基于微流控技术的微型喷雾器的设计及制作文献综述

 2022-10-27 10:11:24
  1. 文献综述(或调研报告):

常用的喷雾器分为三种类型,离心式喷雾器,压力式喷雾器还有气流式喷雾器。离心式喷雾器主要应用于离心式喷雾干燥设备,通过在高速旋转的分散盘上加入料液,液体受离心作用被摔成液滴后在干燥器中干燥。与压力式的喷雾器相比它更适合于较高黏度液体的雾化,同时它是通过离心喷盘旋转来雾化液体,雾化质量很大程度上取决于转速,而转速比较容易精确控制,因而雾化质量也更容易控制。缺点是空间的限制,显然这个旋转盘不能垂直放置,再就是加工精度要求高,旋转盘要有很好的动平衡性能,因而制作成本偏高[1].

压力式喷雾器采用气液两相并流的方法,采用高压喷嘴,借助高压泵的压力利用气流喷射将液体物料雾化。其原理如下,液体在高压泵的压力下从雾化器的切向通道高速进入旋转室,使液体在旋转室内产生高速运动根据旋转动量矩守恒定理,旋转速度与旋转室的半径成反比,因而越靠近轴心处旋转速度越大,静压力越小。当旋转速度达到某一值时,雾化器中心处的压力等于大气压力,喷出的液体就形成了绕中心气流旋转的侧锥形环状液膜。随着液膜的延长,空气的剧烈扰动增加,液膜分裂成细线。加上湍流径向分速度和周围空气相对速度的影响,导致液膜破裂成丝,丝状液体断裂后受表面张力的作用,最后形成大量液滴[2]。压力式的优点是相比于气流式,节省了雾化用的动力,结构上比较简单,因而易操作,制作维护成本低。缺点是只适合于低粘度液体,同时要配一台高压泵,所以使用上有一定限制喷嘴也很容易磨损。

气流式喷雾器是利用压缩空气或者过热蒸汽的高速流动,从各自的管道喷射出气体和物料,物料在压力作用下喷射在热空气中,利用高速气流对液膜产生摩擦、分裂作用将物料雾化。它可分为二流体喷嘴和三流体喷嘴。二流体气流式喷嘴是具有一个液体通道和一个气体通道的喷嘴,气-液在喷嘴内部的混合室接触、混合,雾化后的雾滴群从喷口喷出。三流体喷嘴指具有3个流体通道的喷嘴,其中1个为液体通道,2个为气体通道,液体夹在两股气体之间,被两股气体雾化,雾化效果要比二流体喷嘴好[3]。气流式喷雾器优点就在于高粘度低粘度的液体都能够雾化,适用范围广,同时喷嘴的结构简单,磨损小。缺点就是动力消耗大,是上两种的5~8倍,所以耗能比较多。

现在还有一种就是压电式的喷头,他的设计是基于压电晶体的特性,压电晶体有两个显著特性,一是在外力作用下,由于晶体的变形导致电荷从晶体中释放而产生电压,比如说打火机的原理。另一个特性就是在给压电晶体加一个电压时,晶体会产生变形,这是与前一特性完全相反的现象,压电式喷头的设计也是基于这一特性。所谓压电式喷头就是在一个设计好的结构中,利用压电晶体在外加电压下变形这一特性,给压电晶体加一个强脉冲电压,结构中存储液体装置的体积会发生突然变化,从而让流体从固定的小孔中喷出,达到喷出液滴的目的。其优点是能量消耗小,喷射频率取决于电压频率,可以将微型机械和微电子技术结合起来,工作更为稳定,喷雾量更容易控制,节省料液。缺点是喷射距离比较短,液体粘度要低。

下图为一种压电式喷雾系统原理图。其中压电换能器与喷嘴面围成一液体腔,从而构成微喷头部分。喷嘴面上有若干作为喷嘴的微小孔.换能器则由压电片与弹性薄膜组合构成。系统只能在特定的频率范围内,即在压电换能器的谐振点上稳定工作。在某谐振频率的电信号驱动下压电换能器产生弯曲振动将电能转换成机械能.液腔大小的变化产生的压力波,迫使腔内液体被挤出喷口形成液滴。液滴尺寸由喷口的大小,驱动能量,液体粘度以及表面张力决定[4]。

在喷雾器基底的选择上,我们用PDMS材料来取代硅,由于PDMS易于加工成型,图形效果好,光学透性好且兼容荧光检测等,低毒性、加工容易,且容易和自身以及其他多种材料封接,对温度等环境的要求也不多等诸多优点,已经得到广泛应用。其具体优点如下:

(1)PDMS因为弹性好,在脱模过程中,加工出来的PDMS微通道在保持模具完整无损的情况下,能够轻松剥离出来,从而实现模具的重复利用。

(2)PDMS柔性好,易于吸附在其他材质的衬底之上,而且PDMS与相对粗糙的表面接触非常紧密,经过处理后,与基底密封效果好,键合工艺简单,浇铸法制备PDMS结构具有较高的成型质量。

(3)PDMS的电绝缘性也很好,因而被运用于各种主流毛细管电泳芯片的制作;PDMS对温度等也很不敏感且具有化学惰性,与大部分待检测液体都不会发生反应,因而具有很高的生物兼容性,满足大量不同生物实验的要求。

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