CN112439465A - 一种基于微流控的球形微粒制备***与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微流控的球形化微粒制备***与方法，包括：流体驱动单元包括连续相驱动单元和分散相驱动单元，分别用于驱动连续相载液和分散相溶液；球形化单元包括温度控制装置、微孔阵列芯片及起固定连接作用的阵列芯片夹具，分散相驱动单元驱动分散相溶液通过阵列芯片夹具流经微孔阵列芯片，连续相驱动单元同时驱动连续相载液通过阵列芯片夹具实现对微孔阵列芯片底部球形化液滴的剪切；样品收集单元用于收集制备的球形化微粒。本发明实现不同粒径的球形化微粒的制备，获得的含能材料微粒表观形貌规整，粒径分布较窄，单分散性好，具有优良的物理化学和***性能，非常适用于快速有效制备表观形貌良好的球形化微粒。

Description

一种基于微流控的球形微粒制备***与方法

技术领域

本发明涉及火工品装置领域，特别是一种基于微流控的球形微粒制备***与方法。

背景技术

含能材料(Energetic Material)是一类含有***性基团或含有氧化剂和可燃物、能独立进行化学反应并输出能量的化合物或混合物，是军用***、发射药和火箭推进剂配方的重要组成部分。随着人们对含能材料的广泛深入研究，提出了对其主体装药的颗粒尺寸和形状的特殊要求。以单质***为例，其晶体的表面状态和形状以及晶体的缺陷直接影响着***的流散性、安定性和机械强度，从而对***的装药密度、感度以及***性能也将有很大的影响。同一种***由于晶形的不同，其感度性能和输出的能量也会有很大的差异。与此同时，国内外的学者对含能材料晶体的热点进行研究后认为晶体中的位错等晶格缺陷是热点产生的直接原因。晶体由于变形而引起位错的攀移和积累，使得含能材料晶体产生热点并导致其点火，从而引发一系列的安全问题。由此可见，含能材料晶体的球形化具有诸多优势，如球形化能使晶体形状规则、表面光滑、棱角少、流散性好；球形化处理后的晶体晶形近似球形，有效改善了晶体结构；球形化处理后的晶体热分解温度有所提高，具有更好的热安定性，晶体缺陷减少等等。

鉴于含能材料的特殊性质，一般采用溶剂-非溶剂重结晶法使含能材料球形化以达到改善其性能的目的。该方法主要通过改变结晶过程中的溶剂、温度、搅拌速度、溶液pH值以及添加剂的引入等来控制晶体的粒度和外观形态。但是，变量过多导致在制备球形化晶体的过程中大大加重了实验筛选的工作量，费时费力。另外，采用该方法所获得的含能材料晶体粒度分布宽，晶体形貌可控性差，且对溶剂和非溶剂消耗量大，成本较高，存在环境污染的风险等。同时，在国内，为了降低成本和环保，人们尝试通过物理方法来实现含能材料的球形化。机械球磨法是通过球磨介质的撞击、挤压、剪切等机械力作用而使颗粒破碎的方法，但该方法制备的颗粒大小不够均匀、粒径分布范围较宽、易引入杂质。综上，现有方法操作步骤复杂、研发周期长、试剂消耗量大、重复性较差且具有潜在危险性等，难以实现含能材料球形化晶体的快速制备。

微流控技术是利用微管道精确控制和操控微尺度流体，尤其特指亚微米结构的技术，是一个包括了工程学，物理学，化学，微加工和生物工程的多交叉学科。近几十年来，随着微流控技术的快速发展，人们开始探索微尺度下多相流液滴动力学原理及流动行为，微通道中的液滴操控技术，以及对这一技术的应用研究，其中之一即广泛应用于微纳米颗粒的制备。与传统间歇式反应相比，微流控技术具有更高的混合效率、更快的传热传质速率、更低的试剂消耗量以及更精确的反应参数控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微流控的球形化微粒制备***，以及基于该***的球形化微粒制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于微流控的球形化微粒制备***，包括流体驱动单元，球形化单元、样品收集单元以及连接组件。其中，所述流体驱动单元包括驱动连续相液体的连续相驱动单元和驱动分散相液体的分散相驱动单元；所述球形化单元包括温度控制装置、微孔阵列芯片及起固定连接作用的阵列芯片夹具。其中，微孔阵列芯片由675μm的硅片加工而成，其上排布有同一孔径的微孔，微孔与微孔之间以一个微孔的直径相间隔，按照孔径划分型号，微孔阵列芯片分别有10μm，20μm，30μm或40μm多种规格，以满足不同尺寸颗粒球形化的需求；阵列芯片夹具由带有微通道的上中下三层结构以及相应的密封螺钉构成，其中上层结构带有1mm的微通道和4个M3的通孔，微通道用于分散相的流入，通孔用于与中层结构的紧密相连；中层结构两侧带有2个1mm的微通道，用于连续相的流入与流出，中部加工有用于支撑微孔阵列芯片的凹陷平台和4个用于与上层结构紧密固定的M3螺纹孔，背部加工有1mm深的微通道，通过相应的PTFE垫片与下层结构形成密封；下层结构加工有与中层结构背部相对应的微通道，通过相应的PTFE垫片与中层结构形成密封，中层结构和下层结构上分别有6个M6的通孔和螺纹孔，便于利用螺丝使两者形成密封，上中下三层结构均由聚四氟乙烯(PTFE)加工而成；所述样品收集单元主要用于收集制备的球形化含能材料微粒；所述连接组件包括各个单元之间的连接管道和相应的连接器件，连接组件将所述流体驱动单元、球形化单元和样品收集单元依次连接。

利用上述基于微流控的球形化微粒制备***进行球形化微粒的制备，具体步骤如下：

步骤一，配制相应的分散相溶液，即将含能材料溶解于相应的溶剂中配制成分散相溶液，置于分散相驱动单元，流速设置为0.1-2.0mL/min，备用；

步骤二，选用与分散相溶液互不相溶的连续相载液并将其置于连续相驱动单元，流速设置为0.2-5.0mL/min，备用；

步骤三，根据所需球形化微粒的粒径选取合适的微孔阵列芯片，并将其置于阵列芯片夹具内，完成阵列芯片夹具的组装。同时，利用连接组件完成流体驱动单元、球形化单元和样品收集单元的连接；

步骤四，开启温度控制装置，温度设置为20-80℃；

步骤五，待温度控制装置的温度达到设定值，开启流体驱动单元，推动连续相载液和分散相溶液流入球形化单元，生成相应的悬浮液；

步骤六，将从球形化单元流出的含能材料悬浮液收集至样品收集单元，进行静置，洗涤、抽滤、干燥，最终获得所需的球形化微粒。

本发明与传统技术相比，其显著优点为：1.所述球形化微粒制备***的微孔阵列芯片根据其孔径的不同而具有不同的规格，可实现不同粒径的球形化微粒的制备以满足不同的应用需求；2.利用所述球形化微粒制备***所制备的球形化微粒表观形貌规整，粒径分布较窄，单分散性好，具有优良的物理化学和***性能；3.利用该***制备球形化微粒的速度快、效率高、研发周期短、能量和材料消耗量少，对环境污染小，非常适用于快速有效制备表观形貌良好的球形化微粒；4.利用所述球形化微粒制备***制备球形化微粒，工艺相对简单且稳定，可重复率高；5.以微反应器为平台，通过简单的数量放大，增加单元的周期数，在不影响产物质量的前提下可极大提高产量，低成本实现产业化和规模化，具有良好的经济效益和应用前景。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为基于微流控的球形化微粒制备***示意图。

图2为微孔阵列芯片夹具结构示意图。

图3为微孔阵列芯片结构示意图。

图4为基于微流控的球形化微粒制备的并联***示意图。

图5为基于该球形化微粒制备***所制备的球形化硝化棉形貌图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种基于微流控的球形化微粒制备***，包括流体驱动单元，球形化单元，样品收集单元以及连接组件。其中，所述流体驱动单元包括驱动连续相载液2的连续相驱动单元1和驱动分散相溶液4的分散相驱动单元3；所述球形化单元包括温度控制装置9、微孔阵列芯片8及起固定连接作用的阵列芯片夹具。其中，微孔阵列芯片8由675μm的硅片加工而成，其上排布有同一孔径的微孔；阵列芯片夹具由带有微通道的上中下三层结构以及相应的密封螺钉构成，其中上层结构5用于分散相溶液4的流入，中层结构6用于实现在微孔阵列芯片8的作用下连续相载液2对分散相溶液4的剪切，下层结构7通过相应的PTFE垫片实现与中层结构6的密封。分散相驱动单元3驱动分散相溶液4通过阵列芯片夹具上层结构5流入微孔阵列芯片8，在微孔的作用下挤压成球形化液滴，连续相驱动单元1驱动连续相载液2通过阵列芯片夹具中层结构6实现对微孔阵列芯片8底部球形化液滴的剪切，形成“水包油”状液滴，在温度控制装置9的配合下实现含能材料微粒的球形化，生成相应的悬浮液；样品收集单元10，用于收集从球形化单元流出的悬浮液，进而对悬浮液进行静置、洗涤、抽滤、干燥，最终获得球形化微粒；所述连接组件包括各个单元之间的连接管道和相应的连接器件，连接组件将所述流体驱动单元、球形化单元和样品收集单元依次连接。

结合图2，阵列芯片夹具由带有微通道的上中下三层结构以及相应的密封螺钉构成，其中上层结构5带有1mm的微通道、1个M6螺纹孔及4个M3的通孔，微通道用于分散相的流入，M6螺纹孔用于通过连接组件实现外部管道与阵列芯片夹具的连接，M3通孔用于与中层结构6的紧密相连；中层结构6两侧带有2个1mm的微通道和2个M6的螺纹孔，分别用于连续相载液2的流入与流出和通过连接组件实现外部管道与阵列芯片夹具的连接，中部加工有用于支撑微孔阵列芯片8的凹陷平台和4个用于与上层结构5紧密固定的M3螺纹孔，底部加工有1mm深的微通道，通过相应的PTFE垫片实现与下层结构7的密封；下层结构7加工有与中层结构6底部相对应的微通道，通过相应的PTFE垫片与中层结构6形成密封，中层结构6和下层结构7上分别有6个M6的通孔和螺纹孔，便于利用螺丝使两者形成密封，上中下三层结构均由聚四氟乙烯(PTFE)加工而成。

结合图3，微孔阵列芯片(2mm*2.5mm)由675μm的硅片加工而成，其上排布有同一孔径的微孔，微孔与微孔之间以一个微孔的直径相间隔；按照孔径划分型号，微孔阵列芯片分别有10μm(11)，20μm(12)，30μm(13)或40μm(14)多种规格，以满足不同尺寸颗粒球形化的需求。

结合图4，一种基于微流控的球形化微粒制备的并联***，包括一组连续相驱动单元和一组分散相驱动单元，两组及两组以上的微孔阵列芯片和相对应阵列芯片夹具，微孔阵列芯片的规格可选，共同构成两组及两组以上的球形化单元，以及与球形化单元数量相同的样品收集单元，其中，一组连续相驱动单元通过连接组件分流后形成两路通道15和16，分别与两组及以上的阵列芯片夹具的中层结构6相连；一组分散相驱动单元通过连接组件分流后形成两路通道17和18，分别与两组及以上的阵列芯片夹具的上层结5相连；每一组球形化单元和相对应的样品收集单元构成一组制备单元，多组制备单元之间并联设置。

利用上述基于微流控的球形化微粒制备***进行球形化微粒的制备，具体步骤如下：

步骤一，配制相应的分散相溶液4，即将含能材料溶解于相应的溶剂中配制成分散相溶液，置于分散相驱动单元3，流速设置为0.1-2.0mL/min，备用；

步骤二，选用与分散相溶液互不相溶的连续相载液2并将其置于连续相驱动单元1，流速设置为0.2-5.0mL/min，备用；

步骤三，根据所需球形化微粒的粒径选取合适的微孔阵列芯片8，并将其置于阵列芯片夹具内，完成阵列芯片夹具的组装。同时，利用连接组件完成流体驱动单元、球形化单元和样品收集单元的连接；

步骤四，开启温度控制装置9，温度设置为20-80℃；

步骤五，待温度控制装置9的温度达到设定值，开启流体驱动单元，推动连续相载液2和分散相溶液4流入球形化单元，生成相应的悬浮液；

步骤六，将从球形化单元流出的含能材料悬浮液收集至样品收集单元9，进行静置，洗涤、抽滤、干燥，最终获得所需的球形化微粒；

下面的实施例仅对本发明进行进一步的说明，不应理解为对本发明的限制。

实施例1：球形发射药硝化棉(NC)的制备

采用球形化微粒制备***制备球形/类球形硝化棉。以去离子水为连续相载液，乙酸乙酯为溶剂，制备球形/类球形硝化棉。将2.0g硝化棉原料溶解于50mL的乙酸乙酯溶剂内，配制成分散相溶液4，置于分散相驱动单元3中，流速设置为0.1mL/min；连续相载液2由连续相驱动单元1驱动，流速控制在1.0mL/min。球形化温度设置为20℃。开启连续相驱动单元1，驱动连续相载液2通过阵列芯片夹具中层结构6流入球形化单元内部；开启分散相驱动单元3，驱动分散相溶液4沿管道通过阵列芯片夹具的上层结构5向球形化单元输送，在微孔阵列芯片8的挤压下形成形状均匀的球形化液滴，附着在微孔阵列芯片8的底部，由连续相驱动单元1所驱动的连续相载液2对其进行剪切，形成形状均匀的“水包油”状液滴，在一定温度下实现球形化硝化棉微粒的制备，生成悬浮液。将悬浮液收集于样品收集单元，并进行静置、洗涤、抽滤、干燥，最终获得球形化硝化棉微粒，并进行后续表征。从图5可以看出利用基于微流控的球形化微粒制备***所获得的硝化棉颗粒表面形貌良好，晶型均一。

Claims (6)

1.一种基于微流控的球形化微粒制备***，其特征在于，包括流体驱动单元，球形化单元，样品收集单元和连接组件。其中，流体驱动单元包括连续相驱动单元和分散相驱动单元，分别用于控制连续相载液和分散相溶液的流速；球形化单元包括温度控制装置、微孔阵列芯片及起固定连接作用的阵列芯片夹具，分散相驱动单元驱动分散相溶液通过阵列芯片夹具流经微孔阵列芯片，在微孔的作用下挤压成球形化液滴，连续相驱动单元同时驱动连续相载液通过阵列芯片夹具实现对微孔阵列芯片底部球形化液滴的剪切，形成“水包油”状液滴，在温度控制装置的配合下实现含能材料微粒的球形化；样品收集单元用于收集制备的球形化含能材料微粒；连接组件将所述流体驱动单元、球形化单元和样品收集单元依次连接。

2.根据权利要求1所述的基于微流控的球形化微粒制备***，其特征在于，所述微孔阵列芯片由675μm的硅片加工而成，尺寸为2mm*2.5mm，其上排布有同一孔径的微孔，微孔与微孔之间以一个微孔的直径相间隔；同时，按照孔径划分型号，微孔阵列芯片分别有10μm，20μm，30μm或40μm多种规格。

3.根据权利要求1所述的基于微流控的球形化微粒制备***，其特征在于，所述阵列芯片夹具由带有微通道的上中下三层结构以及相应的密封螺钉构成，其中上层结构带有1mm的微通道、1个M6螺纹孔及4个M3的通孔，微通道用于分散相的流入，M6螺纹孔用于通过连接组件实现外部管道与阵列芯片夹具的连接，M3通孔用于与中层结构的紧密相连；中层结构两侧带有2个1mm的微通道和2个M6的螺纹孔，分别用于连续相载液的流入与流出和通过连接组件实现外部管道与阵列芯片夹具的连接，中部加工有用于支撑微孔阵列芯片的凹陷平台和4个用于与上层结构紧密固定的M3螺纹孔，底部加工有1mm深的微通道，通过相应的PTFE垫片实现与下层结构的密封；下层结构加工有与中层结构底部相对应的微通道，通过相应的PTFE垫片与中层结构形成密封，中层结构和下层结构上分别有6个M6的通孔和螺纹孔，便于利用螺丝使两者形成密封。

4.根据权利要求3所述的基于微流控的球形化微粒制备***，其特征在于，上中下三层结构均由PTFE加工而成。

5.根据权利要求1所述的基于微流控的球形化微粒制备***，其特征在于，该***可通过将球形化单元并联的方式实现球形化微粒的批量生产，该并联***包括1组连续相驱动单元和一组分散相驱动单元，两组及以上的球形化单元及相应的样品收集单元，一组连续相驱动单元通过连接组件分流后分别与两组及以上的阵列芯片夹具的中层结构相连，一组分散相驱动单元通过连接组件分流后分别与两组及以上的阵列芯片夹具的上层结构相连，同时控制两组及以上的球形化单元的液体输入。

6.根据权利要求1所述的基于微流控的球形化微粒制备***的方法，其特征在于，具体制备步骤如下：

步骤一，配制相应的分散相溶液，即将含能材料溶解于相应的溶剂中配制成分散相溶液，置于分散相驱动单元，流速设置为0.1-2.0mL/min，备用；

步骤二，选用与分散相溶液互不相溶的连续相载液并将其置于连续相驱动单元，流速设置为0.2-5.0mL/min，备用；

步骤三，根据所需球形化微粒的粒径选取合适的微孔阵列芯片，并将其置于阵列芯片夹具内，完成阵列芯片夹具的组装。同时，利用连接组件完成流体驱动单元、球形化单元和样品收集单元的连接；

步骤四，开启温度控制装置，温度设置为20-80℃；

步骤五，待温度控制装置的温度达到设定值，开启流体驱动单元，推动连续相载液和分散相溶液流入球形化单元，生成相应的悬浮液；

步骤六，将从球形化单元流出的含能材料悬浮液收集至样品收集单元，进行静置，洗涤、抽滤、干燥，最终获得所需的球形化微粒。

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