微反应器的制备与试验研究

设计了一种新型微化学反应器，该反应器采用玻璃精细加工技术，结合激光雕刻工艺制成，内部既无可动件又无内嵌式微电路，无须复杂的微加工技术，结构简单。制造成本低；分析了微化学反应的实现机理，通过对微喷嘴施加小幅可控的脉冲惯性力，对不同微流体通过数字化微喷射生成微液滴，在混和腔内碰撞聚合，完成溶液间的微反应。利用微流体数字化技术，对微反应器进行了试验研究，效果良好。

微反应器(microreactor)一般是指通过微加工和精密加工技术制造的小型反应系统，微流体通道尺寸在亚微米到亚毫米量级。过去几十年，微反应器的应用已经显示了其优势，不仅具有所需空间小、质量和能量消耗少以及响应时间短的优点，更重要的是其在单位体积和单位时间内得到的信息量明显较大。在微反应器内，随着线尺度的减小，一些物理量的梯度很快增加，例如温度梯度、压力梯度、浓度梯度以及密度梯度，使微反应器的转化率、选择性有了明显的提高，传热系数和传质性能与传统设备相比也得到很大提高，而且可以保证流体流动的均匀性和理想性。现在微反应技术吸引了众多研究者在各个领域展开深入的研究，成为化学工程学科发展的一个新突破点。
文献报道较多的微反应器是外形尺寸小、集多种功能于一身的用半导体集成电路工艺(IC工艺)在芯片上制造的微芯片，IC工艺最大优点之一是外形尺寸小，适合于微细化及大批量生产，但其制造周期长、成本高，设备投资大。本文采用玻璃微制造方法，结合激光雕刻工艺制备出属于微特性系统的微反应器，研究了其制备方法和微化学反应的实现机理，该反应器制备方法简单，成本低廉，微流道光滑流畅，流动阻力小，利用微流体数字化技术实现了微化学反应。

1 玻璃精细加工与微反应腔的激光加工

1.1 微反应器的材料与加工方法
1.1.1 材料
制造微反应器使用的材料比较广泛，如金属、聚合物、陶瓷、玻璃和硅等，目前各种类型的玻璃材料在微光机电系统及生物芯片中得到了大最的应用。玻璃材料具有良好的微加工性能，同时散热性、透光性和绝缘性均良好，而且管道内壁特性易于处理，是目前生物芯片、微流控芯片使用最多的一种材料。本文所论述的微反应器采用对玻璃的微制造来实现，主要集中在对硅酸盐玻璃毛细管的拉制、磨削、锻造和敦粗等，其它微制造技术如吹制、弯曲、焊接等关键变形手段，把多个零件结合为一体。
1.1.2 机理与加工形状
微米量级的微管道宽度给化学反应的传质带来技术上的突破，在液相反应中，反应液体为层流状态，扩散是传质的主要途径。扩散混合效率通常采用Fourier数来表示。

Fo=Dt/w^2；

式中：D-液体扩散系数；
t-接触时间；
w-液体扩散长度，即微管道的宽度。
当Fo>0.1时，液相间可以很好的混合；当Fo>1.0时，液相间可以完全混合，大多数液体的扩散系数在10^{-9～10^{-8m^{2/s之间，如果需要在1～10s内实现很好的混合，微管道的尺寸为30～300μm。从化学反应的传质可以看出。当微管道宽度为10～100μm时，可以带来良好的传质和传热。微管道的长度是由化学反应的需要决定的。对于液相反应，由于微反应器町以提供良好的传质和传热，使得化学反应可以快速地进行，因此微反应器的长度只需要满足管道中流体的相互混合即可。
将玻璃毛细管在微管拉制仪上拉制成变截面微管道，最小直径为50μm，如图1a所示，从中部截，将尖端部经磨针仪磨削成微喷嘴，如图1b所示，将微管用微连接器连接成微三通。}}}

图1 玻璃微管道

1.2 微连接器与基片的激光雕刻
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是光学性能非常优异的一种透明聚合物，具有透光性好、键合温度低及成本低等优点。PMMA板的激光加工在微加工技术中比较常用，加工尺寸可小至10μm，因此得到了广泛应用。激光加r_的PMMA微流道表面质量粗糙，流体流动性能差，需较大的驱动力才可以实现流体流动。同时许多化学试剂会和聚甲基丙烯酸甲醋发生化学反应，将微流道严重腐蚀。结合研究室的经验和技术，PMMA通过激光加工的方式易于实现微加工，可将之用来做微连接器和基板。nextpage

将流动性好的玻璃微管用微连接器连接，然后嵌人基板，高温键合，形成内嵌式复杂微流道，方法如下。首先用绘图软件绘制微反应器的微连接器和基板盖板矢量图形，然后将其送人激光雕刻机进行加工。本文中激光雕刻机扫描深度最小为10μm。制作的微连接器如图2a所示。3根进样管，1根输出管，管道内径为200μm，进样管长度为5mm，输出管长度10mm。将拉好的玻璃微管道垂直切割，清洗，疏水化处理，插人微连接器.如图2b所示。由于玻璃微管道为锥形，当微管被紧紧插人连接器时，即被放射状的约束力控制，连接器形成同轴压缩力，这种力可以保证毛细管在正常使用压力下不会漏气，最外端用聚酞亚胺胶密封保证彻底不泄漏;基板图形如图3所示，基板各支管之间的角度与微连接管的角度相同。基板的作用是将微反应管道固定在其中，上面键合一层薄薄的盖板，即所谓的“三明治”微反应器结构，并得到相同形状的盖板，在盖板开3个1mm直径的进样孔。基板上的流道加工完毕之后，将连接好的微反应器管嵌人基板，使玻璃微管与基板上的槽道相吻合，用粘结剂粘结使之完全固定在基板上，成为一体，基板流道的加工深度略大于玻璃微管的外径，最后将盖板与基板进行热键合。

图2 PMMA微连接器

图3 PMMA基板图

2 微反应器的试验研究

将微反应器安装在微流体二维工作台上，从3个进样孔分别加人不同的反应溶剂，给工作台施加X方向和Y方向的驭动力，系统采用压电驱动方式。图4a为微反应器的反应机理示意图，以硫氰酸钾KSCN和三氯化铁的反应为例验证微反应器的效果。A管道通入KSCN溶液，B管道为棕黄色的三氯化铁溶液，未加驱动时KSCN溶液和三氯化铁溶液分别在A、B管中静止，当分别交替施加X向和Y向的驱动力，在显微镜下观察到在混合区域发生了颜色的变化，即KSCN液滴与三氯化铁溶液相遇，在3：1的摩尔配比下，生成了血红色的硫氰化铁Fe(SCN)3溶液，生成物随之进人C管道中，并沿X方向流动，持续施加X方向驱动力，C管道的外端喷嘴会有液体喷出，将反应生成物收集在无色的香柏油中，由于水油不相容原理，溶液在香柏油中团聚成为红色的微颗粒，颗粒大小为100μm左右，图4b所示为喷射出的反应液滴颗粒。

图4 微反应原理不薏图及反应生成物

此化学反应表明，以玻璃微制造为基础的微反应器加工制作简单，组装方式灵活。同时微流体的数字化驱动方式为实现微化学反应提供了保证。

3 结语

本文提出了玻璃微制造与PMMA的激光加工有机结合，制备微化学反应器的新方法。通过玻璃微制造技术制作微反应器，结构简单，无需复杂的微加工技术，制造费用较低。玻璃具有优良的微细加工性能，且圆形玻璃微流道表面光滑流畅，所需驱动力小，化学性能稳定，不易被化学试剂腐蚀，容易进行疏水疏油等表面特性处理。试验表明，该反应器可以用于不同性质流体的微操作。

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微反应器的制备与试验研究

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