Способ управления дисперсными потоками несмешивающихся жидкостей в микроканальном устройстве для создания капель микронного и субмикронного размера Российский патент 2024 года по МПК B01F23/40 B01J14/00 

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·(Ca_bulk)^-2, где Q_{d –} расход дисперсной фазы.; Q_{c –} расход несущей фазы; Ca_bulk – 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 Ca_bulk, 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·(Ca_bulk)^-2. Оптимальные значения параметров для получения стабильного режима со срывом микрокапель это Q_d/Q_c > 1 при Ca_bulk > 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.

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⋅(Ca_bulk)^-2, где Q_d – расход дисперсной фазы; Q_c – расход несущей фазы; Ca_bulk – 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.

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

Q_d/Q_c = 0,015⋅(Ca_bulk)^-2, где Q_d – расход дисперсной фазы; Q_c – расход несущей фазы; Ca_bulk – число капиллярности.