微胶囊的微流体数字化制备技术及配套器件制作工艺研究

论文摘要

随着微胶囊技术的迅速发展和学科交叉,微胶囊的应用领域不断扩展,对微胶囊产品的品质提出了越来越高的要求。虽然目前制备微胶囊的方法很多,但有效地减小微胶囊的粒径和粒径分布、提高制备过程的可控性等问题,仍是微胶囊控释等应用实践的关键问题。为此需要很好的解决微胶囊的成粒方式、微量流体驱动方式和核心成粒器件的设计与制作等问题。微流体数字化技术在基本概念上和理论上有原创性,实现了微量流体在微流体器件中的脉冲流动,为建立与信息、能量传输及固体运动数字化有等同意义的物质传输数字化开辟了道路。本论文以微流体数字化技术为研究基础的,以数字化制备单分散的乳液和微胶囊为研究导向,在微量流体驱动基础理论的研究、乳液和微胶囊数字化制备实验、及以新型微流体器件工艺与装备的研制等方面取得了以下成果:提出了基于微流体数字化技术的规整单分散双重乳液和微胶囊的制备方法,进行了这两种微颗粒的连续序列和编码序列制备实验,制作了（O1/W/O2）型双重乳液、包覆液体芯材的微胶囊和包覆固体芯材的微胶囊;该方法实现了双重乳液和微胶囊制备时序的节拍化和制备粒径的系列规整化,提高了微颗粒制备过程的可控性和颗粒粒径的单分散性。总结了内构变径型微喷嘴中数字化微喷射过程的影响因素,在此基础上通过实验设计出微喷射稳定性图;设计了流体示踪实验,观测并研究了内构变径型微喷嘴内微喷射发生的过程;在实验观测的基础上,总结和归纳了内构变径微喷嘴内数字化微喷射过程的特征和实现的必要条件,提出了惯性力—弹性力—黏性力交替作用的数字化瞬态喷射过程的模型;应用类声学的办法对所建立的模型进行数理分析,由此对微喷射稳定性提出理论上的指导意见,解决了实践中的高黏度液体稳定喷射的问题。提出了一种新的基于玻璃微管道热流变拉伸成型原理的二维玻璃微流体器件制作工艺。使用该工艺方法制作了玻璃三通微管道,储液池在拉制的过程中同时成型;三通微管道截面呈圆形或无柄哑铃形,表面张力成形的三根微管道壁面具有较高的质量且光滑连接,因此三通管道结点处无内棱角和死腔;该三通微管道制作工艺成本低廉,工艺过程安全简单;在该工艺成熟的基础上,设计了玻璃三通微管道拉制仪,制备了支路内径不同的三通微管道;以三通微管道制备工艺为基础,设计了微流体管道网络装配工艺,制作了三种基本的微管道网络。将三通微管道工艺改进,制作了三通嵌合微喷嘴,并设计了以此种微喷嘴为核心的微喷射装置。以此装置为平台进行了微胶囊数字化制备实验,所制备微胶囊的有效载量得到提高。提出了符合微流体数字化技术驱动要求的直列微孔径多喷嘴制作工艺。使用此直列微喷嘴进行了初步的微喷射实验和微胶囊制备实验,实验中微喷射和微胶囊的制备效率显著提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 微胶囊技术研究概况
• 1.1.1 微胶囊技术及其发展
• 1.1.2 微胶囊的特点及应用
• 1.1.3 微胶囊化技术分类
• 1.2 利用微孔道制备粒径单分散的微胶囊技术研究进展
• 1.2.1 传统的利用孔道制备微胶囊的方法
• 1.2.2 无机玻璃SPG（Shirasu Porous Glass）膜乳化法
• 1.2.3 硅板材料表面的微通道MC（Microchannel）乳化法
• 1.2.4 利用微流控多相流制备微胶囊的方法
• 1.3 微流体器件制作
• 1.3.1 微流体系统概述
• 1.3.2 微流体器件制作技术
• 1.4 论文选题意义和研究背景
• 1.4.1 论文选题意义
• 1.4.2 课题来源
• 1.5 研究内容及论文结构
• 2 单分散双重乳液和微胶囊的微流体数字化制备
• 2.1 微流体数字化技术
• 2.2 规整双重乳液的微流体数字化制备
• 2.2.1 双重乳液简介
• 2.2.2 双重乳液微流体数字化制备的原理
• 2.2.3 双重乳液微流体数字化制备实验
• 2.2.4 双重乳液的制备结果及讨论
• 2.3 微胶囊的微流体数字化技术制备原理实验
• 2.3.1 微胶囊的微流体数字化技术制备原理及装置
• 2.3.2 海藻酸钠包覆食用芝麻油微胶囊的制备
• 2.3.3 海藻酸钠包埋活性炭粉末微胶囊制备实验
• 2.3.4 盐酸普萘洛尔微胶囊制备实验
• 2.4 本章小结
• 3 内构变径型微喷嘴数字化喷射性能实验及理论研究
• 3.1 微尺度效应及微流体特性
• 3.2 数字化微喷射过程稳定性实验研究
• 3.2.1 数字化微喷射实验现象小结
• 3.2.2 数字化微喷射系统可控性图
• 3.3 数字化驱动条件下的不对称流动基础实验研究
• 3.3.1 无压力势差直管道中流体的驱动
• 3.3.2 表面张力作用产生的不对称性
• 3.3.3 阻力不对称设想及实验
• 3.3.4 微喷射过程中微喷嘴内部气泡的产生
• 3.3.5 气体冲击液体产生的微喷射
• 3.3.6 不对称流阻对微喷射的影响
• 3.3.7 微喷嘴的非轴向驱动
• 3.3.8 聚丙烯微喷嘴任意方向喷射实验
• 3.3.9 驱动参数对微喷射液体量的影响
• 3.3.10 冲击信号的分解—单向单步喷射
• 3.4 微喷嘴内数字化流动的显微示踪实验及微喷射模型
• 3.4.1 油基液体示踪粒子的选择及示踪实验
• 3.4.2 水基液体的示踪微喷射实验
• 3.4.3 数字化微喷射过程中微喷嘴内气泡的运动
• 3.4.4 内构变径型微喷嘴单向数字化微喷射实现条件
• 3.4.5 内构变径型微喷嘴瞬态微喷射过程模型
• 3.5 基于实验现象的数理分析研究
• 3.5.1 微喷射模型的类声学假设
• 3.5.2 内构变径型腔体内弹性流体运动的放大聚焦
• 3.5.3 非定常脉动流动在微喷管内的黏性阻力
• 3.6 高黏度液体数字化微喷射实例
• 3.6.1 海藻酸钙微球的制备
• 3.6.2 固体石蜡微球的制备
• 3.7 本章小结
• 4 二维玻璃微流体器件热流变成型工艺设计、装备研制和微胶囊制备
• 4.1 三通玻璃微管道的制作工艺
• 4.1.1 玻璃微管道的成型原理
• 4.1.2 三通玻璃微管道的制备工艺
• 4.1.3 三通微管道制作工艺结果
• 4.2 三通玻璃微流体管道热流变拉制仪的研制
• 4.2.1 热流变拉制仪设计方案
• 4.2.2 三通微管道拉制实验样机
• 4.2.3 成形工艺参数
• 4.2.4 不等径拉伸拉制出的三通微管道
• 4.2.5 单管拉伸形成的T型微管道
• 4.3 微流体管道网络的装配
• 4.3.1 玻璃微流体管道网络装配工艺及装配平台
• 4.3.2 三种基本的微管道网络
• 4.4 三通微喷嘴的制作
• 4.4.1 三通微喷嘴制作工艺
• 4.4.2 三通微喷嘴制作结果
• 4.5 微流体三通嵌合微喷嘴数字化驱动实验及微胶囊的制备
• 4.5.1 三通嵌合微喷嘴制备微胶囊方案
• 4.5.2 三通嵌合微喷射实验系统
• 4.5.3 实验过程及实验结果
• 4.6 本章小结
• 5 直列微喷嘴制作工艺及微胶囊制备实验
• 5.1 直列微喷嘴设计要求
• 5.2 直列微喷嘴制作工艺
• 5.2.1 工艺准备
• 5.2.2 直列微喷管压铸封接
• 5.2.3 内构变截面腔体腐蚀成型
• 5.2.4 腐蚀成形锥形管前移过程分析
• 5.3 直列微喷嘴数字化微喷射实验及微胶囊制备
• 5.3.1 直列微喷嘴的数字化微喷射实验
• 5.3.2 直列微喷嘴数字化微胶囊制备实验
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 创新点归纳
• 6.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录