专利名称:基于微流体的聚变靶丸制备方法
基于微流体的聚变靶丸制备方法技术领域：
本发明涉及的是一种基于微流体通道技术的惯性约束核聚变靶丸的制备方 法，属于聚变靶丸制备的技术领域：
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背景技术：
随着能源问题的日渐突出，惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion, ICF) 作为可控核聚变技术，受到越来越多的关注。欧美日等国都在对惯性约束聚变进 行研究。作为核聚变燃料的载体，具有空心微球结构的聚变靶的研制和开发是ICF 研究中的重要内容。目前靶丸的制备工艺主要有液滴炉技术，干凝胶技术，微 封装技术，界面聚合法等。这些方法通常需要精度很高的仪器，往往原料消耗大， 操作繁琐。微流控技术是指釆用微细加工技术，在一块几平方厘米的芯片上制作出 微通道网络结构,把实验室大型设备集成在尽可能小的操作平台上,用以完成不同 的实验过程，并能对产物进行分析的技术。它不仅使试剂的消耗降低,而且使实验速 度提高,费用降低，充分体现了当今实验室设备微型化、集成化和便携化的发展趋 势。因此，开发基于微流控技术的靶丸制备方法将简化实验步骤，縮小实验设备， 精确控制结果，实现靶丸的大量制备。本发明提出了一种利用微流控通道来制备 惯性约束核聚变靶丸的新方法。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种基于微流体的聚变靶丸制备方法。该制 备方法通过微流体通道使靶丸材料的溶液或者前聚体形成双重微乳液，再通过固 化干燥，形成符合ICF靶要求的空心微球。该制备方法可以制备出大小均一，囊 壁可控的空心微球，符合ICF靶的要求。技术方案本发明通过微流体通道使靶丸材料的溶液或者前聚体形成单分散 双重微乳液，再通过固化干燥，形成符合ICF靶要求的空心微球。
本发明基于微流体的聚变靶丸制备方法采用微流体通道网络系统使靶丸溶液 或前聚体在流动相中形成双重微乳液，基于液滴模板形成符合聚变要求的空心靶 丸，并且空心靶丸的直径、壁厚可控；其具体制备方法包括以下步骤1. )微流体通道的制备采用微加工技术在硅片、或玻璃、或聚甲基丙烯酸 甲酯、或聚二甲基硅氧烷微流体芯片上建立微流体通道网络系统，该系统有3个 入口，分别为囊心相入口，囊壁相入口、流动相入口，有l个出口；2. )微乳液的制备将囊心相、囊壁相、流动相三相溶液分别装入三个针筒， 分别对应连接三个入口，用数字控制注射泵控制三相溶液流速，从出口得到均匀 稳定的微乳液；3. )聚变靶丸的制备将微乳液囊壁干燥固化，去除囊心相，得到符合要求 的空心聚变靶丸。建立微流体通道网络系统的方法为选择医用针头、聚合物管、三通连接出 一个微流体通道网络系统。微流体通道网络系统是2级T型通道模式，或是汇聚 剪切通道模式。有益效果根据本发明，利用微流体芯片制备聚变靶丸具有以下优点1) 可控性强因为微流体通道的设计固定，只需调节液体流速即可调控靶丸 的直径和壁厚。2) 液体需要量小由于微通道是微米级或者毫米级的，因此可以实现yl/min 的流速，减少了液体的浪费。3) 制备成本低只要制作一个微流体芯片即可实现一系列聚变靶丸的制备。4) 便于集成与微型化由于微流体芯片的尺寸在几个平方厘米，如果加上微泵注射，那么整个装置将是十分微小的。
图1为本发明2级T型微流体通道示意图，图中标注有囊心相入口 11，壁 层相入口 12，流动相入口 13，出口 14,第一结点15，第二结点16。图2为本发明汇聚剪切微流体通道示意图，图中标注有囊心相入口21，壁 层相入口22，流动相入口23，出口24，汇聚点25。图3为本发明实施例一示意图，图中标注有囊心相入口 31，壁层相入口 32， 流动相入口33，出口34，第一结点35，第二结点36。
具体实施方式
我们设计了一种微流体通道网络系统，该系统可以是2级T型通道模式，也 可以是汇聚剪切通道模式。采用微加工技术建立微流体通道网络系统(包括硅、 玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧垸微流体芯片)或者选择医用针头、聚 合物管(如Teflon、 Peek、聚氯乙烯)、三通(如Peek、不锈钢)等连接出一个 网络通道系统，该系统有3个入口，分别为囊心相入口，囊壁相入口、流动相入 口，有1个出口。该微流体通道网络通过水相与油相之间的剪切力、表面张力等 作用，最终形成了单分散的水包油包水或油包水包油双重微乳液。收集出口的微乳液，经过干燥固化，形成微胶囊，去除囊心之后就形成了空 心聚变靶丸。调节三相的流速就可以得到不同直径和壁厚的靶丸。微流体通道网络系统是2级T型通道模式，或是汇聚剪切通道模式。实施例一直径500 u m壁厚15 P m的聚苯乙烯聚变靶丸的制备方法1. 通道的制备① .在一个长度为15cm内径为500 u m的Teflon管壁上打上一个小孑L，插入事先磨平的6号医用针头，注意要将针头插在管子的中 间，该针头作为囊心溶液(水)的入口；② .Teflon管的一端插入一个6号针头，作为囊壁溶液(聚苯乙烯溶液)的入口；③ .用内径500u m的Peek三通连接该Teflon管的另一端和另外两根15cm长500 u m内径的Teflon管，并在当中一根Teflon管的一端 插入6号针头，作为流动相(聚乙烯醇水溶液)的入口。2. 微乳液的制备① .将3.5g聚苯乙烯(PS)溶于25ml苯和25mll， 2-二氯乙垸的混合溶液中，形成7XPS溶液；② .25g聚乙烯醇(PVA)溶于500ml超纯水当中，形成5%PVA溶液；③ .将水、PS溶液，PVA溶液分别装入针筒，装载在数字控制注射泵上，三相的针筒分别连接囊心溶液入口，囊壁溶液入口和流动相 入口；④ .调节水的流速为0.5ml/h， PS溶液的流速为1.5ml/h， PVA溶液的
流速为10ml/h，当第一水相(水)在第一个结点处和油相(PS溶液) 相遇时，形成单分散的油包水乳液；再通过第二个结点与第二水相 (PVA溶液)相遇时，又形成了单分散的水包油包水乳液。当出口的 微乳液稳定时，用装有250mlPVA溶液的500ml圆底烧瓶接收。 3.聚变靶丸的制备① .接收到一定数目的微乳液之后，将圆底烧瓶置于旋转蒸发仪，设置温度为6(TC，转速为40rpm，开始旋转；② .当微乳液干燥浮出水面，将温度设为7(TC，转速调至60rpm;③ .当微乳液再次沉到瓶底，将温度设为8(TC，转速调至80rpm，维持lh; .待PS溶液的溶剂完全蒸发，取出微球，清洗去表面的PVA溶液， 6(TC烘干即可得到直径为500 u m壁厚15 u m的聚苯乙烯聚变耙 丸。实施例二直径1000 ii m壁厚20y m的聚苯乙烯聚变靶丸的制备方法1. 通道的制备① .用一个内径500 u m的Peek三通连接三根长度为15cm内径为500ix m的Teflon管，其中两根管子的一端分别插入一个6号针头作 为囊心溶液(水)入口和囊壁溶液(聚苯乙烯溶液)入口；② .另一根没有插针头的Teflon管的外面套上一截内径1000wm的Teflon管，通过内径1000的不锈钢三通连接另外两根15cm 长1000 u m内径的Teflon管，并在当中一根Teflon管的一端插 入套上一截内径500nm Teflon管的6号针头，作为流动相(聚 乙烯醇水溶液)的入口；2. 微乳液的制备① .将3. 5g聚苯乙烯(PS)溶于25ml苯和25ml 1， 2-二氯乙烷的混合溶液中，形成7^PS溶液；② .25g聚乙烯醇(PVA)溶于500ml超纯水当中，形成5XPVA溶液；将水、PS溶液，PVA溶液分别吸入针筒，装载在数字控制注射泵 上，三相的针筒分别连接囊心溶液入口，囊壁溶液入口和流动相 入口。 .调节水的流速为5ml/h, PS溶液的流速为5ml/h， PVA溶液的流速 为80ml/h，当第一水相(水)在第一个结点处和油相(PS溶液) 相遇时，形成单分散的油包水乳液；再通过第二个结点与第二水 相(PVA溶液)相遇时，又形成了单分散的水包油包水乳液。当 出口的微乳液稳定时，用装有250mlPVA溶液的500ml圆底烧瓶接 收。3.聚变靶丸的制备① .接收到一定数目的微乳液之后，将圆底烧瓶置于旋转蒸发仪，设 置温度为6(TC，转速为40rpm，开始旋转；② .当微乳液干燥浮出水面，将温度设为70'C，转速调至60rpm;③ .当微乳液再次沉到瓶底，将温度设为8(TC，转速调至80rpm，维持lh;④ .待PS溶液的溶剂完全蒸发，取出微球，清洗去表面的PVA溶液，60。C烘干即可得到直径为500ix m壁厚15iim的聚苯乙烯聚变靶 丸。实施例三直径500ixm壁厚20iim的泡沫酚醛树脂(RF/PF)聚变靶丸的制 备方法1. 通道的制备① .在一个长度为15cm内径为500 u m的Teflon管壁上打上一个小孔，插入事先磨平的6号医用针头，注意要将针头插在管子的中间， 该针头作为囊心溶液(l一甲基萘)的入口；② .Teflon管的一端插入一个6号针头，作为囊壁溶液(酚醛树脂溶液)的入口；③ .用内径500 u m的Peek三通连接该Teflon管的另一端和另外两根15cm长500 u m内径的Teflon管，并在当中一根Teflon管的一端 插入6号针头，作为流动相(混合硅油)的入口。2. 微乳液的制备(D.将5. 72g间苯二酚溶于54ml超纯水中，加入7. 8ml37W甲醛溶液， 0.028g2.8wt^Na2C03溶液，在70'C水浴下搅拌加热lh，放入冰水 浴冷却，得到RF溶液； ②.2. 5g 2, 4， 6—三羟基苯甲酸溶于24ml超纯水加入5mllM NaOH溶 液在7(TC混合，再加入3. 43ml37%甲醛溶液在70。C水浴中搅拌加 热lh，放入冰水浴冷却，得到PF溶液；(D.将以上两种溶液混合，得到我们所需的RF/PF混合溶液，作为囊 壁前聚体； .将10cst硅油和氟化硅油按照l: l体积比混合，作为流动相； .将1一甲基萘、RF/PF溶液，混合硅油分别吸入针筒，装载在数字 控制注射泵上，三相的针筒分别连接囊心溶液入口，囊壁溶液入 口和流动相入口。
⑥.调节1 —甲基萘的流速为2ml/h， RF/PF溶液的流速为0. 5ml/h， 混合硅油的流速为10ml/h，当第一油相(l一甲基萘)在第一个结 点处和水相(RF/PF溶液)相遇时，形成单分散的水包油乳液；再 通过第二个结点与第二油相(混合硅油)相遇时，又形成了单分 散的油包水包油乳液。当出口的微乳液稳定时，用装有250ml含 0. 39%乙酸的混合硅油的500ml圆底烧瓶接收。 3.聚变靶丸的制备① .接收到一定数目的微乳液之后，将圆底烧瓶置于旋转蒸发仪，在5min内将转速提升到95rpm， 5min之后升到120rpm持续lmin， 再回到95rpm保持50min即可催化聚合完成；② .取出酚醛树脂微球，用正己烷洗去表面硅油和内部l一甲基萘；③ .用酒精梯度置换出酚醛树脂空心微球中的水，再用醋酸异戊酯置换出酒精；④ .将浸泡于醋酸异戊酯中的酚醛树脂空心微球在C02超临界流体中进行干燥，最后得到泡沫酚醛树脂聚变靶丸。
权利要求
1.一种基于微流体的聚变靶丸制备方法，其特征在于采用微流体通道网络系统使靶丸溶液或前聚体在流动相中形成双重微乳液，基于液滴模板形成符合聚变要求的空心靶丸，并且空心靶丸的直径、壁厚可控；其具体制备方法包括以下步骤
1.)微流体通道的制备采用微加工技术在硅片、或玻璃、或聚甲基丙烯酸甲酯、或聚二甲基硅氧烷微流体芯片上建立微流体通道网络系统，该系统有3个入口，分别为囊心相入口，囊壁相入口、流动相入口，有1个出口；
2.)微乳液的制备将囊心相、囊壁相、流动相三相溶液分别装入三个针筒，分别对应连接三个入口，用数字控制注射泵控制三相溶液流速，从出口得到均匀稳定的微乳液；
3.)聚变靶丸的制备将微乳液囊壁干燥固化，去除囊心相，得到符合要求的空心聚变靶丸。
2. 根据权利要求
1所述的基于微流体的聚变靶丸制备方法，其特征在于建立 微流体通道网络系统的方法为选择医用针头、聚合物管、三通连接出一个微流 体通道网络系统。
3. 根据权利要求
1或2所述的基于微流体的聚变靶丸制备方法，其特征在于 微流体通道网络系统是2级T型通道模式，或是汇聚剪切通道模式。
专利摘要
基于微流控通道的聚变靶丸制备方法是一种基于微流体通道技术的惯性约束核聚变靶丸的制备方法，该方法采用微流体通道网络系统使靶丸溶液或前聚体在流动相中形成双重微乳液，基于液滴模板形成符合聚变要求的空心靶丸，并且空心靶丸的直径、壁厚可控；该制备方法通过微流体通道使靶丸材料的溶液或者前聚体形成双重微乳液，再通过固化干燥，形成符合ICF靶要求的空心微球。该制备方法可以制备出大小均一，囊壁可控的空心微球，符合ICF靶的要求。其具体制备方法包括1.)微流体通道的制备2.)微乳液的制备3.)聚变靶丸的制备。
文档编号G21B1/19GKCN101110278SQ200710025642
公开日2008年1月23日 申请日期2007年8月10日
发明者蓉 朱, 赵祥伟, 顾忠泽 申请人:东南大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan