在金属细杆(7)下端与疏水衬底(2)之间的电压，d是疏水衬底(2)与金属细杆(7)下端之间的距离，k＝1.3为校正因子。

粉末盘(5)位于疏水衬底(2)与金属细杆(7)下端之间，液滴与金属细杆(7)下端分离后滴入粉末盘(5)中，粉末盘(5)会影响金属细杆(7)下端与疏水衬底(2)之间的电场分布，从而改变静电力，f静电力＝ε0s(e-e^/)²/2，e^/为由粉末盘(5)而导致的电场变化，若金属细杆(7)下端位置的电场强度与施加在金属细杆(7)下端的液滴上的静电力仅取决于施加的电压v，这样，液滴中被拉出金属细杆(7)下端的部分的体积也是电压v的函数，因此，最终脱离金属细杆(7)下端的液滴的体积与施加的电压v的关系能够通过实验测量得到。

另外，金属细杆(7)下端的液滴的体积与液体在注射泵(8)中的流速及时间有关rsyringe为注射泵(8)中液体腔的直径，为注射泵(8)活塞向下的速度，v(t)为金属细杆(7)下端的液滴的体积，若注射泵(8)活塞向下的速度为恒定，能够得到金属细杆(7)下端的液滴的体积与时间的关系。

综上所述，能够通过金属细杆(7)与疏水衬底(2)之间的电压来控制滴下的液滴的体积。

本发明装置利用电场来辅助液滴滴下并沉积在疏水粉末衬底上，然后对其进行多方向的振动以生成疏水液滴，能够生成亚微升量级的疏水液滴，无需手动操作，且能够避免对液滴的污染。