RU2813892C1 - Способ управления дисперсными потоками несмешивающихся жидкостей в микроканальном устройстве для создания капель микронного и субмикронного размера - Google Patents

Способ управления дисперсными потоками несмешивающихся жидкостей в микроканальном устройстве для создания капель микронного и субмикронного размера Download PDF

Info

Publication number
RU2813892C1
RU2813892C1 RU2023116664A RU2023116664A RU2813892C1 RU 2813892 C1 RU2813892 C1 RU 2813892C1 RU 2023116664 A RU2023116664 A RU 2023116664A RU 2023116664 A RU2023116664 A RU 2023116664A RU 2813892 C1 RU2813892 C1 RU 2813892C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
flow
ratio
microchannel device
phase
dispersed
Prior art date
Application number
RU2023116664A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Владиславович Ковалев
Анна Александровна Ягодницына
Артур Валерьевич Бильский
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук
Application granted granted Critical
Publication of RU2813892C1 publication Critical patent/RU2813892C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к управлению потоком на микромасштабах и может быть использовано для производства эмульсий. Согласно изобретению отношение динамической вязкости дисперсного потока к динамической вязкости несущей фазы задают меньше чем 0,01 и реализуют устойчивый снарядный режим течения потока со срывом микрокапель с задней кромки снарядов в микроканальном устройстве с гидравлическим диаметром каналов от 100 мкм. При этом поддерживают устойчивый рабочий режим соотношением между числом капиллярности, построенным по суммарной среднерасходной скорости фаз, и отношением расходов фаз потока. Соотношение имеет следующий вид: Q d/Q c = 0,015⋅(Cabulk)-2, где Q d – расход дисперсной фазы; Q c – расход несущей фазы; Cabulk – число капиллярности. Техническим результатом является получение мелкодисперсных эмульсий путем создания устойчивого снарядного режима течения потока со срывом микрокапель с задней стенки снаряда. 3 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к управлению потоком на микромасштабах и производству эмульсий с определёнными характеристиками, а именно дисперсность эмульсии и характерный размер включений дисперсной фазы. Способ позволяет создавать эмульсии с включениями микронного и субмикронного размера в микроканалах со значительно большими размерами (100 мкм и более).
Способ создания описанных мелкодисперсных эмульсий может быть использован для 3D-печати сложноструктурированных материалов, в полимерной промышленности для создания функциональных микрочастиц, в биологии и медицине при изготовлении фильтров и мембран, в химии для получения каталитических материалов, в энергетике для создания топливных эмульсий.
Для получения композитных материалов с заданными свойствами при 3D-печати, а также при создании мелкодисперсных эмульсий и функциональных микрочастиц с использованием микрофлюидики необходим высокоточный контроль над размерами капельных включений, что требует детальных знаний о гидродинамике потоков в микроканальных устройствах. В зависимости от преобладающих в системе сил, как правило, выделяют два основных вида течений: параллельное/непрерывное, когда жидкости текут совместно (например, кольцевой, параллельный или ручейковый режимы), и сегментированное, когда дисперсная фаза представлена каплями или снарядами, разделенными несущей фазой [1 – 3].
Из уровня техники известен способ и устройство управления потоком текучей среды по патенту RU2381382, МПК F04B 19/00, 2006 фирмы КОНИНКЛЕЙКЕ ФИЛИПС ЭЛЕКТРОНИКС Н.В. (NL), в котором устройство предназначено для использования в области биотехнологии и фармацевтики, а также в микроканальных системах охлаждения, связанных с микроэлектроникой. Согласно изобретению предложены микрофлюидальные системы, способ ее изготовления и способ управления или манипулирования потоком текучей среды через микроканалы микрофлюидальной системы. Внутренняя сторона стенки микроканала снабжена исполнительными элементами, которые могут изменять форму и ориентацию, реагируя на внешнее стимулирующее воздействие. Посредством этого изменения формы и ориентации можно управлять и манипулировать потоком текучей среды через микроканал. Система компактна, дешева и проста в обработке.
Известно устройство формирования пристенных капельных течений жидкости в микро- и мини-каналах, по патенту RU2620732, МПК F28D5/00, 2016 г.
Изобретение относится к области электроники, в частности к микромасштабным охлаждающим устройствам таким, как микроканальные теплообменники, которые обеспечивают высокие значения коэффициента теплопередачи при течении жидкостей в относительно небольших объемах. В устройстве, включающем плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения, одна из стенок которого является подложкой, расположенных на ней одного или нескольких электронных тепловыделяющих элементов, формирователь газового потока , генератор капель, поперек мини- или микроканала между соплом формирователя газового потока и передней кромкой электронного тепловыделяющего элемента выполнен ряд микроотверстий, которые соединены системой трубок с генератором капель. Технический результат - создание устройства, позволяющего достичь эффективного охлаждения микроэлектронного оборудования с локальным тепловыделением.
Предлагаемый способ предполагает разработку фундаментальных основ управления потоками несмешивающихся жидкостей в микроканальном устройств для создания капель микронного и субмикронного размера и генерации мелкодисперсных эмульсий, которые могут быть использованы для 3D-печати композитных материалов, создания функциональных микрочастиц, создания топливных эмульсий и в других приложениях.
Известно изобретение - пастообразная фотоотверждаемая композиция повышенной текучести по патенту RU 2703230, МПК В29С64/00, 2018 г.
Изобретение относится к полимерной промышленности и может использоваться для изготовления трехмерных изделий путем 3D- печати. Фотоотверждаемая композиция в виде пасты содержит жидкую фотополимеризующуюся композицию (10-45 об.%), отверждаемую ультрафиолетовым излучением, и наполнитель из твердого материала, пропускающего ультрафиолетовое излучение (55-90 об.%). Наполнитель включает смесь частиц шаровой формы разного размера не более 1000 мкм. Частицы шаровой формы могут представлять собой стеклянные или полимерные микрошарики, или полые микросферы. Обеспечивается повышение антифрикционных свойств и улучшение текучести композиции.
Известен патент RU 2715224, МПК В29С64/00, 2017 г. – Способ пригодные для печати композиции, включающие высоковязкие компоненты, и способы создания 3D изделий из этих композиций. Изобретение предусматривает пригодные для печати композиции, содержащие полимеризуемый высоковязкий компонент, который в других случаях не может служить в качестве основного полимеризуемого компонента в способах 3D печати, в частности стереолитографии. Полученные пригодные для печати композиции особенно полезны для изготовления упругих приспособлений для медицины и стоматологии. Способ включает стадии, на которых а) обеспечивают пригодную для печати композицию; b) селективно отверждают пригодную для печати композицию с образованием изделия, представляющего форму трехмерного объекта; с) удаляют значительное количество временного растворителя из изделия; и d) необязательно отверждают незаполимеризованный полимеризуемый компонент, оставшийся до или после стадии с). Пригодная для печати композиция содержит полимеризуемый высоковязкий компонент, содержащий по меньшей мере одну этиленненасыщенную связь, 5-30 мас.% временного растворителя и инициатор.
Известны способы получения объемных пористых структур из несмешивающихся жидкостей в микроразмерных каналах методом 3D-печати, включаеющие получение идеальной губки с множеством мелких наноразмерных пор.
Известен способ получения материала с порами по патенту RU 2734425, МПК В29С64/00, 2019, Способ получения каталитических материалов методом 3D- печати.
Предлагается способ получения каталитических материалов методом 3D печати на основе керамических порошков и/или тонкодисперсных наноструктурированных порошков с размером кристаллитов, близким к рентгеноаморфности кристаллической структуры - менее 5 нм, и их получение включает следующие стадии: 1) предварительное компьютерное моделирование гидродинамических характеристик катализаторного слоя для разных вариантов геометрии гранул/пеллет и заданных: геометрии реакторного блока, условий реакции - давления, температуры, состава и скорости движения реакционного потока; 2) выбор оптимального варианта размера, формы и внутренней пространственной структуры каналов-пор гранул/пеллет; 3) 3D проектирование оптимизированных гранул/пеллет для реализации 3D печати ; 4) 3D печать оптимизированных гранул/пеллет одним из известных способов. Изобретение позволяет получить каталитические материалы методом 3D печати, обладающие высокой каталитической активностью за счет сложной разветвленной геометрии каналов-пор, повышенного соотношения площади поверхности к объему.
Известен способ получения губчатой структуры по патенту RU 2771391, В29С 64/153, 2020 г.-  Способ получения трехмерного ауксетика с сотовой структурой (варианты).
Группа изобретений относится к области формирования методами 3D-печати в форме трехмерной (3D) сотовой структуры сложной геометрии с отрицательным коэффициентом Пуассона, которая может быть использована в областях различного применения, в том числе областях спорта и медицины, в качестве элементов средств индивидуальной защиты, а также в имплантологии и ортопедии. Описаны способы получения трехмерного ауксетика с сотовой структурой (варианты), включающие построение элементарной ячейки размера 20×20×10 мм с расположением бокового ребра к горизонтальному ребру под углом в 60 градусов на основе различных материалов: эластомера термопластичного полиуретана (ТПУ) или на основе AlSi11Cu. Элементарная ячейка создается при помощи твердотельного моделирования в системах автоматизированного проектирования. Формирование трехмерного ауксетика на основе эластомера термопластичного полиуретана осуществляют путем 3D- печати методом послойного наплавления нити с толщиной слоя 300 мкм при скорости печати 15 мм/с, при температуре экструзии 225°С. Формирование трехмерного ауксетика на основе AlSi11Cu осуществляют путем 3D-печати методом селективного лазерного сплавления с толщиной слоя 30 мкм, со скоростью сканирования 1650 мм/с при мощности лазера 370 Вт. Технический результат изобретения заключается в создании сотовой конструкции с отрицательным коэффициентом Пуассона, отличающейся сложной трехмерной геометрией, обладающей периодичной структурой, возможностью изготовления методами 3D- печати из различного рода материалов, включая полимеры и металлические сплавы, также способностью поглощать (демпфировать) и равномерно распределять механическую энергию по всему объему конструкции за счет ауксетического эффекта (всестороннего сжатия). Используемое значение расположения бокового ребра к горизонтальному ребру создает оптимальное соотношение коэффициент Пуассона/механические свойства.
Задачей изобретения является создание устойчивого снарядного режима течения потока со срывом микрокапель с задней кромки снарядов в микроканальном устройстве прямоугольного или квадратного сечения каналов.
В том числе создание мелкодисперсных эмульсий жидкость-жидкость с характерными размерами включений дисперсной фазы порядка единиц микрометров и менее в каналах с гидравлическим диаметром от 100 мкм.
Поставленная задача решается благодаря способу управления дисперсными потоками несмешивающихся жидкостей в микроканальном устройстве включающему задание определённой скорости потока в микроканальном устройстве прямоугольного или квадратного сечения. Согласно изобретению задают (обеспечивают) отношение динамической вязкости дисперсной фазы к динамической вязкости несущей фазы меньше чем 0,01. Дисперсная и несущая фазы должны быть представлены несмешивающимися жидкостями, могут использоваться жидкости, как на органической, так и на водной основе. Реализуют устойчивый снарядный режим течения потока со срывом микрокапель с задней кромки снарядов в микроканальном устройстве с гидравлическим диаметром каналов от 100 мкм, при этом поддерживают устойчивый рабочий режим соотношением между числом капиллярности, построенным по суммарной среднерасходной скорости фаз и отношением расходов фаз потока. Соотношение имеет следующий вид: Q d/Q c = 0,015·(Cabulk)-2, где Q d – расход дисперсной фазы.; Q c – расход несущей фазы; Cabulk – число капиллярности.
Положительный эффект предлагаемого способа управления дисперсными потоками несмешивающихся жидкостей в микроканальном устройстве, позволяет создавать эмульсии с включениями микронного и субмикронного размера в микроканалах со значительно большими размерами 100 мкм и более.
Способ создания описанных мелкодисперсных эмульсий может быть использован для 3D-печати сложноструктурированных материалов, в полимерной промышленности для создания функциональных микрочастиц, в биологии и медицине при изготовлении фильтров и мембран, в химии для получения каталитических материалов, в энергетике для создания топливных эмульсий.
Пример осуществления способа.
Предлагаемое изобретение направлено на разработку фундаментальных основ генерации мелкодисперсных эмульсий жидкость-жидкость с заданными свойствами с помощью микрофлюидных устройств.
Проведено экспериментальное исследование влияния режимов работы и геометрии микрофлюидных устройств, а также физических свойств жидкостей на формирование капельных включений дисперсной фазы. Определен диапазон безразмерных параметров работы микроканальных устройств, пригодный для создания эмульсий с каплями микронного и субмикронного размера в каналах с характерными размерами от 100 мкм и более.
Эксперименты проводились в микроканалах прямоугольного сечения с Т- и Х-образными входами, выполненными из ПММА (полиметилметакрилат) методом микрофрезерования и последующей склейки пластин. Схема и размеры микроканалов показаны на Фиг. 1 и Фиг.2. Высота микроканалов составляла 200 мкм. В случае X-входа дисперсная фаза подавалась в центральный входной канал, а несущая в боковые каналы.
В качестве несущей фазы были выбраны два различных состава полидиметилсилоксана (ПДМС) Sylgard 184 и силиконовые масла (СМ) с близкими к ПДМС значениями вязкостей. ПДМС использовался в термоотверждаемом варианте с добавлением отвердителя в исходный состав в отношении 2:3 по массе, а также в чистом виде без добавления сторонних примесей. Дисперсной фазой во всех случаях была дистиллированная вода. Всего в экспериментах использовалось четыре различных набора жидкостей, представленных вместе с основными характеристиками в таблице.
Для экспериментов по визуализации режимов течения в микроканалах использовалась скоростная съемка на камеру PCO 1200 hs, подключенную к микроскопу Zeiss Axio Observer Z1 с объективом 5x увеличения. Поток в канале задавался контроллером давления Elveflow OB1 с кориолисовым расходомером Bronkhorst BFS CORI-FLOW с обратной связью (дисперсная фаза) и шприцевым насосом (несущая фаза). Свойства жидкостей были измерены напрямую и представлены в таблице.
Таблица. Физические свойства рабочих жидкостей.
СМ 670 сП СМ 5300 сП ПДМС / Отвердитель 3:2 ПДМС Вода
Плотность ρ, г/см3 0.939 0.939 1.010 1.050 0.998
Вязкость µ, мПа·с 670 5300 666 5300 0.9
Поверхностное натяжение σ, мН/м 20 20.4 20.1 20.4 68.7
Результаты эксперимента
Были визуализированы режимы течения в Т- и Х-каналах в широких диапазонах параметров. Характерные скорости потока варьировались от 2,5⋅10–5 м/с до 5⋅10–2 м/с. Было выделено три различных вида среди сегментированных режимов течения: устойчивый снарядный режим (далее — снарядный, фиг. 3a), снарядный режим со срывом микрокапель (фиг. 3b) и неустойчивый переходной режим течения, характеризующийся периодическими пульсациями расхода (фиг. 3c). Снарядный режим реализуется при малых характерных скоростях потока, при этом отрыв снарядов, как правило, происходит в квазистационарном режиме, так что давление в подводящих каналах и расход фаз меняются пренебрежимо мало. При увеличении скорости потока возрастают характерные сдвиги, которые вызывают срыв микрокапель с задней кромки снарядов за счет эффекта, известного в мировой научной литературе как «tip-streaming». Размер дочерних капель при этом много меньше размеров снаряда, их диаметр варьируется от единиц до десятков микрометров. При дальнейшем увеличении скорости потока режим перестает быть квазистационарным и возникают значительные пульсации расходов в подводящих трубках.
Для получения эмульсий с каплями микронного размера необходимо работать в режиме со срывом микрокапель с задней кромки снарядов, обнаруженном в проведённых экспериментах (см. фиг. 3б).
Эксперимент и анализ полученных данных позволил выделить область существования такого режима и обобщить её для жидкостей с разными свойствами.
Обнаружено, что переход к снарядному режиму с отрывом микрокапель описывается числом капиллярности Cabulk, и отношением расходов фаз Q d/Q c. Полученные результаты позволяют определить диапазон безразмерных параметров работы микроканальных устройств, пригодный для создания мелкодисперсных эмульсий с заданными свойствами. Переход к данному (оптимальному) диапозону описывается зависимостью Q d/Q c = 0,015·(Cabulk)-2. Оптимальные значения параметров для получения стабильного режима со срывом микрокапель это Q d/Q c > 1 при Cabulk > 0,5.
Используемый метод позволяет создавать капли с размерами единицы и доли микрон с высокой производительностью (количество капель в единицу времени) и малым отклонением по размерам не прибегая к использованию сложных геометрий входа в микроканал.
Источники информации:
1. Salim A., Fourar M., Pironon J., Sausse J. Oil-water two-phase flow in microchannels: FLow patterns and pressure drop measurements // Canadian J. Chemical Engng. 2008. Vol. 86, No. 6. P. 978–988.
2. Zhao Y., Chen G., Yuan Q. Liquid-Liquid Two-Phase Flow Patterns in a Rectangular Microchannel // AIChE Journal. 2006. Vol. 12, No. 52, P. 4052–4060.
3. Foroughi H., Kawaji M. Viscous oil-water flows in a microchannel initially saturated with oil: Flow patterns and pressure drop characteristics // Intern. J. Multiphase Flow. 2011. Vol. 9, No. 37, P. 1147–1155.
4.Патент RU 2381382, МПК F04B 19/00, 2006 г.;
5. Патент RU2620732, МПК F28D5/00, 2016 г.;
6. Патент RU 2703230, МПК В29С64/00, 2018 г.;
7. Патент RU 2715224, МПК В29С64/00, 2017 г.;
8. Патент RU 2771391, МПК В29С 64/153, 2020 г ;
9.Патент RU 2734425, МПК В29С64/00, 2019г.

Claims (2)

  1. Способ управления дисперсными потоками несмешивающихся жидкостей в микроканальном устройстве для создания капель микронного и субмикронного размера, включающий обеспечение скорости течения потока в микроканальном устройстве прямоугольного или квадратного сечения каналов, при котором возникает снарядное течение, где дисперсная фаза представлена в виде капель или снарядов, разделенных несущей фазой, отличающийся тем, что отношение динамической вязкости дисперсного потока к динамической вязкости несущей фазы задают меньше чем 0,01 и реализуют устойчивый снарядный режим течения потока со срывом микрокапель с задней кромки снарядов в микроканальном устройстве с гидравлическим диаметром каналов от 100 микрометров, при этом поддерживают устойчивый рабочий режим соотношением между числом капиллярности, построенным по суммарной среднерасходной скорости фаз, и отношением расходов фаз потока, которое описывается зависимостью
  2. Qd/Qc = 0,015⋅(Cabulk)-2, где Qd – расход дисперсной фазы; Qc – расход несущей фазы; Cabulk – число капиллярности.
RU2023116664A 2023-06-26 Способ управления дисперсными потоками несмешивающихся жидкостей в микроканальном устройстве для создания капель микронного и субмикронного размера RU2813892C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2813892C1 true RU2813892C1 (ru) 2024-02-19

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5070341A (en) * 1986-08-28 1991-12-03 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Liquid stream deflection printing method and apparatus
RU2614283C1 (ru) * 2016-02-15 2017-03-24 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Устройство для диспергирования в жидкости капель или пузырей в микроканалах и способ его эксплуатации
RU2652222C1 (ru) * 2017-03-27 2018-04-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Многоканальный микрореактор
RU2718617C1 (ru) * 2019-10-11 2020-04-09 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) Микродиспергатор для генерирования капель
CN111693412A (zh) * 2019-03-14 2020-09-22 张乐翔 一种基于数字照片批处理的微小液滴群流式尺寸统计方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5070341A (en) * 1986-08-28 1991-12-03 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Liquid stream deflection printing method and apparatus
RU2614283C1 (ru) * 2016-02-15 2017-03-24 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Устройство для диспергирования в жидкости капель или пузырей в микроканалах и способ его эксплуатации
RU2652222C1 (ru) * 2017-03-27 2018-04-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Многоканальный микрореактор
CN111693412A (zh) * 2019-03-14 2020-09-22 张乐翔 一种基于数字照片批处理的微小液滴群流式尺寸统计方法
RU2718617C1 (ru) * 2019-10-11 2020-04-09 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) Микродиспергатор для генерирования капель

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Salim A., Fourar M., Pironon J., Sausse J. "Oil-water two-phase flow in microchannels: FLow patterns and pressure drop measurements", The Canadian journal of Chemical Engineering, Vol. 86, No. 6, 2008, P. 978-988. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Gas-liquid-liquid multiphase flow in microfluidic systems–A review
Serra et al. Microfluidic‐assisted synthesis of polymer particles
Geng et al. Multiphase microfluidics: fundamentals, fabrication, and functions
Mastiani et al. Flow regime mapping of aqueous two-phase system droplets in flow-focusing geometries
Nisisako et al. A microfluidic cross-flowing emulsion generator for producing biphasic droplets and anisotropically shaped polymer particles
JP5624310B2 (ja) 流体分散のための方法および装置
Umbanhowar et al. Monodisperse emulsion generation via drop break off in a coflowing stream
Sartipzadeh et al. Controllable size and form of droplets in microfluidic-assisted devices: Effects of channel geometry and fluid velocity on droplet size
CN110237787B (zh) 一种蜂窝状碳纳米管多孔微球及其制备方法和用途
Tirandazi et al. Liquid-in-gas droplet microfluidics; experimental characterization of droplet morphology, generation frequency, and monodispersity in a flow-focusing microfluidic device
Lan et al. A one-step microfluidic approach for controllable preparation of nanoparticle-coated patchy microparticles
Van Nguyen et al. A 3D printed screw-and-nut based droplet generator with facile and precise droplet size controllability
Xu et al. A region-selective modified capillary microfluidic device for fabricating water–oil Janus droplets and hydrophilic–hydrophobic anisotropic microparticles
Josephides et al. Increased drop formation frequency via reduction of surfactant interactions in flow-focusing microfluidic devices
Boskovic et al. Synthesis of polymer particles and capsules employing microfluidic techniques
Gomez et al. Fab on a package: LTCC microfluidic devices applied to chemical process miniaturization
Wang et al. Droplet generation in micro-sieve dispersion device
Yuan et al. Precision emulsification for droplet and capsule production
RU2813892C1 (ru) Способ управления дисперсными потоками несмешивающихся жидкостей в микроканальном устройстве для создания капель микронного и субмикронного размера
Raji et al. Effects of the microchannel shape upon droplet formations during synthesis of nanoparticles
EP2957338A1 (en) Mixing of fluids
Xuan et al. Development of a microfluidic flow-focusing droplet generating device utilising rapid prototyping technique
JP2005238118A (ja) 微小流路構造体を用いた固化粒子の製造方法及び装置
Zhang et al. High-throughput generation of uniform droplets from parallel microchannel droplet generators and the preparation of polystyrene microsphere material
Maan et al. Preparation of monodispersed oil-in-water emulsions through semi-metal microfluidic EDGE systems