摘 要

微流控技术具有精确操控和处理微尺度流体的优点，因此越来越受到国内外科研工作者的重视。本课题简述了利用微流控技术制备几何形状均匀、单分散度高、理化性质稳定、渗透性好的核壳结构碳酸盐微胶囊，以及用微流控技术制备微胶囊液滴的操作中液滴的形成模式和微胶囊外壳固化的四种方法。

本研究课题重点介绍使用聚焦流乳化包裹法制备碳酸钾溶液微胶囊的实验，以及在实验过程中，探索不同流速比以及使用不同中间相（即油相）对包裹效果的影响。最终，对碳酸钾溶液微胶囊的性能做预测性分析。

关键词：微胶囊 ；微流控；双乳液滴；碳酸钾

ABSTRACT

Microfluidic technology has the advantages of precise manipulation and processing of micro-scale fluids, and is therefore increasingly valued by researchers at home and abroad. This topic outlines the use of microfluidic technology to prepare core-shell carbonate microcapsules with uniform geometry, high monodispersity, stable physicochemical properties, and good permeability, and microcapsules for the preparation of microcapsule droplets. The droplet formation mode and the microcapsule shell curing four methods.

This research topic focuses on the preparation of microcapsules of potassium carbonate solution using a focused flow emulsification coating method, and exploring the effect of different flow ratios and the use of different mesophases (ie, oil phase) on the coating effect during the experiment. Finally, a predictive analysis was performed on the performance of the potassium carbonate solution microcapsules.

Keyords: microcapsules; microfluidics; double emulsion droplets; potassium carbonate

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1引言 1

1.2微胶囊简介 1

1.3微胶囊制备的包裹方法 2

1.4微流控装置中的液滴形成模式 3

1.5微胶囊外壳的固化方法 5

1.5.1聚合 5

1.5.2蒸发引起的固结 5

1.5.3冷冻 6

1.5.4去湿 7

1.6本文的目的及意义 7

第二章 碳酸钾双乳液滴的制备 8

2.1试剂与仪器 8

2.2微流控装置的搭建 8

2.3碳酸钾双乳液滴制备实验内容 9

第三章 预测后续实验结论与展望 13

3.1CO₂的吸收和循环测试 13

3.2微胶囊机械稳定性和结晶性分析 13

3.3增强捕获动力学 14

3.4讨论与展望 17

参考文献 18

致谢 21

第一章 文献综述

1.1引言

21 世纪以来，人类目前面临的最重大的环境问题以及最复杂的挑战是全球气候的变暖，随着不断消耗的各种化石燃料，CO₂的排放对全球气候变化的贡献率已超过了60%^[1]是造成全球气候变暖的最主要原因。因此，降低CO₂的排放量刻不容缓，而CO₂的减排与净化是减缓温室效应最直接有效的措施。吸附－分离－回收是解决减少CO₂排放的重要途径，其中CO₂捕集和分离是我们目前首要克服的困难之一^[2]。

目前针对有效的吸附二氧化碳的方法有膜分离、生物分离、捕捉技术和各种耦合技术等^[3]，均是利用各种多孔材料对气体中CO₂进行吸附、分离和捕集回收^[4]，这些技术方法所选择吸附材料均具备对CO₂有较高的选择性和吸附容量。但现在二氧化碳捕集的方法仍会出现腐蚀性高，蒸发损失以及结垢等不可避免的缺陷。而通过阅读文献我们发现，微胶囊从基础设施和废气分离捕捉溶剂的方法，能够为克服这些问题提供了可行的解决方案。

1.2微胶囊简介

微胶囊又称微囊，是指由天然或人工合成的高分子材料制备而成的具有聚合物外壳的微小型容器或包覆物，它的大小在几微米至（m）几百微米范围内。微胶囊技术是通常选用热塑性能较好的分子材料，作为外覆物质，用固体、液体或气体为内芯物质包覆成核壳形态结构的胶囊。这种壳核的结构能够使得微胶囊具有阻隔能力、保护功能，使得内芯物质受到外壳的保护，既不会受到外界环境因素的侵入影响，同时又具备阻隔内部芯物质不向外部逸出的能力，从而保持内外稳定。并且可以实现在适当的条件影响下，使内部物质释放出来，通过适当的稳定手段，可以达到控制释放的效果。

1.3微胶囊制备的包裹方法

对于微流控的液滴包裹技术，其本质是不互溶的多种乳剂在一定的操作和环境中实现互相包裹，并以一种较为稳定的形式存在的状态。目前随着微流控技术的日益发展，微通道乳化包裹、膜乳化包裹以及外力驱动乳化包裹等新型液滴包裹技术相继出现，尺寸均一、包裹率高，可控的双乳或复乳液滴的制备工艺更加成熟。现在常见的包裹技术有交叉节点乳化包裹、聚焦流乳化包裹、膜乳化、外力驱动乳化包裹等。

其中节点通道是微通道中发展最早也相对简单的通道，可大致分为三种类型，分别为T型、Y型和十字型等。在通道中，分散相在节点尖端的黏滞力、表面张力、连续相的剪切力等多种不同力的作用下在节点或节点下方断开形成液滴，并均匀地分布在连续相中。双T型/双十字型通道经过两步乳化形成双乳液滴(W/O/W); 若将多个节点通道串联相接，合理调节流体流速及通道尺寸的情况下，可获得多级复乳液滴。经实验发现，相比于T型通道，十字型通道在双乳液滴的产生方面具有更好的控制性。如果两个十字通道均为疏水壁面，且第一个通道深度与中心主通道相同，小于第二个通道的深度，这时候则可产生超薄(＜1 μm) 油壳的 W/O 液滴^[5]。

另外较为常见的是聚焦流乳化包裹法，照流体流动轴线可分为交叉聚焦和共聚焦两种。常见的交叉聚焦流动装置通常是由PDMS 软光雕刻后得到，相比于微管装置，聚焦流装置在确定通道形状、位置及液滴的控制和生成方面相比而言更为灵活，可以实现通道深度的渐变，但是由于PDMS 自身的疏水性，二维的聚焦流通道在进行双乳液滴的制备时，两级液滴发生装置的亲/疏水性能必须相反。可是对通道进行亲/疏水性更改时，如果处理的方法不当或处理的时间不当会导致改性效果不理想的情况发生，并影响之后的实验效果。为避免二维通道亲/疏水性对液滴形成的影响，Chang 等^[6]作了节点渐宽式交叉聚焦流乳化装置，形成的单乳液滴可完全被连续相包裹，避免通道壁亲/疏水性的影响，但每个通道要分别制造后，再进行精确组装，从生产角度来看经济性较差。

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