亲疏水图案化基底环流微通道反应器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种亲疏水图案化基底环流微通道反应器及其制备方法，所述反应器包含并排设置的第一区域和微通道区，所述第一区域和微通道区连通；所述第一区域，包括依次间隔设置的第一亲水区和疏水区；沿液体流动方向，所述第一亲水区的尺寸逐渐变小；所述微通道区，包括依次间隔设置的微墙和流体通道区，所述第一亲水区和疏水区均与流体通道区相连通；所述流体通道区的表面还设有纳米催化剂层和/或生物酶；液体在所述第一区域和微通道区流通时，呈环流状。本发明专利技术的技术简单快捷，灵活易用，适用于多种催化反应和多种形态反应釜，便于大规模生产。催化反应的小型化和高效率，使其在安全化工、绿色化工、高效化工行业都具有很强的应用价值。应用价值。应用价值。

【技术实现步骤摘要】
亲疏水图案化基底环流微通道反应器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种微通道反应器，具体地，涉及一种亲疏水图案化基底环流微通道反应器及其制备方法。

技术介绍

[0002]化学反应中，反应液的不完全混合与低效率的催化过程，浪费大量的时间和能源。催化剂周围存在反应活性层，活性层内的反应物可发生反应。液相催化反应过程为：反应物的扩散、反应物吸附于催化剂表面、催化反应产生生成物、生成物从催化剂表面脱附、生成物的扩散。一般的化工催化反应过程中，反应物与生成物的扩散和吸脱附常常需要较长的时间(20
‑
60分钟)，反应物与催化剂之间存在一定的距离，许多反应物分子需要“排队”等待参与反应。因此，若能缩短“距离”和减少“等待时间”，能够极大提高反应效率。
[0003]微流控(Microfluidics)指的是使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体(体积为纳升到微升)的系统所涉及的科学和技术，是一门涉及化学、流体物理、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。流体在微流控的微通道中的行为与其在宏观尺度通道中不同，这些流体行为(现象)不仅是微流控的重要特征和标志，还是方便、独特的技术手段。主要的流体现象有层流和液滴行为操控。借助这些独特的流体现象，微流控可以实现一系列常规方法所难以完成的微加工和微操作。通过微流控的方法，可以有效缩短反应物与催化剂之间的“距离”，和减少反应物的“等待时间”，能够极大提高反应效率。
[0004]传统的制备微流控的所用的微通道的方法多为激光刻蚀法、3D打印法、原子层沉积法等，这些方法快速、准确制备可控的微纳米结构，对功能材料的器件化应用具有十分重要的意义。但是这些方法的成本较高、耗时较长，如激光刻蚀法(包括掩模版制备与蚀法刻蚀)制备微纳米结构，需要花费数周的时间，同时涉及到使用光刻胶这种环境污染性较大的物质。划片法是一种成本低廉，快速(根据结构复杂程度耗时1
‑
5小时)，且无污染的制备微纳结构的方法，精度可达(20
±
5)微米，满足大多数微纳结构加工的要求。
[0005]近年来，微模板纳米印刷技术能够实现多重功能材料的跨尺度印刷制造，并应用在可穿戴电子、柔性显示、微纳线路等领域。采用微模板印刷调控功能材料液滴与自组装相结合的方式，利用微模板上的特征图案结构诱导有序收缩成型，促使最终印刷组装的微纳图案特征尺寸可远小于微模板上的特征图案。是一种有效的微纳材料加工方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的之一是提供一种亲疏水图案化基底环流微通道反应器，在微通道反应器的进口端设置微米级亲疏水区域，通过亲疏水区域差异，分割进口液滴，利用毛细力作用将液滴吸入微通道区内，引发微通道区内液体的流动，并形成多通道间环流，提高流速。
[0007]本专利技术的技术方案为：
[0008]一种亲疏水图案化基底环流微通道反应器，所述反应器包含并排设置的第一区域和微通道区，所述第一区域和微通道区连通；
[0009]所述第一区域，包括依次间隔设置的第一亲水区和疏水区；沿液体流动方向，所述第一亲水区的尺寸逐渐变小；
[0010]所述微通道区，包括依次间隔设置的微墙和流体通道区，所述第一亲水区和疏水区均与流体通道区相连通；所述流体通道区的表面还设有纳米催化剂层和/或生物酶；
[0011]液体在所述第一区域和微通道区流通时，呈环流状。
[0012]本专利技术所述的反应器无需外加压力泵，在微通道区的前端，第一亲水区和疏水区对注入的液滴进行分割，利用纳米催化剂和/或生物酶的毛细力作用将液体吸入流体通道区内，利用亲疏水区域差异和溶剂蒸发驱动，使液体在反应器内定向环流。
[0013]本专利技术中，第一亲水区的尺寸逐渐变小是指液体在朝向微通道区铺展时，液体铺展的横截面积越来越小。
[0014]根据本专利技术，所述反应器还包括第二区域，所述微通道区位于所述第一区域和第二区域之间，且所述第二区域为第二亲水区。
[0015]根据本专利技术，所述第一亲水区的形状为梯形结构。
[0016]根据本专利技术，所述第一区域包括至少一个进液区；所述进液区用于液体进入反应器。
[0017]优选地，所述进液区包括依次间隔设置的第一亲水区和疏水区。
[0018]根据本专利技术，所述第一区域还包括注液区，所述注液区与所述进液区并排设置，所述进液区靠近所述微通道区；所述注液区包括依次间隔设置的第一亲水区和疏水区。
[0019]优选地，所述进液区和所述注液区共同形成所述第一区域。
[0020]根据本专利技术，所述微通道区的长度大于所述注液区的长度大于等于所述进液区的长度。
[0021]根据本专利技术，所述纳米催化剂和/或生物酶的厚度为0.5
‑
5微米，优选为0.5
‑
2nm微米。
[0022]根据本专利技术，所述纳米催化剂的粒径为2nm～900nm。所述纳米催化剂可以但不限于是胶体微球、纳米颗粒(例如铂、金、银、铜、氧化锌、氧化铁、四氧化三铁、二氧化钛、二氧化硅、CdTe量子点等)、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种；或者选自以PS纳米微球或无极纳米球为核，核外包覆铂壳、金壳、银壳、铜壳、DNA分子、有机荧光分子(例如FITC、6
‑
羧酸荧光素、荧光素钠等)、功能性有机小分子(如维生素)或者功能高分子(聚酰亚胺膜、聚苯乙烯磺酸钠、聚氯乙烯膜、羧基化纤维素等)的核壳结构中的一种或几种。
[0023]所述的酶可以但不限于脂肪酶CAL
‑
b、胰蛋白酶、蔗糖磷酸化酶、氨基酰化酶、葡萄糖异构酶、锰过氧化物酶、漆酶、核酮糖
‑
1,5
‑
二磷酸羧化酶、α
‑
淀粉酶、脲酶、纤维素酶等中的一种或多种。
[0024]根据本专利技术，相邻微墙的中心间距小于100微米，例如可以为5微米、10微米、20微米、30微米、50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、99微米。
[0025]根据本专利技术，所述微墙的高度为15
‑
25微米，优选为25微米；所述微墙的平均宽度为10
‑
50微米，优选为20微米。其中，每一个微墙的平均宽度可以相同，可以不同。
[0026]根据本专利技术，所述微通道区的底面的材质和所述第一亲水区的材质相同或者不同，均选自亲水材料；所述疏水区的材质为疏水材料。所述亲水材料可以为在基底表面上接枝亲水性基团；所述亲水性基团例如为磺酸基、硫酸基、磷酸基、羧酸基、氨基、季铵基、羧酸
酯等；例如，所述疏水材料可以为在基底表面上接枝疏水性基团，所述疏水性基团例如为烃基，例如C1‑
20
烷基。
[0027]其中，所述第一亲水区是指在基底表面接枝亲水性基团形成的平面区域；所述疏水区是指在基底表面接枝疏水性基团形成的平面区域。
[0028]根据本专利技术，所述微墙的材质为聚二甲基硅氧烷、共聚酯、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚氯乙烯、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种亲疏水图案化基底环流微通道反应器，其特征在于，所述反应器包含并排设置的第一区域和微通道区，所述第一区域和微通道区连通；所述第一区域，包括依次间隔设置的第一亲水区和疏水区；沿液体流动方向，所述第一亲水区的尺寸逐渐变小；所述微通道区，包括依次间隔设置的微墙和流体通道区，所述第一亲水区和疏水区均与流体通道区相连通；所述流体通道区的表面还设有纳米催化剂层和/或生物酶；液体在所述第一区域和微通道区流通时，呈环流状。2.根据权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于，所述反应器还包括第二区域，所述微通道区位于所述第一区域和第二区域之间，且所述第二区域为第二亲水区。优选地，所述第一亲水区的形状为梯形结构。3.根据权利要求1
‑
2任一项所述的微通道反应器，其特征在于，所述第一区域包括至少一个进液区；所述进液区包括依次间隔设置的第一亲水区和疏水区。优选地，所述第一区域还包括注液区，所述注液区与所述进液区并排设置，所述进液区靠近所述微通道区；所述注液区包括依次间隔设置的第一亲水区和疏水区。优选地，所述进液区和所述注液区共同形成所述第一区域。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的微通道反应器，其特征在于，所述纳米催化剂和/或生物酶的厚度为0.5
‑
5微米，优选为0.5
‑
2nm微米。优选地，所述纳米催化剂的粒径为2nm～900nm；所述纳米催化剂可以但不限于是胶体微球、纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种；或者选自以PS纳米微球或无极纳米球为核，核外包覆铂壳、金壳、银壳、铜壳、DNA分子、有机荧光分子、功能性有机小分子或者功能高分子的核壳结构中的一种或几种。优选地，所述的酶可以但不限于脂肪酶CAL
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b、胰蛋白酶、蔗糖磷酸化酶、氨基酰化酶、葡萄糖异构酶、锰过氧化物酶、漆酶、核酮糖
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1,5
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二磷酸羧化酶、α
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淀粉酶、脲酶、纤维素酶等中的一种或多种。5.根据权利要求1
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4任一项所述的微通道反应器，其特征在于，所述微通道区的底面的材质和所述第一亲水区的材质相同或者不同，均选自亲水材料；所述疏水区的材质为疏水材料；所述亲水材料可以为在基底表面上接枝亲水性基团；所述亲水性基团为磺酸基、硫酸基、磷酸基、羧酸基、氨基、季铵基、羧酸酯；所述疏水材料可以为在基底表面上接枝疏水性基团，所述疏水性基团为烃基，为C1‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈炳达，谢岱希，苏萌，宋延林，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：