舞动的液滴：界面现象与过程调控

液滴动态行为的调控在包括微化工、相变传热、喷雾冷却、农药喷洒、微流控芯片等领域都具有广泛的应用。液滴润湿过程包含着复杂的固液界面现象,借助界面效应对液滴动态行为进行调控是液滴调控领域的热点方向。将围绕多尺度润湿、界面结构驱动的液滴动态行为等过程中的若干科学问题进行综述。首先介绍了多尺度表面润湿基本理论,讨论了核化过程、液滴多尺度润湿、液滴弹跳和液滴多向迁移过程及液滴撞击固体表面过程中的固液界面作用机理,并展现了液滴动态调控在相变传热、喷墨打印、农药喷洒和微流控等工业过程的调控作用、应用以及主要发展趋势和方向。     

微流控乳液模板法构建功能微颗粒过程中介尺度结构定向调控的研究进展

功能微颗粒材料因其微型化和多功能化等优点而在诸多领域具有广泛的应用。微流控技术可控制备的多样化乳液液滴体系为功能微颗粒材料的创新设计与可控制备提供了优良而独特的模板。深入研究乳液模板法构建功能微颗粒材料过程中介尺度结构的形成与演变规律，以及液滴界面介尺度结构与乳液动力学行为、界面传质与反应耦合对微颗粒介尺度结构的影响规律等，对于实现乳液模板结构调控与新型功能微颗粒材料创新制备具有重要意义。本文主要综述了微流控乳液模板法构建功能微颗粒过程中介尺度结构定向调控的研究进展，着重涵盖了两方面内容：（1）微流控法可控制备乳液模板的过程中，液滴界面两亲分子聚集态介尺度结构的调控与液滴运动、吞并、融合、相界面定向演变等动力学行为之间的相互影响关系和调控机制，以及上述调控对液滴形貌、结构和组成的影响规律；（2）乳液模板制备功能微颗粒的过程中，界面传质、反应，及两者耦合对微颗粒介尺度结构的定向调控，以期为新型功能微颗粒材料的高效制备与性能强化提供科学指导。     

液液微分散及其用于标准颗粒制备的研究进展

液液分散与液滴生成是化工生产最典型的多尺度动态过程之一，针对该类过程的精准控制是化工研究的难点与重点。近年来，伴随机械微加工与流体微量输运技术的快速兴起，基于微米尺度作用的微化工技术在液液分散与液滴生成的调控中展现出了显著优势，成为化工研究的前沿方向。本文针对近年来在微分散基本规律、微分散动态界面现象与微分散标准颗粒材料等领域的研究进展进行综述：围绕微分散基本规律，介绍了微尺度液滴破碎的主导作用力、液液微分散流型及微分散数值模拟方法；围绕微分散动态界面现象，分析了动态界面张力的变化规律及其影响因素；围绕微分散标准颗粒制备，简述了微分散颗粒制备的主流技术及其适用范围。同时，针对相关领域的发展方向进行了展望。     

CFD数值模拟技术在液滴微流控多相流特性研究的应用进展

高集成化的微流控系统具有界面面积大、传递距离短、混合速度快等优势,已被广泛应用于许多科学领域。然而,微通道内多相流间的相互作用及动力学行为受多方面的影响,仅依靠试验观测技术和理论预测方法难以全面了解多相流传质传热过程、获取流场特性参数、揭示多相流相互作用规律。当下CFD数值模拟技术的快速发展为预测和分析微流控通道内的多相流问题提供了更为直观、有效、准确的帮助。本文对数值模拟技术在液滴微流控多相流特性研究的应用进展进行全面综述,涵盖液滴微流控装置结构及演变、液滴微流控模拟方法及优化以及微通道内多相流作用过程及原理。     

微流控法构建微尺度相界面及制备新型功能材料研究进展

微流控技术由于具有优异的流体微尺度相界面调控能力,是实现微结构精确可控的新型功能材料的设计制备与性能调控的重要新兴手段。本文介绍了微流控技术可控构建稳定相界面结构的两大体系：一是具有封闭液-液相界面的乳液液滴体系;二是具有非封闭层状和环状液-液相界面的层流体系。回顾了利用微流控技术构建的这两类稳定相界面结构体系制备三大类功能材料的研究进展：一是利用乳液液滴体系制备微球微囊材料;二是利用层状层流体系制备微通道膜材料;三是利用环状层流体系制备超细纤维材料。指出微流控技术为实现功能材料的小尺度化、薄膜化、纤维化、多功能化、材料元件一体化等带来了新的机遇,提出应进一步深入系统地认识液-液相界面设计与调控以及功能材料合成过程的基本规律和机理。     

电场对液滴界面张力及动力学特征影响的研究进展

电场是改变液滴界面张力的重要因素,施加不同类型的电场对驱动微流体运动、变形、分裂及合并等行为起着至关重要的作用,该技术广泛用于微液滴操控、电子显示和原油脱水等领域,并具有潜在的应用前景。文中综述了电场作用下微液滴气-液、气-固与液-液交界面张力的变化,分析了与界面张力对微液滴运动学行为影响相关的实验现象及模拟成果;指出电场作用下气-液交界面处表面张力的变化趋势,因实验及模拟方法不同目前仍存在较大争议;探讨了直流电和交流电对电润湿过程液滴铺展的不同影响和液滴形态振荡特征;分析了直流电、交流电及电脉冲对电破乳过程中液滴运动行为的重要作用。总结了电场对液滴界面张力影响研究中存在的问题,并提出了值得进一步深入研究的可能方向。     

液滴流微反应器的基础研究及其应用

综述了近些年来快速发展的液滴微流控技术, 回顾了微流控系统中液滴的基本行为, 如液滴的生成、运动、聚并和分裂等研究进展, 重点探讨微液滴作为反应器其内部的流动、传质和反应过程, 以及液滴流微反应器已有的和潜在的重要应用价值。通过精确调控液滴在微尺度上的行为(产生、聚并与分裂、内部的混合与反应等), 使单个液滴成为新型受限空间内的微型间歇反应器, 而微通道内的液滴流进而形成了若干间歇反应器构成的连续流反应器新型式。除了微流控技术普遍具有的微小尺寸效应带来传质传热强化、易于放大等优势外, 液滴流微反应器还具有诸如避免试剂交叉污染、液滴内部可控混合、易于独立调控、便于高通量筛选或者制备等独特特点, 使得其在功能材料制备、化学合成以及生物化工方面有着广泛的应用。     

双液滴碰撞行为及调控机制的研究进展

双液滴碰撞行为广泛存在于雨滴形成、燃油喷雾、喷雾冷却、喷墨印刷、农药喷洒等自然现象与工业应用过程中,其碰撞结果会受到液滴参数及气相环境等因素的综合影响,研究双液滴的碰撞行为规律及调控机制一直是该领域的热点。结合目前双液滴碰撞的实验进展和数值模型,将围绕着碰撞行为的主控因素与调控机制展开综述,具体介绍了碰撞参数、液滴理化性质、气相环境等因素对液滴碰撞行为的影响规律与调控结果,并展望了液滴碰撞理论及应用的发展趋势和方向。     

液滴微流控的集成化放大方法研究进展

相比于传统乳化方法,液滴微流控技术可以在微通道内可控制备单分散液滴模板用于合成各种功能微球,被广泛应用于生物、医疗、制药、环境等领域。由于单个液滴制备微流控单元的产量低,液滴微流控的集成化放大成为了液滴微流控技术面向工业应用的技术难点。本文综述了近年来液滴微流控集成化放大方法的研究进展,重点介绍了不同类型液滴制备微流控单元集成化放大的研究进展,包括基于剪切力形成液滴、基于界面张力形成液滴和基于被动分裂形成液滴的液滴制备微流控单元的集成化放大方法。     

气液相变换热过程中界面腐蚀的基础研究进展

由于两相之间会不断转换,相变换热被称为复杂的传热传质过程,其过程中会引起相变腐蚀,如冷凝液滴腐蚀、气泡腐蚀以及多相流流动腐蚀等。目前对于气液相变腐蚀的研究集中在对腐蚀产物的表征、分析,忽略了相变过程中由于能量传递引起的界面变化对腐蚀的影响。本文从相变腐蚀机理、腐蚀防护两方面出发,系统地总结管道内外冷凝液滴腐蚀、气泡腐蚀与多相流流动腐蚀等气液相变腐蚀领域的研究进展,并对其中存在的问题进行总结,同时归纳了用于研究相变腐蚀过程的腐蚀预测模型,分析其应用场合以及各种模型的优势与不足,以期为研究气液相变腐蚀监测与控制的学者提供参考,并指出气液相变换热过程中的气液两相界面腐蚀问题是未来相变腐蚀研究的重要方向。     

微通道内液-液多相流数值模拟研究进展

液滴微流控技术在化学化工、生物医学等领域具有良好的应用前景,而微通道内的液-液多相流动则是液滴微流控技术中最常见的流动现象,深入研究其机理及其内在规律对相关装置与过程的优化设计具有重要的指导意义。本文系统地综述了研究微通道液-液多相流常用数值研究方法,回顾了连续力学方法与介观动理学方法的研究进展,详细介绍了界面追踪方法与界面捕捉方法的特点以及常用模型,讨论了多种模型的应用情况,论述并对比了不同模型的优势与限制。为进一步开展微通道液-液多相流行为规律及其内在机理的研究提供有益借鉴。微通道内多相流动涉及多种流体与界面的相互耦合,应进一步深入研究在模型简化的基础上实现更精确的界面与流体动力学行为描述。     

基于显微图像识别的微流控液滴聚并研究

微流控技术作为操控微米尺度液滴的重要手段,受到普遍关注。显微摄像是微流控过程的主要研究方法,以往主要通过人工观察识别的方式获取关键参数,工作效率低、数据量小,限制了针对复杂微流控过程的深入认识。提出了一种基于MATLAB图像处理程序的微流控液滴聚并研究方法,通过背景提取、背景扣除、掩膜二值化、噪声消除、区域填充、形态开启、边界物体移除、干扰滤除等过程,实现六边形扩大通道内液滴聚并显微实验视频的数值化,进一步通过识别液滴投影面积、质心、偏心率等信息,研究了液滴运动速度和液膜的排空时间等微流控聚并关键参数的变化规律。     

产品开发

正新型微流控液滴包裹技术研发前景好新型微流控液滴包裹技术,与传统液滴包裹技术相比,其优点是:操作灵活、可控性强、可通过改变通道数量、结构等方式制备双乳、复乳液滴,每层液滴的尺寸和数量还可通过调节流量等参数进行调控。因此新型微流控液滴包裹技术研发和应用具有非常广阔的前景,可应用于生物医学、食品科学、化妆品、医药等诸多领域。新型微流控液滴包裹技术主要包括膜乳化包裹、外力驱动乳化包裹、微通道乳化包裹等。     

基于分子动力学的氧化锌疏水性模拟研究

ZnO材料因其具有油水分离效率高、制备工艺简单、费用低廉等特点,在油水分离领域具有重要的作用。采用分子动力学方法研究了ZnO材料微观疏水机理。通过改变壁面分子与水分子之间的势能函数参数获得不同的固液作用强度与界面自由能的关系;模拟水滴在不同能量表面上的接触角,统计分析液滴在表面上的稳态接触特征,对比基于液滴润湿形态测得的接触角和基于界面能计算获得的接触角之间的差异;基于氧化锌最低表面能界面构造微纳结构,对不同微纳结构的润湿性进行分析。结果表明,ZnO材料气固界面自由能(γ_sv)和固液界面自由能(γ_sl)均随固液作用强度f的增大而增大,固液作用强度的大小可以用于区分ZnO材料的润湿性。随着固液作用强度的减少,改性后的氧化锌刚性表面的疏水性增强。在固液作用强度一定的条件下,微纳结构会使疏水性增强。     

冻结液滴融化过程中的表面及界面演化特性分析

液滴在血浆储存、航空航天等技术领域广泛存在,而其机理研究主要集中在冻结阶段,对融化阶段的研究则相对较少。故此,本文通过液滴可视化实验,发现并归纳了冻结液滴在不同材料表面、不同基底温度下融化过程的动态表面及界面演化模式,总结了液滴表面扩散系数、高度系数、相界面偏离度等形态演化参数与相变时间之间的变化规律并对其展开分析。结果表明：冻结液滴存在3种不同的表界面演化模式;在熔融中后阶段,金属材料（纯铝板、镀锌板）表面冻结液滴的冰相区以颗粒群状分布态融化,冰晶结合度低,而高分子聚合物材料[有机玻璃（PMMA）及聚氯乙烯（PVC）试板]表面冻结液滴的冰相区呈块状分布态融化,冰晶结合度高;金属类材料表面冻结液滴的相变速率高于聚合物类材料表面冻结液滴的相变速率,金属表面相变时间在100s以内,而聚合物表面冻结液滴的相变时间在300s以内;金属表面最大扩散系数分布区间为0.950～1.021,聚合物表面最大扩散系数分布区间为1.000～1.076,温度高,则各类材料表面液滴的微观前驱膜移动受阻,液滴的表面润湿过程受阻;金属表面冻结液滴的高度系数及冰相高度变化率受冰相区变化影响,聚合物表面则主要受温度影响...     

冻结液滴融化过程中的表面及界面演化特性分析

液滴在血浆储存、航空航天等技术领域广泛存在,而其机理研究主要集中在冻结阶段,对融化阶段的研究则相对较少。故此,本文通过液滴可视化实验,发现并归纳了冻结液滴在不同材料表面、不同基底温度下融化过程的动态表面及界面演化模式,总结了液滴表面扩散系数、高度系数、相界面偏离度等形态演化参数与相变时间之间的变化规律并对其展开分析。结果表明：冻结液滴存在3种不同的表界面演化模式;在熔融中后阶段,金属材料（纯铝板、镀锌板）表面冻结液滴的冰相区以颗粒群状分布态融化,冰晶结合度低,而高分子聚合物材料[有机玻璃（PMMA）及聚氯乙烯（PVC）试板]表面冻结液滴的冰相区呈块状分布态融化,冰晶结合度高;金属类材料表面冻结液滴的相变速率高于聚合物类材料表面冻结液滴的相变速率,金属表面相变时间在100s以内,而聚合物表面冻结液滴的相变时间在300s以内;金属表面最大扩散系数分布区间为0.950~1.021,聚合物表面最大扩散系数分布区间为1.000~1.076,温度高,则各类材料表面液滴的微观前驱膜移动受阻,液滴的表面润湿过程受阻;金属表面冻结液滴的高度系数及冰相高度变化率受冰相区变化影响,聚合物表面则主要受温度影响;温度升高会使热量传递过程不稳定,加剧聚合物表面冻结液滴偏离度位移的波动性。     

微流控双水相贴壁液滴流动强化酶促反应研究

以微流控双水相液滴流技术为基础,开发了一种酶促反应平台,将微流控贴壁液滴流快速传递、高效混合的特点与双水相反应分离耦合过程优化结合。本体系克服了传统宏观双水相体系传质传热慢以及耗时耗能的问题,并建立了贴壁液滴微反应器,产生更大的内环流,进一步增强传质效果。探究了双水相液滴界面的分子限域能力、对酶和产物的选择性分配能力。通过比较贴微通道壁和未贴微通道壁两类液滴微反应器的酶促反应效果,发现贴微通道壁液滴微反应器仅6 min转化率即可达到40%,其反应速率可达未贴微通道壁液滴微反应器9.4倍。本文通过微流控双水相贴壁液滴流实现了酶促反应的强化,为微尺度下的酶催化反应过程强化提供了一种新的思路。     

固-液/气-液多相耦合热控技术应用研究进展

相变热控技术具有设备性能可靠、质量轻、耗能低等优点,在工业和学术界受到广泛关注。利用固-液相变恒温吸热和气-液相变超高导热特性,可实现多相耦合的高效储热传热过程。本文针对固-液/气-液多相耦合热控技术提出多相耦合概念,以典型相变材料和热管耦合系统为切入点,首先介绍相变及多相耦合的工作原理,归纳了两者之间的典型耦合方式：相变材料分别置于热管蒸发段、冷凝段、绝热段,或热管整体嵌入相变材料作为导热骨架;然后着重评述了目前国内外多相耦合热控技术用于电子器件冷却和电池热管理领域的研究进展,并对其他领域（如蓄热/冷）的应用现状进行总结;最后从材料改性、器件耦合、系统协同等角度提出当前面临的问题和未来发展方向。     

微流控技术可控制备异形微颗粒功能材料的研究进展

异形功能性微颗粒由于具有独特的散射、流变和凝结等特性,被广泛应用于工业和临床医学等领域。微流控技术作为一种新兴的微流体操控技术,能够连续可控地制备尺寸均一、结构和功能多样化的微尺度材料。近年来,利用微流控技术制备异形功能微颗粒成为研究热点。主要综述了利用微流控技术制备多面体结构、棒条状、子弹形、多腔室结构、孔-壳形和螺旋形微颗粒功能材料的研究新进展,重点介绍了基于微流控通道的尺寸和形状的限制作用、基于微流控构建层流模板的可控光刻蚀、基于表面活性剂的种类或含量辅助诱导多重乳液反浸润过程和对利用微流控技术制备的单分散液滴进行二次操作制备异形微颗粒功能材料等方面的研究现状。     

微流控技术可控制备异形微颗粒功能材料的研究进展

异形功能性微颗粒由于具有独特的散射、流变和凝结等特性,被广泛应用于工业和临床医学等领域。微流控技术作为一种新兴的微流体操控技术,能够连续可控地制备尺寸均一、结构和功能多样化的微尺度材料。近年来,利用微流控技术制备异形功能微颗粒成为研究热点。主要综述了利用微流控技术制备多面体结构、棒条状、子弹形、多腔室结构、孔-壳形和螺旋形微颗粒功能材料的研究新进展,重点介绍了基于微流控通道的尺寸和形状的限制作用、基于微流控构建层流模板的可控光刻蚀、基于表面活性剂的种类或含量辅助诱导多重乳液反浸润过程和对利用微流控技术制备的单分散液滴进行二次操作制备异形微颗粒功能材料等方面的研究现状。