论文总字数：21861字

摘 要

随着微化工技术的发展，微化工技术凭借着它安全可靠，灵活易控，高效节能等优势，越来越被应用于生物，化学及医用技术领域，除此之外，微流体芯片在纤维成型方面有巨大的应用前景。本文以简单的微流体装置，以聚丙烯酰胺和丙烯酰胺为原料制备纤维；首先对微流体技术的定义、意义、研究对象、研究状况进行了介绍；以同轴微流体芯片结合玻璃微针作为实验装置，三乙酸甘油酯和PAM,AM,PEG-20000,MBA水溶液分别作为连续相和分散相;考察了PAM,AM,PEG-20000,MAB的含量，两相流速比和分散相的物理性质对PAM纤维溶胀率以及直径的影响，并研究微通道内液液两相流流型的特征；最后展望了微流体芯片制备纺丝纤维在纳米纤维，高性能纤维，组织纤维和生物化学纤维等方面的应用前景。

关键词：微流体芯片 PAM纤维 流型 应用

Preparation of PAM fiber based on Microfluidics Technology

Abstract

With the development of micro chemical technology, micro chemical technology is more and more applied in the field of biology, chemistry and medical technology, with its advantages of safety, reliability, flexibility, easy control, high efficiency and energy saving. we use a simple microfluidic device to fabricate microfibers with polyacrylamide and acrylamide as raw materials. Firstly, the definition, significance, research object and research situation of micro fluid technology are introduced. A co-flow microfluidic device installed with a micropipette at its outlet is used with the Glycerol triacetate as the continuous phase and the Poly acrylamide, Acrylamide, Polyethylene glycol and Methylene-Bis-Acrylamide solution as the dispersed phase.

The effects of Polyacrylamide, Acrylamide, Polyethleneglycol and Methylene-Bis Acrylamide content, two-phase flow rate ratio and the physical properties of the dispersed phase on the PAM fiber diameter, pore volume, swelling ratio and diameter were investigated and the characteristics of two-phase flow pattern of liquid in micro channel are studied.; Finally, the prospects of the application of micro fluidic chip in the preparation of nanofibers, high performance fibers, fibers and bio chemical fibers were discussed.

Key Words: Microfluidic chip Poly acrylamide fiber Polyethylene glycol flow pattern application

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1研究背景 1

1.2微流体芯片技术国内外研究现状 1

1.2.1微流体技术在国内的发展 1

1.2.2微流体技术在国外的发展 1

1.3微流体芯片通道流型的研究 2

1.4微通道内液-液两相流的应用 3

1.5微流体芯片技术合成纤维 3

1.6微流体芯片中受生物启发的纤维成形技术 4

1.7微流体芯片在纤维成型中的应用 5

1.7.1微流体即时纺丝 5

1.7.2 微流体静电纺丝 6

1.8 微流体液滴技术的研究 7

1.9微流体技术制备PAM纤维的目的和意义 8

第二章 实验部分 10

2.1实验原料与仪器 10

2.2 实验过程 11

2.2.1装置的制作 11

2.2.2 流型的形成 12

2.2.3节点PAM纤维的制备过程 12

2.2.4柱状PAM纤维的制备过程 12

第三章 样品表征 13

第四章 结果与讨论 14

4.1连续相与分散相的流速比的影响 14

4.2 AM含量的影响 18

4.3交联剂（MBA）的影响 19

4.4 PEG含量的影响 21

4.5 PAM含量的影响 23

第五章 小结和展望 25

5.1结论 25

5.2展望 25

参考文献 26

致谢 30

第一章 文献综述

1.1研究背景

近年来，随着科学技术与微型化技术的发展，微化工技术凭借着它安全可靠，灵活易控，高效节能等优势，越来越被应用于生物，化学及医用技术领域^[1]，因为在这些领域当中，需要常常对流体进行微观操作，如果要将这些操作集中在微流体芯片中，实验所需的流体的量则变得少之又少，用量从毫升，微升变成纳升，这样微流体装置就显得非常重要了，随着芯片技术的发展，微流体技术也得到了广泛的关注^[2]。

微通道作微流体芯片的主要组成部分，它在内部流体的传递，流动和反应特征受到了很大的关注，特别是微通道当中的流体的流动已经成为了关注的重点^[3]，国内外许多的科研工作者对微流体技术作了研究，尤其是对微流体系统中的多相流行为进行了极其深入的研究^[4]。

1.2微流体芯片技术国内外研究现状

1.2.1微流体技术在国内的发展

微流体芯片技术在我国起步较晚，近年来我们的科学家在此领域做了大量的研究工作，并取得了显著地成果。林炳承^[5]课题组研制出了准商品化激光诱导突光芯片分析仪等相关微流体设备；大连理工大学王立鼎^[6]院士等在微光机电系统研究上有重大突破；方肇伦^[7]院士出版了以微流体芯片为内容的著作《微流体分析芯片》。

1.2.2微流体技术在国外的发展

20世纪50年代，提出了间隔式连续流动技术^[8]，该技术是将分析化学实验转移到流体管道里面进行，在这基础上，两位美国的科学家在70年代开拓性提出了流体注射分析^[9]的概念且提高了分析系统的微型化。在20世纪70年代末，美国斯坦福大学将这一理论变成了现实，制造出了世界上第一个微流体设备^[10]，并将微流体置于快速发展的道路上。微流体技术这一概念是由两位瑞士的科学家^[11]在20世纪90年代提出来的，在1993年他们在平板刻蚀微管道上利用微机电加工的技术研制出毛细管电泳分析装置，开辟了微流体芯片的先驱。至此以后，有众多的课题进入了这个研究方向，加快了微流体芯片技术的发展。

1.3微流体芯片通道流型的研究

我们研究的是液-液两相的流动，在我们研究正常尺寸的管道，液-液两相的流动的主要形式是湍流，但是对于微流体芯片中的管道，由于微尺度效应，液-液相的流动形式并不是我们常规见到的湍流，而是层流，并且两相间的流动情况的复杂性与两相间界面张力的作用,产生了多种界面现象，结果表现出来不同的流型且流动的复杂程度变大，辨析微通道内的液-液两相流型，是研究微通道流型的基础。

我们常见的流型有滴状流，平行流，环形流和平行流等^[12]，而在内流层边界层区域可以观察到弹状流，单分散滴状流，液滴群流，平行流和环状流5种流型^[13]。Jovanovic等^{[14] [15]}考察了毛细管长度，流率以及两相流量比对流型的影响以及流型对萃取性能的影响。研究表明，影响微通道内液-液两相流型的主要因素有：两相流率比，流体的物理性质（界面张力，黏度等因素），微通道壁面的润湿性能，微通道的尺寸，入口的结构（Y型，T型）等。

1. 两相流速比 在流量很小的时候容易形成液滴流和弹状流，随着流量的增大，会形成平行流，环状流等。当流型是液滴流或者是弹状流的时候，分散相流量不变，连续相的流量变大时，液滴直径或者是液柱的长度会变小；若是连续相流量不变时，随着分散相流量的增加，液柱长度也随之增加，而液滴直径增加或者不变^[16]。
2. 黏度 如果形成液滴流与弹状流时，分散相的黏度是和分散相的直径与液柱的长度成正比的关系；但是连续相的黏度却与之成反比^[17]。
3. 界面张力 液-液两相流型的形成与相间界面张力有很重要的关系，界面张力与形成液滴流和弹状流成正相关，与此相反，形成平行流和环形流与之成反相关^[18]。
4. 壁面的润湿性 壁面润湿性也是影响微通道内液-液两相的流型的重要因素^[19]，如果要形成液滴流和弹状流，通道壁对分散相的润湿性能与分散相液柱或者液滴受到壁面的黏附力成正比，润湿性越大，分散相液柱或者液滴从通道壁脱落所需要的时间便会越长，结果就是壁面的润湿能力发生改变，微通道内的两相的流型也随之发生改变。
5. 微通道的尺寸 微通道的尺寸的改变对液-液两相流型几乎没有影响，在不同结构的微通道内，每一种流型在流型谱图上所占的比例也不同^[20]。结果表明微通道尺寸与流型图上的分布的区域成正比，分布的区域越大，生成的分散相液柱体积也越大。
6. 微通道的入口结构 Y型，T型以及同心圆型是我们常见的几种微通道入口结构，我们通过观察不同微通道的流型图谱发现这三种结构的流型差别不是很大，但是他们通过对比各微通道的流型谱图，我们可以看到他们在流型图谱的分布有所不同。由于两相的复杂性，微通道本身的结构，通道壁面的不同，增加了研究液-液两相流型定量的艰难性和复杂性^[21]。

1.4微通道内液-液两相流的应用

微通道内液-液两相流体在萃取，相转移催化，有机合成，乳液制备等领域具有很大的应用前景^[22]。在微反应器中，由于尺寸的减小，与传统反应器相比较，强化了传质和传热并且减少了液-液两相快速强放热反应工业化的困难。液-液两相流中最常见并且应用最广泛的流型便是弹状流和液滴流，因为微通道内产生的液滴和液柱大小可控，流型稳定，生成频率高等被用于医疗技术，生物工程等领域。

1.5微流体芯片技术合成纤维

在同轴环管型微通道，分散相流体从中间进入主通道中，而连续相流体从两边的Y型或其他构型结构的通道与之在主通道同时进入，分散相流体被拉伸变成液滴或者液柱。所以液滴的尺寸结构与微通道的结构，两相流速，黏度以及界面张力有关，我们在上面已作阐述。

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