一种新型微流动混合圆通道装置的制作、数值模拟和初步应用.pdfVIP

第28卷第 i期 化学反应_T程与Tl艺 V0l28．No l 2012年02月 ChemicalReactionEngineeringandTechnology Feb．20l2 一 种新型微流动混合圆通道装置的制作、数值模拟和初步应用 董广新，蒋稼欢 (重庆大学生物工程学院，重庆 400044) 摘要：微混合通道是微流控芯片实现功能的重要结构。微丝模塑法制作的微流动混合圆通道，具有特殊 “立体” 结构的侧壁沟通式通孔。通过数值模拟方法，定性描述了沟通通孔处的流场特征，以此来辅助设计微混合通道 并 初步探索了微流动混合圆通道的粒子合成能力。结果表 明，微丝模握法制作的微混合圆通道较相 同条件下的软光刻 通道具有更好的流场特征，并为粒子合成提供了一条新的途径 。 关键词：微丝模塑法 微圆通道 数值模拟 侧壁沟通式通孔 粒子合成 中图分类号：TM344．1 文献标识码：A 微流控技术是指在尺度为几个微米或上百微米的微小通道中操纵纳升或纳升 以下流体的技术 【】。微混 合过程2【，3】是指在微流控系统中 (主要是在微通道中)，对微小体积的液体进行混合。通过微流控技术实现 的微混合过程体现出如下的优点：较小试剂用量、更加优 良的热和物质传导交换，能够有效实现对空气和 湿度敏感的化学反应，较安全地合成危险化合物 4【1。由于微流控系统尺度较小，流体流动的特性不同于在 宏观下的表现形式。流体的扩散，表面张力，粘性变得更为重要，常表现为层流状态15，6l。微混合即是利用 对微通道的设计，克服这种层流状态，达到微小液体体积的混合的目的。微混合有以下的基本混合机理13，，】： ①剪切层流，流动截面之间产生相对运动，引起流体的变形、拉伸，增大混合流体的界面面积；②延伸流 动 ，通道几何形状的改变而造成的流体加速：③分布混合，流体的分割重排再结合效应；④分子扩散，根 据 Fick定理，可以得知当混合流体处于同一微通道时，仅仅依靠分子扩散就可以在很短时间内完成混合。 随着微流控技术的迅速发展，研究者已经设计出多种构型的微流控混合，从单纯的层流扰动 8【】设计到 微液滴受控混合 【，】等，如连续微流动层流扩散混合途径…-l3】、离散态的分段流混合途径 l【-I7】以及微液滴 混合方式 1【8-22]。目前 ，微混合通道制作工艺主要依赖于软光刻工艺2【31，但是软光刻工艺制作成本高昂，对 实验工作环境要求苛刻，三维微通道制作能力差。研究者一直在探索简单易行的制作工艺，本论文采用微 丝模塑工 】制作微流动混合圆通道，设计出侧壁沟通式T型交叉微圆通道装置。微丝模塑法制作的微通 道和软刻法制作的通道相 比有以下优点：其一，制作工艺简单，成本低；其一，微通道为圆形通道 ，比矩 形通道具有更加简单的流体参数，流体方程简单：其三，通道在交叉点处有着三维的沟通通孔结构，能够 造成更好的混合。论文对微圆通道的微流动混合状况做了数值模拟分析，并且初步探索了该装置的粒子合 成能力。 1T型微圆通道的微流动混合数值模拟 1．1建立微圆通道的仿真模型 软光刻法制作的微通道为矩形的结构，一般情况下通道处于同一平面内。而微丝模塑法制作微通道是 收稿 日期：201卜10．10；修订 日期：2012．01．19 作者简介：董广新(1985-)，男，硕_：研究生；蒋稼欢(1967-)，男，教授，通讯联系人。E-I1lail：jhuan@cqueducn 基金项 目：国家 自然科学基金 ；重庆市自然科学基金 (CSTC2008BB5192)：科技部国际科技合作重点项 目(2005DFA00190)：困家 “11 计划”(B06023)资助 12 化学反应工程与工艺 20I2年02月 f10] ShumHC，AbateAR，LeeD，etalDropletmicrofluidicsforfabricationofnon-sphericalparticlesJ【lM