CN108624971B - 微流控装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微流控装置及其制备方法，属于机械技术领域。所述装置包括：出液部、固化部和控制组件，出液部设置有出液孔，出液部由弹性材料制成，控制组件用于控制出液孔的大小；固化部设置在出液部的一侧，固化部用于对出液部流出的液体进行固化处理，以形成纺锤状结构的纤维。本发明解决了相关技术中形成的纺锤状结构的纤维的大小不均匀，灵活性较差的问题，通过控制出液孔的大小来形成大小均匀的纺锤状结构的纤维，提高了形成纺锤状结构的纤维的灵活性。本发明用于形成纺锤状结构的纤维。
Description
技术领域
本发明涉及机械技术领域领域，特别涉及一种微流控装置及其制备方法。
背景技术
人们在研究蜘蛛丝收集露水的过程中，发现蜘蛛丝为纺锤状结构，纺锤状结构的蜘蛛丝能够对液滴进行连续收集并汇聚，快速形成较大的液滴，起到收集露水的作用。随着研究的深入，人们还发现很多纺锤状结构的物体也可以实现某种功能，比如，纺锤状结构的纤维可以用于收集雾气。
相关技术中，通常采用微流控装置形成纺锤状结构的纤维，在使用该微流控装置形成纺锤状结构的纤维时，先在固体纤维层上涂覆一层粘性液膜，然后借助Plateau-Rayleigh不稳定效应形成纺锤状结构的纤维，其中，Plateau-Rayleigh不稳定效应为液滴在界面张力作用下破碎成小液滴的效应。
由于是借助Plateau-Rayleigh不稳定效应形成纺锤状结构的纤维，这样形成的纺锤状结构的纤维的大小不均匀，灵活性较差。
发明内容
本发明实施例提供了一种微流控装置及其制备方法，可以解决相关技术中形成的纺锤状结构的纤维的大小不均匀，灵活性较差的问题。所述技术方案如下：
第一方面，提供了一种微流控装置，所述装置包括：出液部、固化部和控制组件，
所述出液部设置有出液孔，所述出液部由弹性材料制成，所述控制组件用于控制所述出液孔的大小；
所述固化部设置在所述出液部的一侧，所述固化部用于对所述出液部流出的液体进行固化处理，以形成纺锤状结构的纤维。
可选的，所述控制组件包括：压电薄膜，
所述压电薄膜设置在所述出液部靠近所述固化部的一侧，所述压电薄膜在外加电压的作用下能够沿着所述出液部的高度方向振动，以控制所述出液孔的大小。
可选的，所述装置还包括：流体通道，
所述流体通道用于容纳所述液体，所述流体通道的一端设置在所述出液部远离所述固化部的一侧。
可选的，所述流体通道呈圆筒状，所述流体通道包括：
柔性基板；
所述柔性基板上设置有第一疏液层。
可选的，所述流体通道还包括：
设置在所述第一疏液层上的导流轨道，所述导流轨道由亲液材料制成，所述流体通道的轴向与所述导流轨道的长度方向平行。
可选的，所述出液部包括：
多个弹性基板；
每个所述弹性基板上设置有第二疏液层，设置有所述第二疏液层的弹性基板贴合在所述流体通道的一端，所述多个弹性基板之间形成有间隙，以形成所述出液孔，每个所述弹性基板设置有所述第二疏液层的一侧靠近所述流体通道。
可选的，每个所述弹性基板未形成有所述第二疏液层的一侧设置有亲液层。
第二方面，提供了一种微流控装置的制备方法，所述方法包括：
形成出液部，所述出液部设置有出液孔，所述出液部由弹性材料制成，所述出液孔的大小由控制组件控制；
在所述出液部的一侧设置固化部，所述固化部用于对所述出液部流出的液体进行固化处理，以形成纺锤状结构的纤维。
可选的，所述控制组件包括：压电薄膜，
所述形成出液部，包括：
将所述压电薄膜固定在所述出液部靠近所述固化部的一侧，所述压电薄膜在外加电压的作用下能够沿着所述出液部的高度方向振动，以控制所述出液孔的大小。
可选的，所述方法还包括：
形成流体通道，所述流体通道用于容纳所述液体；
将所述流体通道的一端设置在所述出液部远离所述固化部的一侧。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例提供了一种微流控装置及其制备方法，该装置中的固化部对从出液部流出的液体进行固化处理，以形成纺锤状结构的纤维，由于出液部由弹性材料制成，控制组件用于控制出液孔的大小，所以可以形成大小均匀的纺锤状结构的纤维，提高了形成纺锤状结构的纤维的灵活性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种微流控装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种微流控装置的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的流体通道的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的出液部的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的两个弹性基板组成的出液孔的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的液体通过由两个弹性基板组成的出液孔的示意图；
图7是本发明实施例提供的控制组件的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的一种微流控装置的制备方法的流程图；
图9是本发明实施例提供的另一种微流控装置的制备方法的流程图；
图10是本发明实施例提供的一种形成出液部的流程图；
图11是本发明实施例提供的在一个弹性基板上形成第二疏液层的结构示意图；
图12是本发明实施例提供的以形成亲液层的结构示意图；
图13是本发明实施例提供的一种形成流体通道的流程图；
图14是本发明实施例提供的一种在柔性基板上形成第一疏液层的结构示意图；
图15是本发明实施例提供的一种形成流体通道的流程图；
图16是本发明实施例提供的在第一疏液层上形成导流轨道的结构示意图；
图17是本发明实施例提供的在第一疏液层上形成导流轨道的俯视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种微流控装置100，如图1所示，该装置100包括：出液部110、固化部120和控制组件(图1未画出)，
出液部110设置有出液孔，出液部由弹性材料制成，控制组件用于控制出液孔的大小。
固化部120设置在出液部110的一侧，该固化部用于对从出液部流出的液体进行固化处理，以形成纺锤状结构的纤维。其中，该液体可以包括聚合物单体。
综上所述，本发明实施例提供的微流控装置，该装置中的固化部对从出液部流出的液体进行固化处理，以形成纺锤状结构的纤维，由于出液部由弹性材料制成，控制组件用于控制出液孔的大小，所以可以形成大小均匀的纺锤状结构的纤维，提高了形成纺锤状结构的纤维的灵活性。
本发明实施例提供了一种微流控装置100，如图2所示，该装置100包括：出液部110、固化部120、控制组件(图2未画出)和流体通道130。
出液部110设置有出液孔，出液部由弹性材料制成，控制组件用于控制出液孔的大小。
固化部120设置在出液部110的一侧，该固化部用于对从出液部流出的液体进行固化处理，以形成纺锤状结构的纤维。
流体通道130用于容纳液体，如图2所示，流体通道130的一端设置在出液部110远离固化部120的一侧。
可选的，流体通道呈圆筒状。图3示出了流体通道的结构示意图，流体通道130包括：
柔性基板131，柔性基板131上设置有第一疏液层132，由于柔性基板上设置有第一疏液层，因而在液体流过流体通道的过程中，降低了液体的粘滞系数，便于液体下落。
在本发明实施例中，可以采用以下方式形成第一疏液层：将聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、SU-8或聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)等聚合物溶液涂覆到仿生模板上，并将聚合物溶液固化，从而得到固态薄膜，最后将仿生模板去除，得到与仿生模板形貌一致的第一疏液层。示例的，仿生模板可以为荷叶、蝴蝶翅膀等。
可选的，参见图3，流体通道130还包括：设置在第一疏液层132上的导流轨道001，该导流轨道由亲液材料制成，如图3所示，流体通道130的轴向(如图3中u所指示的方向)与导流轨道001的长度方向(如图3中v所指示的方向)平行，由于该导流轨道由亲液材料制成，在液体流入流体通道时，可以引导液体快速进入出液部。
在本发明实施例中，可以采用3D打印的方式在第一疏液层上形成导流轨道，可选的，可以使用打印机的喷头将甲基丙烯酸(Methacrylic acid，MAA)与丙烯腈(Acrylonitrile，AN)共聚物、聚氨酯或聚甲基丙烯酸的溶液涂覆在第一疏液层上，之后采用加热的方式将溶液固化以形成导流轨道。
出液部110设置有出液孔，出液部由弹性材料制成，参见图4，出液部110包括：多个弹性基板111，每个弹性基板111上设置有第二疏液层，设置有第二疏液层的弹性基板贴合在流体通道130的一端，多个弹性基板111之间形成有间隙002，以形成出液孔，每个弹性基板111设置有第二疏液层的一侧靠近流体通道。每个弹性基板上设置有第二疏液层，这样一来，在液体通过出液孔的过程中，可以降低液体的粘滞系数，便于液体快速通过出液孔。
可选的，每个弹性基板未形成有第二疏液层的一侧设置有亲液层，通过亲液层可以提高液体从出液孔流出的速度。
在本发明实施例中，可以采用仿生复制法形成第二疏液层，并采用氧等离子体处理的方式在弹性基板未形成有第二疏液层的一侧进行亲液化处理，以形成亲液层。
此外，当弹性基板由具有疏液性的材料制成时，弹性基板上还可以不设置第二疏液层。比如当弹性基板由聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)高分子膜制成时，由于PVDF高分子膜本身具有疏液性，因而无需对其设置第二疏液层，仅需采用氧等离子体处理的方式在弹性基板未形成有第二疏液层的一侧进行亲液化处理，以形成亲液层。
根据液体的亲疏液特性，可以通过弹性基板上的第二疏液层和亲液层提高液体从出液孔流出的速度。示例的，图5示出了两个弹性基板111组成的出液孔的示意图。出液部中的两个弹性基板的一侧设置有第二疏液层112，未形成有第二疏液层112的一侧设置有亲液层113。图6示出了液体通过由两个弹性基板111组成的出液孔的示意图。如图6所示，液体在从第二疏液层112上通过出液孔时倾向于从出液孔渗透进入亲液层113一侧，提高了液体从出液孔流出的速度。
控制组件用于控制出液孔的大小，在本发明实施例中，在一种可实现方式中，出液部的弹性基板可以由具备压电效应的材料制成。比如，出液部的弹性基板由PVDF制成，由于PVDF本身具备压电效应，因而弹性基板可以在外加电压的作用下沿着出液部的高度方向(如图2中y所指示的方向及其反方向)振动，以控制出液孔的大小。
在另一种可实现方式中，参见图7，控制组件还可以包括：压电薄膜003，该压电薄膜设置在出液部110靠近固化部120的一侧，即可以在出液部的弹性基板靠近固化部120的一侧设置压电薄膜003。压电薄膜在外加电压的作用下能够沿着出液部的高度方向振动，以控制出液孔的大小。
在本发明实施例中，通过控制组件控制出液孔的大小，以形成大小均匀的纺锤状结构的纤维，此外，还可以通过控制组件动态调节出液孔的大小，以形成不同大小的纺锤状结构的纤维，从而提高了形成纺锤状结构的纤维的灵活性。
参见图2，固化部120设置在出液部110的一侧，该固化部用于对从出液部流出的液体进行固化处理，以形成纺锤状结构的纤维。该固化部120包括有光源发生器，聚光部件等。其中，光源发生器用于发光，该光可以为可见光(如白光激光)或紫外光，聚光部件用于将光源发生器发出的光线聚焦在与流体通道130平行的轴心部位，进而快速将从出液部流出的液体固化。
示例的，固化部可以采用强激光照射从出液部流出的液体，或者可以采用紫外线光照射从出液部流出的液体，以固化流出的液体，进而形成纺锤结状结构的纤维。
综上所述，本发明实施例提供的微流控装置，该装置中的固化部对从出液部流出的液体进行固化处理，以形成纺锤状结构的纤维，由于出液部由弹性材料制成，控制组件用于控制出液孔的大小，所以可以形成大小均匀的纺锤状结构的纤维，提高了形成纺锤状结构的纤维的灵活性。
本发明实施例提供了一种微流控装置的制备方法，如图8所示，该方法包括：
步骤201、形成出液部，该出液部设置有出液孔，出液部由弹性材料制成，出液孔的大小由控制组件控制。
步骤202、在出液部的一侧设置固化部，该固化部用于对从出液部流出的液体进行固化处理，以形成纺锤状结构的纤维。
综上所述，本发明实施例提供的一种微流控装置的制备方法，在形成出液部后，在出液部的一侧设置固化部，该固化部用于对从出液部流出的液体进行固化处理，以形成纺锤状结构的纤维，其中，该出液部设置有出液孔，出液部由弹性材料制成，出液孔的大小由控制组件控制。由于出液部由弹性材料制成，控制组件用于控制出液孔的大小，所以通过该制备方法制备的微流控装置可以形成大小均匀的纺锤状结构的纤维大小均匀，提高了形成纺锤状结构的纤维的灵活性。
本发明实施例提供了另一种微流控装置的制备方法，如图9所示，该方法包括：
步骤301、形成出液部。
该出液部设置有出液孔，出液部由弹性材料制成，出液孔的大小由控制组件控制。
如图10所示，步骤301可以包括：
步骤3011、在多个弹性基板中每个弹性基板上形成第二疏液层。
示例的，参见图11，在一个弹性基板111上形成第二疏液层112。由于每个弹性基板上设置有第二疏液层，这样一来，在液体通过出液孔的过程中，可以降低液体的粘滞系数，便于液体快速通过出液孔。
示例的，当弹性基板由PDMS制成时，可以采用仿生复制法在弹性基板上形成第二疏液层。
在另一种可实现方式中，当弹性基板由具有疏液性的材料制成时，弹性基板上还可以不设置第二疏液层。比如当弹性基板由PVDF高分子膜制成时，由于PVDF高分子膜本身具有疏液性，因而无需在弹性基板上形成第二疏液层。
步骤3012、对每个弹性基板未形成有第二疏液层的一侧进行亲液化处理，以形成亲液层。
如图12所示，对弹性基板111未形成有第二疏液层112的一侧进行亲液化处理，以形成亲液层113，通过亲液层可以提高液体从出液孔流出的速度。
在本发明实施例中，可以采用氧等离子体处理的方式在弹性基板未形成有第二疏液层的一侧进行亲液化处理，以形成亲液层。
步骤3013、将形成有第二疏液层的多个弹性基板贴合在流体通道的一端，多个弹性基板之间形成有间隙，以形成出液孔。
参见图4，将形成有第二疏液层的多个弹性基板111贴合在流体通道130的一端，多个弹性基板之间形成有间隙002，以形成出液孔，每个弹性基板形成有第二疏液层的一侧靠近流体通道。
根据液体的亲疏液特性，可以通过弹性基板上的第二疏液层和亲液层提高液体从出液孔流出的速度。示例的，图5示出了液体通过由两个弹性基板111组成的出液孔的示意图。出液部中的两个弹性基板的一侧设置有第二疏液层112，未形成有第二疏液层112的一侧设置有亲液层113。图6示出了液体通过由两个弹性基板111组成的出液孔的示意图。如图6所示，液体从第二疏液层112上通过出液孔时液体倾向于从缝隙出液孔渗透进入亲液层113一侧，提高了液体从出液孔流出的速度。
控制组件用于控制出液孔的大小，在本发明实施例中，在一种可实现方式中，出液部的弹性基板可以由具备压电效应的材料制成。比如，出液部的弹性基板由PVDF制成，由于PVDF本身具备压电效应，因而弹性基板在外加电压的作用下能够沿着出液部的高度方向(如图2中y所指示的方向及其反方向)振动，以控制出液孔的大小。
在另一种可实现方式中，参见图7，控制组件包括：压电薄膜003，将压电薄膜固定在出液部110靠近固化部120的一侧，即可以在出液部的弹性基板靠近固化部120的一侧设置压电薄膜003。压电薄膜在外加电压的作用下能够沿着出液部的高度方向(如图2中y所指示的方向及其反方向)振动，以控制出液孔的大小。
步骤302、在出液部的一侧设置固化部。
如图2所示，在出液部110的一侧设置固化部120，该固化部用于对从出液部流出的液体进行固化处理，以形成纺锤状结构的纤维。
示例的，固化部可以采用强激光照射从出液部流出的液体，或者可以采用紫外线光照射从出液部流出的液体，以固化流出的液体，进而形成纺锤状结构的纤维。
步骤303、形成流体通道。
该流体通道用于容纳由纤维制成的液体。
如图13所示，步骤303可以包括：
步骤3031、在柔性基板上形成第一疏液层。
如图14所示，在柔性基板131上形成第一疏液层132。
在本发明实施例中，可以采用仿生复制法在柔性基板上形成第一疏液层，由于柔性基板上设置有第一疏液层，因而在液体流过流体通道的过程中，降低了液体的粘滞系数，便于液体下落。
步骤3032、卷曲形成有第一疏液层的柔性基板，以使形成有第一疏液层的柔性基板呈圆筒状。
如图15所示，步骤3032可以包括：
步骤3032a、在第一疏液层上形成导流轨道。
如图16所示，在第一疏液层132上形成导流轨道001，该导流轨道由亲液材料制成，该导流轨道的高度h可以大于或等于0.1um，且小于或等于3um。图17示出了在第一疏液层132上形成导流轨道001的俯视图。
由于该导流轨道由亲液材料制成，在液体流入流体通道时，可以引导液体快速进入出液部。
步骤3032b、卷曲形成有导流轨道的柔性基板，流体通道的轴向与导流轨道的长度方向平行。
如图3所示，卷曲形成有导流轨道001的柔性基板131，流体通道130的轴向(如图3中u所指示的方向)与导流轨道001的长度方向(如图3中v所指示的方向)平行。
在本发明实施例中，可以采用粘合剂固定柔性基板的边界，以形成圆筒状的流体通道，示例的，粘合剂可以为环氧树脂类粘合剂。
步骤304、将流体通道的一端设置在出液部远离固化部的一侧。
如图2所示，将流体通道130的一端设置在出液部110远离固化部120的一侧。
步骤305、在流体通道的另一端形成进液部。
如图2所示，在流体通道130的另一端形成进液部140，该进液部呈漏斗状。
在流体通道的另一端形成进液部，便于液体的流入流体通道。
需要说明的是，本发明实施例提供的微流控装置的制备方法步骤的先后顺序可以进行适当调整，步骤也可以根据情况进行相应增减，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化的方法，都应涵盖在本公开的保护范围之内，因此不再赘述。
综上所述，本发明实施例提供的一种微流控装置的制备方法，在形成出液部后，在出液部的一侧设置固化部，该固化部用于对从出液部流出的液体进行固化处理，以形成纺锤状结构的纤维，其中，该出液部设置有出液孔，出液部由弹性材料制成，出液孔的大小由控制组件控制。由于出液部由弹性材料制成，控制组件用于控制出液孔的大小，所以通过该制备方法制备的微流控装置可以形成大小均匀的纺锤状结构的纤维大小均匀，提高了形成纺锤状结构的纤维的灵活性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种微流控装置，其特征在于，所述装置包括：出液部、固化部和控制组件，
所述出液部设置有出液孔，所述出液部由弹性材料制成，所述控制组件用于控制所述出液孔的大小；
所述固化部设置在所述出液部的一侧，所述固化部用于对所述出液部流出的液体进行固化处理，以形成纺锤状结构的纤维；
所述装置还包括：流体通道，所述流体通道呈圆筒状，所述流体通道包括：
柔性基板；所述柔性基板上设置有第一疏液层；
所述流体通道用于容纳所述液体，所述流体通道的一端设置在所述出液部远离所述固化部的一侧；
所述流体通道还包括：
设置在所述第一疏液层上的导流轨道，所述导流轨道由亲液材料制成，所述流体通道的轴向与所述导流轨道的长度方向平行；
所述出液部包括：
多个弹性基板；
每个所述弹性基板上设置有第二疏液层，设置有所述第二疏液层的弹性基板贴合在所述流体通道的一端，所述多个弹性基板之间形成有间隙，以形成所述出液孔，每个所述弹性基板设置有所述第二疏液层的一侧靠近所述流体通道；
每个所述弹性基板未形成有所述第二疏液层的一侧设置有亲液层。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制组件包括：压电薄膜，
所述压电薄膜设置在所述出液部靠近所述固化部的一侧，所述压电薄膜在外加电压的作用下能够沿着所述出液部的高度方向振动，以控制所述出液孔的大小。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导流轨道通过3D打印的方式形成。
4.一种微流控装置的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
形成出液部，所述出液部设置有出液孔，所述出液部由弹性材料制成，所述出液孔的大小由控制组件控制；
在所述出液部的一侧设置固化部，所述固化部用于对所述出液部流出的液体进行固化处理，以形成纺锤状结构的纤维；
所述方法还包括：
形成流体通道，所述流体通道用于容纳所述液体；
将所述流体通道的一端设置在所述出液部远离所述固化部的一侧；
所述形成流体通道，包括：
在柔性基板上形成第一疏液层；
在所述第一疏液层上形成导流轨道；
卷曲形成有所述第一疏液层的柔性基板，以使形成有所述第一疏液层的柔性基板呈圆筒状，所述流体通道的轴向与所述导流轨道的长度方向平行；
所述出液部包括多个弹性基板，所述形成出液部，包括：
在所述多个弹性基板中每个所述弹性基板上形成第二疏液层；
对每个所述弹性基板未形成有所述第二疏液层的一侧进行亲液化处理，以形成亲液层；
将形成有所述第二疏液层的所述多个弹性基板贴合在所述流体通道的一端，所述多个弹性基板之间形成有间隙，以形成出液孔。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述控制组件包括：压电薄膜，
所述形成出液部，还包括：
将所述压电薄膜固定在所述出液部靠近所述固化部的一侧，所述压电薄膜在外加电压的作用下能够沿着所述出液部的高度方向振动，以控制所述出液孔的大小。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对每个所述弹性基板未形成有所述第二疏液层的一侧进行亲液化处理，以形成亲液层，包括：
采用氧等离子体处理的方式在每个所述弹性基板未形成有所述第二疏液层的一侧进行亲液化处理，以形成亲液层。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述流体通道的另一端形成进液部。
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