流动聚焦研究进展及其应用
构是内部和外部均为液体 . Gañán-Calvo 和 RiescoChueca[11]使用蒸馏水作为 1(黏性 1, 流量为 Q1)、硅 树脂油作为 2( 黏性 2, 流量为 Q2) 进行了多组实验 , 得到了不同的实验现象 , 如图 4 所示 . 当其他条件不 变时将内部液体的流量从较大的值逐渐减小 , 能够 观察到射流模式向滴模式的转换 , 而反过来也能够 观察到滴模式向射流模式的转换 , 只是存在滞后效 应 , 也就是后者转换的临界流量要大于前者 . 滞后效 应也与锥形的大小有关 , 也就是与毛细管的直径和 小孔的直径有关 . 另外 , 液体黏性越大 , 相应的滞后 效应越强 . 当液体黏性较高时 , 细长的脉动射流容易 填充成大的液滴 , 也有一些液滴因周围液体的阻力 作用而回缩 , 如图 4(a)所示 .
[1]
实验、理论和数值模拟研究也相继开展 . 在相关文献 中 , 国外 Gañán-Calvo 课题组的研究工作最为突出 , 国内本课题组也进行了相关的实验和理论研究 . 本 文着重回顾流动聚焦的研究进展 , 并对其应用进行 简要评述 . 由于该技术比较新颖 , 许多内在的规律和 机理有待揭示 , 本文将对流动聚焦的发展趋势做出 展望 .
[9]
毛细管改成直径不同的两个或多个毛细管套接在一 起 . 图 5(a)是两个毛细管套接的复合流动聚焦的装置 示意图 [3], 内部液体 2 由两种不相溶的液体组成 , 外 部气体 1 使内部液体 2 在毛细管口形成复合锥形 3, 复合锥形 3 顶端发出的同轴液体微射流从小孔流出 , 于是可以制备可控制的单核或多核的微胶囊 . GañánCalvo [2] 用硅树脂油围绕黑墨水得到了微尺度的复合 射流, 如图 5(b)所示. 当不断改变两种液体的流量比, 能够改变复合射流破碎后形成的微胶囊的外壳厚度 以及内部液体核的数目和大小 . Gañán-Calvo 等人 [12] 进行了多种物质的同轴流动聚焦实验 , 观测了复合
关键词
流动聚焦 毛细流动 锥形 射流 不稳定性 微粒子
微纳米量级的液滴、气泡、颗粒和胶囊等微粒子 在科技领域和工程实际中具有重要的应用价值 , 其 制备方法受到越来越多的关注 . 除了常规的物理化 学方法外 , 一些新型的方法正在兴起 , 特别是毛细流 动 (capillary flows)尤为突出 , 它能够平稳地将不同 流体射流的界面拉伸到微米量级或更小 , 射流因不 稳 定 性 破 碎 成 单 分 散 性 的 微 粒 子 . 流 动 聚 焦 (flow focusing)便是一种毛细流动现象 . 自从 Gañán-Calvo[2]在 1998 年报道流动聚焦以来, 经过 10 多年的研究 , 人们对流动聚焦已经有了一定 的认识 . 该方法可描述为 : 从毛细管流出的流体由另 一种高速流动的流体驱动 , 经小孔聚焦后在管口形 成稳定的锥形 , 在锥的顶端形成一股微射流 , 该射流 在小孔外一定距离处破碎成单分散性的微滴 . 在这 种流动中 , 射流中的黏性剪切力要比同类的制备微 液滴的机械方法 (如直接的压力驱动射流 )小得多 , 而 且无需其他的附加作用力(如经典的电雾化 (electrospray) 依赖于电场力作用 ), 因此这种技术更 有利于制备多种物质材料的微粒子 , 特别在分子生 物学、生物化学、药理学等领域更能发挥作用 . 流动聚焦技术正受到越来越多的关注 , 相关的
摘要 流动聚焦(flow focusing)是一种毛细流动现象, 1998 年被正式提出. 其原理为从毛细管流出 的流体由另一种高速运动的流体驱动, 经小孔聚焦后形成稳定的锥形, 在锥的顶端产生一股微射 流穿过小孔, 射流因不稳定性破碎成单分散性的微滴. 该技术稳定、易操作、没有苛刻的环境条 件, 可以制备微米量级甚至数百纳米量级的液滴、气泡、颗粒和胶囊等微粒子, 在科技领域和工 程实际中都有重要的应用价值. 本文回顾了流动聚焦技术的研究进展, 包括实验、理论和数值模 拟, 并对其应用进行了简要评述, 最后对流动聚焦的发展趋势做出展望.
1.3
液 -液流动聚焦
液 - 液流动聚焦的装置与图 1(a) 相同 , 其流动结
[2]
Ql1/ 2 .
(1)
轴对称扰动的增长率将超过轴对称的毛细扰动 , 此 时形成的射流缠绕着向下游运动 , 称为 “ 湍动流动聚 焦 ”(turbulent flow focusing, TFF). 在 TFF 开始的 “转 换 ” 区域 (20<We<50), 能够观察到非轴对称的缠绕射 流 , 随着 We 增加 , 液体射流偏离中心轴的距离增大 , 射流与气流的相互作用加强 , 使射流拉伸成细长的 丝并破碎成液滴 . 当 We>>50 时射流的破碎变得更加
(1)式表明小孔出口处的射流直径 dj 只与气体压力差 pg、液体流量 Ql 以及液体的密度 l 有关 , 而与结构 参数(包括毛细管内径 Di 和外径 Do、小孔直径 Dh、毛 细管口离小孔的距离 H、 小孔所在底面的厚度 D 等 )、 液体和气体的黏性以及液 - 气之间的表面张力系数无
538
1.1
液 -气流动聚焦
液 - 气流动聚焦是最早提出的流动聚焦 [2] , 其装
置如图 1(a)所示 . 装置形状如同一个压力容器 , 压力 源于外部气体 1, 内部液体 2 从伸入到容器内的毛细 管流出 , 管口正对容器内壁上的一个小孔 , 于是外部
英文引用格式 : Si T, Yin X Z. Progress and application of flow focusing (in Chinese). Chinese Sci Bull (Chinese Ver), 2011, 56: 537–546, doi: 10.1360/972010-1639
2pg
.
(2)
(2) 式比 (1) 式多出了一项表面张力的影响 , 该结果与 Gañán-Calvo[2]的实验数据比较吻合 . Herrada 等人 [6] 分析了 (1)式中被忽略的因素 (表面张力、液体黏性和 小孔直径 ) 的影响 , 并给出了相应的二阶修正 , 结果 表明一阶的直径表达式 (1) 以及修正后的结果都能够 很好地与实验数据吻合 . Gañán-Calvo 和 Barrero[4]进一步研究了流动聚焦 实验 , 发现气体的动量和液体的动量之比非常接近 于 1, 也就是 gUg2/2≈lUl2/2, 其中 Ul 为液体的速度 . 在一定的气体压力差 pg 和液体流量 Ql 下 , 能够形成 稳定的锥 - 射流模式 , 如图 1(b) 所示 . 由于射流的直 径远小于小孔的直径 , 因此射流不会与小孔的壁面 接触 . Rosell-Llompart 和 Gañán-Calvo[5]根据气体和液 体的相互作用将流动聚焦分为两类 : 当 1<We<20 时 (该文献中定义 We=gUg2dj/2, 注意此处 We 是文献[4] 中定义的 1/2), 液体射流主要是轴对称的毛细扰动引 起的破碎 (为 Rayleigh 不稳定性 ), 称为 “毛细流动聚 焦 ”(capillary flow focusing, CFF); 当 We 超过 20, 非
评 述
湍动 . Si 等人 [7]得到了流动聚焦中的 6 种流动模式及 其工作区域 , 如图 2 所示 . 6 种模式是 : 锥振动模式 I、 锥粘连模式 II、螺旋射流模式 III、共存射流模式 IV、 轴对称射流模式 V 和滴模式 VI, 其中锥振动模式和 锥粘连模式主要与锥形的不稳定性有关 , 其他 4 种模 式与射流的不稳定性有关 . 射流不稳定性中 , 滴模式 与绝对不稳定性有关 , 轴对称射流模式和螺旋射流 模式分别是由轴对称扰动和非轴对称扰动引起的, 而共存射流模式是轴对称和非轴对称扰动共同作用 的结果 . Vega 等人 也详细地分析了流动聚焦的流动 模式 , 从不稳定性角度将模式分为稳定射流模式、局 部不稳定模式和全局不稳定模式 .
1
流动聚焦的实验研究
流动聚焦已经发展成为制备微粒子的最先进方
法之一 . 近年来利用流动聚焦原理衍生了多种技术 , 包括流动聚焦装置用于不同的流体组合 ( 如内 - 外流 体组合分别为液 -气、气 -液、液 -液等 )、复合毛细管 结构的流动聚焦、流动聚焦与微流体力学、电流体力 学相结合等 . 下面逐一回顾和介绍 .
1.2
气 -液流动聚焦
气 - 液流动聚焦的装置与图 1(a) 相同 , 其流动结
1.4
复合流动聚焦
复合流动聚焦 (co-flow focusing)是将图 1(a)中的
构是内部为气体 , 外部为液体 . 在一定的液体流量 Ql 和气体流量 Qg 下 , 在毛细管口能够形成一个稳定的 锥形气泡 , 在气泡顶端发出的微气流很快破碎成均 匀的小气泡并在外部液体的作用下向下游运动 , 如 图 3 所示 . 气 -液流动聚焦制备的小气泡直径在数十 微米量级 , 大小非常均匀 . Gañán-Calvo 和 Gordillo 分析了小孔处气流的直径 dj 以及形成的小气泡的直径 db, 并得到了与实验一致的解析表达式. Gañán-Calvo[10] 给出了 db 的更加简化的经验公式为 db/Dh=1.1(Qg/Ql)0.4.
2011 年 3 月
第 56 卷
第8期
图1
液-气流动聚焦
(a) 装置示意图[3]: 1, 气体; 2, 液体; 3, 锥形; (b) 典型的锥-射流结构[4]
气体 1 使内部液体 2 在毛细管口形成锥形 3, 锥形 3 顶端发出液体微射流从小孔流出 . 典型的锥 - 射流结 构如图 1(b)所示 , 射流在周围气流的作用下能够破碎 成分散性的直径数微米到数百微米的液滴 , 一定条 件下制备速度可以达到每秒几百万个 . Gañán-Calvo[2] 最早描述了流动聚焦的实验现象 . 在流动聚焦中 , 一个毛细管正对一个平板上的小孔 , 液体从毛细管口流出 , 受到经小孔流动的气体作用 向小孔拉伸 . 当施加的气体压力差 pg 克服液 - 气界 面的表面张力 , 便在小孔入口附近形成锥形 . 一旦从 毛细管提供的液体流量 Ql 能够使锥形稳定 , 一个直 径为 dj 的稳定的细液体射流便可从锥形的顶端平稳 地产生 , 射流的长度取决于实验参数的取值 , 如液体 流量 Ql 越大射流越长 , 不同的气体压力差 pg 下射流 的长度也不同 . 射流破碎形成液滴的生产率与 pg 密 切相关 , pg 越大 , 液体射流的速度越快 , 液滴的生产 率越高 . 液滴的粒径分布取决于韦伯数 (We) 的大小 , 定义为 We=gUg2dj/≈2pgdj/, 其中 g 和 Ug 为气体 的密度和速度 , 为表面张力系数 . 当 We 较小时粒径 呈 单 分 散 性 , 而 当 We 较 大 时 为 多 分 散 性 . 此 外 , Gañán-Calvo 推导了小孔出口处的射流直径 dj 的表达 式 :
微流控通道的种类及应用研究
微流控通道的种类及应用研究作者：王曼来源：《科学与财富》2014年第06期摘要：本文主要介绍了微流控通道是三种主要要的形式及变形，另外主要讨论了不同微流通道在粒子制备方面的应用。
关键词：微流控通道种类，粒子制备微流控是在封闭微通道网络中生成和操纵液体的一种技术。
简单的说，就是在微通道中通入两种互不相溶的液体（比如水和油），分别为分散相和连续相，分散相以微小体积单元（10-9～10-12L）的液滴形式分散于连续相之中。
要形成微液滴是靠微流控的乳化作用来实现的，而乳化作用重要的一个条件是需要表面活性剂，再靠两相液滴接触时的剪切力将分散相分散于连续相之中。
根据分散相和连续相的不同，液滴可以分为W/O型液滴和O/W型液滴。
其中W/O型液滴以水为分散相，油为连续相；O/W型液滴刚好相反。
利用微流通道制备物质的过程中，通过调节微通道的直径、流体的速度、不同表面张力的流体、表面活性剂的种类及流体相遇的形式来调节合成的液滴的种类和大小。
微流控作为制备液滴和粒子的一种方便简单且产量大的方法，引起了大家广泛的关注。
1 微流控通道种类从有人利用微流通道合成物质到现在，已经有很多不同种类的通道被设计出来用以制备各自不同形状和功能的粒子。
但总的来说，按照形成分散相的形式来分，微流控主要有三种形式，第一，共轴流法（co-flow）；第二，T型通道（正交结构）方式（T-junction）；第三，流动聚焦方式（flow focusing）。
Co-flow形式微流通道的示意图如图中1（a）所示，其最基本的形式主要是将圆形毛细管的一端用拉针仪拉成锥形，同时将有尖锥形的圆形毛细管套在另一根方形毛细管的里面，方形毛细管的内径与圆形毛细管的外径相等。
向方形毛细管的一端通入连续相，另一段通入分散相，并在某一相中加入表面活性剂，在尖端剪切力的作用下形成液滴。
这种类型的通道是最基本最简单的通道。
很多学者在此基本通道基础上根据自己的需要自主设计，形成了各种各样的形式，应用于制备不同形式的产物，如Kim等在毛细管里面加入了两根尖端相对的细毛细管，分别在外部毛细管和里面毛细管中通入不同的加有表面活性剂的溶液，在剪切力的作用下形成两层甚至多层的液滴。
微化工系统漪多相流动及其传递反应性能研究进展探析
７ ６・
科技 论坛
姜 宝 林
（ 黑龙江昊华化工有限公 司， 黑龙江 齐齐哈 尔 １ ６ １ ０ ３ ３ ） 摘 要： 随着经济的迅速发展 以及科 学技术水平的不断提 高， 我 国的化 工行 业取得 了较 大程度上的发展 ， 为我 国国民经 济的发展 以 ￣ Ｌ＿ ｒ － ３ ， ｋ 水平的提高做 出重要贡献。目前状况下 ， 在化工行业 当中， 微化 工 系统 已经成为化 学工程学科的主要研 究热点之一 ， 而微化工 系统 具有较 大的优越性 ， 主要 表现在 良好的传递以及反应特性 ， 正是 由于这一优越性 ， 使得 它在 多相反应 以及 分 离过程 中都 受到 了较 为广泛 的关注。目前关于微化 工系统的研 究主要集 中在新型微 分散技术 、 微介观尺度混合 、 多相传递性 能以及反应过程调控等方面，近年 来取得 了显著的进展 。主要针 对微化 工系统 内多相 流动及其传递反应性 能研 究进展 进行研 究与分析。
关键 词 ： 微 化 工 系统 ； 微分散； 传递性能； 反 应 调控
１微化工系统 内多相流动和分散规律 设备 内可 以获得微分 散的多相 流体 系， 借助微分散 体系 良好的传 根据传递 的基本原理 ，我们可 以知道对 于多相混合 和反应过 热 、 传质性能，就可以对反应器 内的混合 过程进行强化 。利用微分 程， 尤其是 以液相为 连续 相的过程来说 ， 体系的分散尺度在 其中具 散体系能够快速传热 的特点， 能够使反应 热得 到有效控制 。此外， 有十分重要的地位 与作用 。通过对微结构进行 有效 的利用 ， 微化工 由于微反应器设备体积小，因而能够减少物料的滞存 ， 提高反应 器 系统可 以对流体的分散尺度进行一定程度上的降级 ， 具体是将其从 的安全性，减少设备 的固定投资。借助微化工 系统 内良好的传递性 毫 米量级 降低到微米量级 ， 这样一来 ， 能够对多相混合 和反应过程 能， 还可 以有效地 提高带有 串联 或并联副反 应的快速 反应体 系的 的强化起到有效的促进作用 。 目前状况下 ， 国内外 的诸多学者都 已 选择性。对于带有 串联副反应的体系， 控制反应完成 的时间是关键 经对微化工系统 内流动规律进行 了研究 ， 而研究 的内容大 多集 中于 性 问题 ， 利 用微反应器强化 主反应 的表 观动力学，缩短 反应 时 间， 对微设备 中分散规律的探讨 ， 并对新高效 的分散方法进行发展 。而 就可以有效地减少副产物的生成 。对 于带有并联副反应的体 系，强 从研究体系 的角度而言 ， 关于液 ，液和气 ，液两相流体 系的研究较 化反应物的混合，快速消耗反应物 ， 减少反应物与反应产物进一步 为充分 。 发生反应的概率是获得高反应选择性 的关键 。 微反应器 良 好 的混合 从微结构 的设计角度来 看 ， 目 前状况下主要存在着如下集 中微 和传热性恰恰适应 了这一点 。 化工系统设备得到较为广泛的应用 ， 主要有 ： Ｔ 型错流剪切设备 、 水 结 束 语 力学聚焦设备 、 同轴环管设备 以及分枝破碎设备 。而对于众多的微 本文 主要 针对微化 工系统 内多相流 动及 其传递 反应性 能研究 化工系统来说 ， 尽管它们外形多样 ， 但如果从分散方法 的角度来看 ， 进展进行研究与分析 。主要从微化工系统 内多相流动和分散 规律 、 基本可 以讲其归纳为上述的四种微化工系统。 Ｔ 型错 流剪切是一种 微 化工系统 内的多相传递规律 以及微化 工系统 内多相 反应强化 和 十分重要的流体分散方法， 连续相流体通过剪切垂直进入设 备的分 过程调控三个角度进行 阐述与分析。 希望我们 的研究能够给读者提 散相流体， 从而对 分散相 的破碎进行有效 的实现 。一般情况下 ， 这种 供参考并带来帮助。 方法在分散结构后续的主通道内得到液柱 （ 气柱） 流和液滴 （ 气泡） 参考文献 流两种分散 流型 。水力学聚焦是一种将两 相流体快速通过狭 缝结 【 １ 】 陈桂光， 骆广生， 杨雪瑞， 等． 微 混合 沉淀技 术制备纳米 Ｔ ｉ Ｏ 颗粒【 Ｊ ］ ． 构，通过流体 急剧 的速度变化产生界面不 稳定性 ， 实现流体分散 的 无机材料 学报 ， ２ ０ ０ ４ （ ５ ） ． 方法 。这是一种较为容易获得小尺寸的液滴和气泡 的分散方法，一 ［ ２ ］ ｊ ．Ｈ ．Ｘ ｕ ， Ｓ ．Ｗ．Ｌ ｉ ， Ｃ ．Ｔ ｏ ｓ ｔ ａ ｄ ｏ ， Ｗ．Ｊ ．Ｌ ａ ｎ ， Ｇ ．Ｓ ．Ｌ ｕ ｏ ．Ｐ ｒ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｍｏ ｎ ｏ ｄ ｉ ｓ ｐ ｅ ｒ ｓ ｅ ｄ ｃ ｈ ｉ ｔ ｏ ｓ ａ ｎ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｐ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｓ ｉ ｔ ｕ ｅ ｎ ｃ ａ ｐ ｓ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ 般可 以实现小于通道尺寸一个数量级的分散流体制备 ， 而通过在该 ｏ 设备 内引入静 电场等更强 的外场作用， 还能够 实现小于通道尺寸两 ｏ ｆ Ｂ Ｓ Ａ ｉ ｎ ａ ｃ ｏ － ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｌ ｆ ｕ ｉ ｄ ｉ ｃ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ［ Ｊ ］ ， ２ ０ ０ ９ ． 个数量级液滴的制备。 同轴环管是一种在微 小的同心 圆管结构 中分 【 ３ 】 Ｊ ．Ｈ ．Ｘ ｕ ， Ｓ ．Ｗ．Ｌ ｉ ｊ ． Ｔ ａ ｎ ， Ｇ ． Ｓ ．Ｌ ｕ ｏ ．Ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｄ ｒ ｏ ｐ ｌ ｅ ｔ ｆ ｏ ｒ － 散 液滴 的方法， 这是一种轴对称 的分散方式。这种方法的特点是分 ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ Ｔ － ｊ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｌ ｆ ｕ ｉ ｄ ｉ ｃ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｓ ：ｆ ｒ ｏ ｍ ｓ ｑ ｕ ｅ ｅ ｚ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｄ ｒ ｉ ｐ － 散 相流体 可以不接触通道壁面， 从 而没有壁面浸润效应 。通过这种 ｐ ｉ ｎ ｇ ［ Ｊ ］ ， ２ ０ ０ ８ ． 设 备可 以较 为容易地实现对 分散相流体 的控制，在其 内部不仅可 以形成稳定 的分散结构，也可以形成稳定 的层流结构。分枝破碎是 种利用分 叉通道结构 实现液滴再破碎 的方法，通过控 制 出 口通 道的阻力还可 以获得丰富的破碎流 型，但 由于设备结构复杂，目前 该方法 的应用还较为少见 。 ２微 化 工 系统 内的 多 相传 递 规 律 相对于传统 化工系统，微化工 系统 内流体的流 动和分散 尺度 要小 １ ～ ２个数量级 ，这使得微化 工系统 内的传递 过程可 以得 到 有效的强化 。通过在反应体系 中加入 指示剂和荧光探针， 可 以对微 化工系统中单一液滴 的传递行 为进行有效的表征。研究 结果表 明， 在微化工系统 内微米尺度的液滴具 有传 质系数高 、 比表面积大的特 点，传质过程 可以在几秒钟甚至更短 的时间内完成 。更为重要 的是
流动电极电容去离子技术综述 研究进展与未来挑战
二、电容去离子装置改良研究进 展
电容去离子装置的改良研究主要集中在提高装置的能量效率、增加装置的处 理能力以及降低装置的成本。近年来，科研人员通过优化电容器设计、改进电极 材料以及引入新型的电化学反应器，已经在提高装置的能量效率和扩大装置的处 理能力方面取得了显著的成果。此外，通过使用低成本的材料和制造工艺，研究 人员也在努力降低电容去离子装置的成本，使其更具有商业化应用的潜力。
制备碳基材料的方法主要包括气相沉积、碳化处理、球磨等方法。合金类材 料的制备多采用熔炼、轧制、挤压等工艺。过渡金属氮化物材料的制备通常采用 高温固相反应、气相沉积、溶胶-凝胶法等。
2、正极材料
正极材料是钠离子电池中另一关键组成部分，其作用是提供锂离子嵌入脱出 的通道，并发生相应的电化学反应。正极材料的性能决定了电池的能量密度、充 放电电压和循环寿命。当前研究较多的正极材料主要包括层状氧化物、聚阴离子 化合物、普鲁士蓝类化合物等。
三、FECD应用领域
FECD技术因其高效、环保的特点，已在多个领域得到应用。其中最具前景的 应用领域包括：
1、饮用水处理：通过去除水中的有害离子，如重金属离子和放射性物质， 提高饮用水的质量。
2、工业废水处理：可用于处理各种工业废水中的有害离子，如电镀废水、 制药废水等。
3、海水淡化：通过去除海水中的盐分和其他有害离子，生产可用于农业灌 溉和工业用水的淡水。
一、电容去离子材料改性研究进 展
电容去离子材料的改性研究主要聚焦于提高材料的电荷储存能力、增加离子 吸附效率以及改善材料的物理化学性能。其中，碳材料因其良好的电导性、高比 表面积和良好的化学稳定性而被广泛研究。例如，研究人员已经成功地通过碳材 料的多孔结构优化，显著提高了材料的离子吸附容量。此外，科研人员还尝试了 将碳材料与其他功能材料（如金属氧化物、金属氢氧化物等）进行复合，以进一 步优化材料的离子吸附性能。
光学流变学中的微流动行为研究
光学流变学中的微流动行为研究光学流变学是一门交叉学科，结合了光学、物理学和材料学等多个领域的知识，研究的对象是流变材料的微观结构和流动行为。
微流动是其中一个核心研究领域，主要关注微米级别的流动现象和流体力学性质。
本文将从光学流变学的角度出发，介绍微流动的一些基本概念、研究方法和应用领域。
一、什么是微流动微流动是指液体在微米级别的通道或孔隙中的流动行为，其尺度一般在1~100微米之间。
在这个尺度下，液体与固体之间的作用力以及液体内部分子之间的影响变得非常显著，因此微流动的性质与一般情况下的流动存在明显的差异。
与大尺度流动相比，微流动的流速更低、黏滞力更强、惯性作用更小、表面张力更显著，同时也更容易受到外界微小扰动的影响。
二、光学流变学在微流动研究中的应用光学流变学是基于光学技术展开的研究方法，主要通过观察和分析流体中的光学信号来揭示其中的微观结构和流动行为。
光学流变学可以通过多种方式来研究微流动，下面介绍其中的几种主要方法。
1、激光共聚焦显微镜激光共聚焦显微镜是目前应用最为广泛的光学流变学方法之一。
它将激光束聚焦到非常小的点上，然后通过移动激光束扫描整个样品，可以获得样品不同位置的荧光图像。
这种方法可以得到非常高分辨率的图像，甚至可以在液体中观察到单个分子的运动轨迹。
激光共聚焦显微镜通常用于研究微流动中的局部流动结构和微观流动行为。
2、流场测量技术流场测量技术是一种用于测量流体速度和流量的方法，包括了多种测量技术，比如PIV（颗粒图像测速）、LDV（激光多普勒测速）等。
这些技术都是基于激光的相互作用原理开发而成的，具有高精度、高灵敏度、非侵入式等特点。
在微流动中，流场测量技术可以用于研究流场分布、速度梯度、涡旋等流体运动的细节特征。
3、光学闪烁技术光学闪烁技术是一种通过观察颗粒在液体中的运动来研究流动行为的方法。
它利用了颗粒在光束中会散射光线的性质，通过跟踪散射光线的角度变化来测量颗粒的运动轨迹。
微流控液滴技术:微液滴生成与操控
微流控液滴技术：微液滴生成与操控陈九生;蒋稼欢【摘要】微液滴技术因具有高通量两相分割分离能力,吸引众多不同领域研究者的关注.本文回顾了微流控液滴技术领域的一些基本技术思路,涉及微液滴的流控生成方法,包括水动力法、电动法、气动法、光控法等,以及液滴生成后的操控技术,如液滴定向位移、融合、裂分、混合、分选、捕获等,同时对这些方法作了简要评述.%The high-throughput two-phase partition ability of microdroplet technique attracts attentions from many researchers in many fields. This paper reviews main methods currently developed for microdroplet formation, including hydrodynamic method, pneumatic pressure method, optic-driven method, and also the microfluidic techniques for microdroplet manipulation, such as splitting, coalescence, mixing, sorting, trapping and droplet position control. Also, these methods are briefly reviewed.【期刊名称】《分析化学》【年(卷),期】2012(040)008【总页数】8页(P1293-1300)【关键词】微流控;微液滴;生成;操控;综述【作者】陈九生;蒋稼欢【作者单位】重庆大学生物工程学院生物流变科学与技术教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学生物工程学院生物流变科学与技术教育部重点实验室,重庆400044【正文语种】中文微液滴技术是在微尺度通道内，利用流动剪切力与表面张力之间的相互作用将连续流体分割分离成离散的纳升级及以下体积的液滴的一种微纳技术。
微流控芯片中流体流动的研究
微流控芯片中流体流动的研究引言微流控芯片是一种集成了微尺度流体通道和微加工器件的微型芯片，在微流体领域有着广泛的应用。
其中，流体流动是微流控芯片的一个重要研究方向。
本文将对微流控芯片中流体流动的研究进行综述，包括流体流动的基本原理、影响因素以及相关的实验和理论研究。
微流控芯片的基本原理微流控芯片是基于微纳米尺度流体力学原理设计和制造的芯片。
其基本原理可以用一维纳维尔-斯托克斯方程来描述流体在微流通道中的流动，可以简化为以下形式：$\\frac{{\\partial P}}{{\\partial x}} = \\mu \\frac{{\\partial^2 u}}{{\\partialy^2}}$其中，P为流体的压力，$\\mu$为流体的粘度，u为流体的速度。
微流通道中流体流动的主要特点是流速分布均匀，流体的作用力主要来自于剪切力而非惯性力。
由于微流控芯片中的通道尺寸较小，流速较慢，因此可以忽略惯性力的影响。
而剪切力主要与流体的粘度、通道的尺寸和流动状态有关。
流体流动的影响因素流体的性质流体的性质对微流控芯片中流体流动有着重要的影响。
主要包括流体的粘度、密度和表面张力等。
流体的粘度决定了流体的黏滞阻力，即流体流动时的内摩擦阻力。
流体的粘度越大，黏滞阻力越大，流体的流速越慢。
因此，在设计微流控芯片时需要考虑流体的粘度对流动的影响。
流体的密度与流体的惯性力有关。
在微流控芯片中，惯性力较小，流体的密度对流动的影响较小。
但是在一些特殊情况下，如高速流动或高浓度流动时，流体的密度影响将不容忽视。
流体的表面张力决定了流体在通道表面的润湿性。
一般来说，如果流体与通道表面不易相互润湿，会导致流体在通道表面形成凸起的曲面，进而影响流体的流动。
通道的尺寸和结构通道的尺寸和结构对微流控芯片中的流体流动有着重要的影响。
通道的尺寸可以决定流体的流速和流体的黏滞阻力。
通道越窄，流体的流速越慢，黏滞阻力越大。
通道的结构可以影响流体的剪切力分布和流体的流速分布。
多孔介质相变传热与流动及其若干应用研究
多孔介质相变传热与流动及其若干应用研究一、本文概述本文旨在全面深入地研究多孔介质中的相变传热与流动现象，并探讨其在多个应用领域中的实际价值。
多孔介质广泛存在于自然界和工程实践中，如土壤、岩石、生物组织以及许多工业材料。
在这些介质中，相变传热与流动过程对于理解许多自然现象以及优化工程设计具有重要意义。
本文将围绕多孔介质中的相变传热机制、流动特性以及若干应用案例展开详细的论述。
本文将系统地梳理多孔介质相变传热与流动的基本理论，包括多孔介质的基本性质、相变传热的基本原理以及流动的基本规律。
在此基础上，我们将建立相应的数学模型和数值方法，以定量描述多孔介质中的相变传热与流动过程。
本文将深入探讨多孔介质相变传热与流动的关键问题，如相界面演化、热质传递、流体流动以及多孔结构对传热流动的影响等。
我们将通过理论分析、数值模拟和实验研究等多种手段，揭示多孔介质相变传热与流动的内在规律和影响因素。
本文将关注多孔介质相变传热与流动在若干领域的应用研究，如能源工程、环境工程、生物医学工程等。
我们将结合具体案例，分析多孔介质相变传热与流动在这些领域的应用现状和发展趋势，为相关领域的工程实践提供理论支持和指导。
通过本文的研究，我们期望能够加深对多孔介质相变传热与流动现象的理解，推动相关领域的理论发展和技术进步，并为实际工程应用提供有益的参考。
二、多孔介质相变传热与流动的基本理论多孔介质，作为一种由固体骨架和分散在其间的孔隙或空隙组成的复杂结构，广泛存在于自然界和工程应用中。
多孔介质中的相变传热与流动现象，涉及到热质传递、流体动力学、热力学和相变动力学等多个领域，是热科学和流体力学研究的热点和难点。
在多孔介质中，相变传热主要指的是在固-液、液-气或固-气等相变过程中，热量通过多孔介质骨架和孔隙中的流体进行传递。
由于多孔介质的复杂结构，相变传热过程不仅受到热传导、热对流和热辐射的影响，还受到孔隙结构、流体流动、相变材料性质以及外部条件（如温度、压力等）的制约。
流体流动的纳米尺度效应
流体流动的纳米尺度效应摘要流体流动是一种自然现象，在纳米尺度下，流体的流动行为受到多种因素的影响，其中包括粘度、表面张力、电荷等。
本文将探讨纳米尺度下流体流动的一些特殊效应，以及这些效应对纳米器件和纳米技术的应用。
引言流体流动是一种基本的物理现象，广泛应用于生物学、化学、物理学和工程学等领域。
在纳米尺度下，由于粘度、表面张力、电荷等因素的影响，流体流动的行为呈现出许多特殊的效应。
这些效应不仅对纳米尺度的流体动力学研究具有重要意义，还对纳米器件的设计与制造、纳米技术的应用等产生了深远的影响。
纳米尺度下的润湿效应润湿是流体在固体表面上的分布现象。
在纳米尺度下，由于表面张力的影响，流体分子在固体表面上的分布呈现出不同于常规尺度下的特殊现象。
纳米尺度下的润湿效应被广泛运用于涂层技术、纳米材料制备等领域。
纳米尺度下的毛细管效应毛细管效应是流体在微小管道中流动时表现出的一种现象。
在纳米尺度下，由于流体和固体的分子作用力的差异，毛细管效应变得尤为显著。
纳米尺度下的毛细管效应被广泛应用于纳米流体传感器、纳米管道等领域。
纳米尺度下的电动效应电动效应指的是流体在电场作用下的运动行为。
在纳米尺度下，由于电荷的影响，流体的电导率和电荷迁移速率都发生了显著变化。
纳米尺度下的电动效应被广泛应用于纳米电极、纳米流体控制等领域。
纳米尺度下的热效应热效应是指流体在温度梯度下的运动行为。
在纳米尺度下，由于热传导的限制和表面效应的影响，流体的热传导性质发生了显著变化。
纳米尺度下的热效应被广泛应用于纳米传感器、纳米热管理等领域。
纳米尺度下的湍流效应湍流是流体流动过程中的一种不规则运动状态。
在纳米尺度下，由于粘度的影响，流体的湍流效应具有一些特殊性质。
纳米尺度下的湍流效应被广泛应用于纳米流体混合、纳米传热等领域。
纳米流体动力学的数值模拟纳米流体动力学的数值模拟是研究纳米尺度下流体流动行为的重要方法。
通过建立纳米尺度下的流体动力学模型，利用计算机仿真等方法，可以更加准确地研究流体在纳米尺度下的流动行为。
聚合物流变学研究意义
聚合物流变学研究意义聚合物流变学是研究聚合物在外力作用下的流变特性的学科。
聚合物是一类大分子化合物，具有高分子量、高分子链的柔韧性和长期的耐久性等特点。
聚合物在外力作用下会产生不同的变形和流动行为，而聚合物流变学正是研究这些变形和流动行为的学科。
聚合物流变学的研究意义主要体现在以下几个方面：1. 工程应用：聚合物流变学的研究可以为聚合物工程应用提供重要的理论基础。
比如，聚合物在塑料加工中的流动行为和变形特性对于塑料工程的设计和制造至关重要。
另外，在航空、汽车、电子等领域，聚合物的流变特性也对产品的性能和可靠性有着重要的影响。
2. 医学应用：聚合物在生物医学领域中有着广泛的应用，比如注射用聚合物、生物材料、组织工程等。
聚合物流变学的研究可以为这些应用提供重要的理论支持和技术指导。
3. 环境保护：聚合物在环境领域中也有着重要的应用，比如塑料袋、塑料瓶等。
聚合物流变学的研究可以为这些应用提供技术支持，使其更加环保和可持续。
聚合物流变学的研究主要涉及到以下几个方面：1. 本构关系：聚合物的流变特性与其分子结构有关，通过研究聚合物的分子结构和流变行为，可以建立聚合物的本构模型，从而预测其力学性能。
2. 流变行为：聚合物的流变行为包括弹性、塑性、粘弹性等，通过研究聚合物的流变行为，可以了解其在复杂工况下的行为规律，从而为工程应用提供理论指导。
3. 流变测试：聚合物的流变测试是研究聚合物流变行为的重要手段，包括剪切测试、拉伸测试、压缩测试等。
通过流变测试，可以获得聚合物的粘度、弹性模量、屈服点等流变参数，为聚合物工程应用提供重要的数据支持。
聚合物流变学的研究对于聚合物工程应用、生物医学、环境保护等领域都具有重要的意义。
在未来，随着聚合物材料的广泛应用，聚合物流变学的研究也将变得越来越重要。
流变学基础及应用ppt课件
流变学基础
影响流动性a的主要因素
温度：温度升高，粘度下降
Aexp(E /RT)
E 流动活化能
流动活化能是描述材料粘-温依赖性的物理量。流动过程中，流动单元用于
克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需要的最小能量
（J/mol,kcal/mol）,反映材料粘度变化的温度敏感性。活化能与分子结构关 系大，与分子量关系不大。Lgη0(T)=lgK+E η/2.303RT，一E η般(σ )为表观活化能
增塑剂：①降低熔体粘度，降低熔点，改善流动性。应用于粘度大，熔点高 难加工的高填充高分子体系，增大大分子链之间的间距，减少分子 链间作用，降低物理缠结点密度。
2019/11/26
流变学基础
高分子链的化学结构对粘度的影响
分子量：分子量越高高，粘度增加
分子量越大,完成大分子的质心移动所需要的协同运动单元的数目就越多,内摩 擦阻力就越大.LDPE分子量增加不到三倍,则它的粘度增加了四到五个数量级
缠结，并产生滑移，所以频率依赖
性很强。
上述比较是在重均分子量相同，分布也近似的条件下 典型短支链HDPE，LLDPE，长支链-LDPE
2019/11/26
流变仪
旋转流变仪
毛细管流变仪
小角度的振荡，可以提供如熔融黏度、 分子质量、重均分子量分布和聚合物松 弛等。储能（弹性）模量及损耗（粘性） 模量与振荡频率的关系图。
刚性链: 或分子间作用大,或侧基 空间位阻大： 流动活化能大，对温度敏感。 Eg ：PC、PMMA、PAN、PS 柔性链:分子间作用力小： 流动活化能小，粘度对温度较不 敏感 Eg：PE、PP、POM
实际意义: 对于刚性分子:PC,PMMA,用升高 温度的方法,可以有效的降低粘度, 使流动性变好，有利于加工。 对于柔性分子:PE,PP,POM等,由 于活化能小,仅靠升高温度来改善 流动性是不可能的，还要用其它 方法才行。