傅宥銥, 張 偉, 陳 強(qiáng), 易 勇, 張占文

基于液滴微流控技術(shù)的復(fù)合乳粒形貌調(diào)控

傅宥銥1,2, 張 偉1, 陳 強(qiáng)1, 易 勇2, 張占文1

(1. 中國工程物理研究院 激光聚變研究中心, 四川 綿陽 621900;2. 西南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 綿陽 621010)

針對(duì)復(fù)合乳粒形貌結(jié)構(gòu)難以精確調(diào)控的問題，提出一種基于微流控技術(shù)的“兩步法”同軸乳粒發(fā)生裝置來實(shí)現(xiàn)復(fù)合乳粒尺寸形貌精確制備的方法。研究三相流體的體積流量對(duì)復(fù)合乳粒尺寸及內(nèi)液滴數(shù)目的影響規(guī)律，并依據(jù)流體流量與液滴體積之間的質(zhì)量守恒，實(shí)現(xiàn)復(fù)合乳粒內(nèi)液滴數(shù)目的精準(zhǔn)預(yù)測；通過復(fù)合乳粒內(nèi)液滴數(shù)目的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)復(fù)合乳粒形貌結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，并獲得乳粒形貌關(guān)于三相流體體積流量的流型圖。結(jié)果表明：三相流體體積流量會(huì)直接影響復(fù)合乳粒的形貌結(jié)構(gòu)。復(fù)合乳粒外徑、內(nèi)液滴數(shù)目與外相體積流量負(fù)相關(guān)，內(nèi)徑與內(nèi)相和中間相體積流量的比值正相關(guān)；且內(nèi)、中兩相體積流量比值越小，乳粒形貌越趨于球形。

微流控；兩步法；復(fù)合乳粒；形貌調(diào)控

1 前言

復(fù)合乳粒是一種復(fù)雜的多層嵌套體系，在乳粒中包含更小的乳粒，由于復(fù)合乳粒具有體系封閉、大小均勻、內(nèi)部結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在藥物傳遞與運(yùn)輸[1]、化妝品行業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[2-3]表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。隨著復(fù)合乳粒應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?fù)合乳粒尺寸、形貌要求逐漸嚴(yán)格。例如，球形水-油-水復(fù)合乳粒可被用于激光慣性約束聚變[4](inter confinement fusion, ICF)靶用聚合物微球的制備及球形光子晶體的制備；異形復(fù)合乳粒因特殊的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)而被用于多功能微顆粒的制備。例如，在藥物運(yùn)輸中，異形復(fù)合乳?？纱鎯?chǔ)較球形復(fù)合乳粒更多的封裝材料，并可通過收縮來促進(jìn)封裝材料的輸送與傳遞[5]；此外，在材料制備領(lǐng)域，異形復(fù)合乳粒體系為構(gòu)建新型多孔吸附材料[6]提供優(yōu)良模板。因此，實(shí)現(xiàn)復(fù)合乳粒尺寸、形貌結(jié)構(gòu)的精確控制是滿足復(fù)合乳粒多功能應(yīng)用的前提。隨著乳粒應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，乳粒的制備方法也在不斷完善。在傳統(tǒng)制備方法中，攪拌法[7]、界面聚合法[8-9]及噴霧法[10-11]均可實(shí)現(xiàn)復(fù)合乳粒的高通量制備，但這些方法制備的乳粒尺寸、形貌結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控。液滴微流控技術(shù)[12-14]因具有優(yōu)良的微流體操控能力在乳粒制備中倍受青睞，該技術(shù)在微尺度空間內(nèi)精確操控多相流體的流動(dòng)與分散，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合乳粒尺寸、形貌結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)的不同，將微流控通道分為雙T型微通道[15]、流動(dòng)聚焦微通道[16]、同軸共流微通道[12,17]，雙T型微通道由2個(gè)T型通道串聯(lián)而成，乳粒在交叉口被錯(cuò)流剪切而產(chǎn)生，且通道每一級(jí)管道需經(jīng)過相應(yīng)的表面改性處理。流動(dòng)聚焦微通道是在T型通道基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，因其頸部具有剪切聚焦功能而適合制備小尺寸乳粒，外相流體環(huán)繞四周對(duì)內(nèi)、中流量流體進(jìn)行均勻剪切。同軸共流微通道中外相與內(nèi)、中流量流體平行流動(dòng)，均勻剪切，乳粒受力均勻，產(chǎn)生穩(wěn)定，裝置搭建簡單靈活，可多級(jí)組裝，對(duì)制備單分散性復(fù)合乳粒有很好的應(yīng)用前景。而在同軸共流通道中，根據(jù)中間相與外相管道末端的相對(duì)位置，分為“一步法”和“兩步法”通道[18]。其中，在“一步法”通道制備乳粒時(shí)，內(nèi)相和中間相同時(shí)被外相剪切，一次性生成復(fù)合乳粒，存在兩個(gè)界面，界面演化行為更加復(fù)雜；在“兩步法”通道中，復(fù)合乳粒分兩步產(chǎn)生，中間相剪切內(nèi)相流體形成內(nèi)液滴，內(nèi)液滴隨中間相流動(dòng)，進(jìn)一步在外相對(duì)中間相的剪切作用下形成復(fù)合乳粒。在已有研究中，Chu等[17]利用組裝的同軸共流式微通道制備球形復(fù)合乳粒，通過調(diào)節(jié)體積流量及通道的多級(jí)結(jié)構(gòu)制備出含不同內(nèi)液滴數(shù)目的球形復(fù)合乳粒；Shao等[18]采用“一步法”和“兩步法”的同軸乳粒發(fā)生器，綜合研究了流體體積流量對(duì)球形復(fù)合乳粒尺寸的影響規(guī)律及其變化機(jī)理，并發(fā)現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)的微小差異會(huì)導(dǎo)致乳粒形成機(jī)制和尺寸控制規(guī)律的顯著差異；Xu等[19]采用雙同軸微流控通道系統(tǒng)研究了三相體積流量對(duì)微氣泡、乳粒大小和內(nèi)液滴數(shù)目的影響。Weitz等[5]以玻璃毛細(xì)管微流控裝置制備的復(fù)合乳粒作為構(gòu)建單分散膠質(zhì)體的模板，并發(fā)現(xiàn)異形乳粒比球形乳粒聚集的密度更大，且后續(xù)操作中異形膠囊可存儲(chǔ)更多的封裝材料。具有特殊分層結(jié)構(gòu)的復(fù)合乳粒被廣泛應(yīng)用于多孔材料的制備及油水分離[20]領(lǐng)域。然而，目前在復(fù)合乳粒的微流控構(gòu)建研究中，多數(shù)研究集中在球形乳粒產(chǎn)生機(jī)理、尺寸調(diào)控及應(yīng)用拓展方面，關(guān)于復(fù)合乳粒形貌結(jié)構(gòu)調(diào)控規(guī)律的研究仍然缺乏。

為實(shí)現(xiàn)水-油-水復(fù)合乳粒尺寸、形貌結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控并獲得乳粒形貌的變化規(guī)律，本研究采用“兩步法”同軸共流式乳粒發(fā)生裝置開展乳粒形貌調(diào)控研究。通過研究各相體積流量對(duì)復(fù)合乳粒內(nèi)外徑尺寸及內(nèi)液滴數(shù)目的影響，依據(jù)流體體積流量與液滴體積之間的質(zhì)量守恒，實(shí)現(xiàn)內(nèi)液滴數(shù)目的精準(zhǔn)預(yù)測及調(diào)控；通過調(diào)控復(fù)合乳粒內(nèi)液滴尺寸及數(shù)目，實(shí)現(xiàn)水-油-水復(fù)合乳粒的形貌結(jié)構(gòu)的精確控制。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 “兩步法”同軸毛細(xì)管微通道實(shí)物圖及示意圖

該裝置的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的同軸性，三相流體從同一方向進(jìn)入，平行流動(dòng)，外相流體對(duì)內(nèi)、中流體均勻剪切，乳粒受力均勻，產(chǎn)生穩(wěn)定。通道搭建簡單靈活，易于操作。采用不同操作條件對(duì)水-油-水復(fù)合乳粒內(nèi)外徑尺寸及內(nèi)液滴數(shù)目進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水-油-水復(fù)合乳粒的形貌結(jié)構(gòu)的精確可控制備。

2.2 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

2.3 乳粒的制備

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的PVA水溶液、體積分?jǐn)?shù)為1% HMPP和ETPTA混合溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% PVA水溶液分別作為內(nèi)、中、外三相流體，依次裝入5、5、50 mL的注射器并固定在注射泵上，將搭建好的發(fā)生器垂直固定在鐵架臺(tái)上，用管道連接。通過調(diào)節(jié)三相體積流量來調(diào)控復(fù)合乳粒形貌結(jié)構(gòu)，收集不同體積流量下制備的復(fù)合乳粒并置于高精度光學(xué)顯微鏡下觀測分析，如圖2所示(所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行)。

圖2 同軸乳粒發(fā)生器制備復(fù)合乳粒示意圖

3 結(jié)果與討論

通過改變?nèi)嗔黧w的體積流量制備不同形貌結(jié)構(gòu)的復(fù)合乳粒。研究三相流體的體積流量對(duì)復(fù)合乳粒內(nèi)外徑尺寸的影響規(guī)律，再通過調(diào)控內(nèi)外徑尺寸控制內(nèi)液滴數(shù)目，進(jìn)一步對(duì)復(fù)合乳粒的形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，最后得到內(nèi)含不同液滴數(shù)目的球形及異形復(fù)合乳粒。

3.1 三相體積流量對(duì)復(fù)合乳粒內(nèi)外徑尺寸的影響

在通道尺寸結(jié)構(gòu)及三相溶液條件固定情況下，乳粒內(nèi)外徑尺寸主要取決于三相流體的體積流量。如圖3所示為“兩步法”制備乳粒過程中，三相體積流量對(duì)復(fù)合乳粒內(nèi)外徑尺寸的影響。探討了當(dāng)內(nèi)、中兩相體積流量之和(qd=q1+q2= 1 mL×h-1)恒定不變時(shí)，乳粒內(nèi)徑尺寸隨外相體積流量q3的變化趨勢，以及當(dāng)外相體積流量不變，乳粒外徑尺寸隨內(nèi)、中兩相體積流量比值q1/q2變化的趨勢。

如圖3(a)所示，當(dāng)內(nèi)、中兩相體積流量之和(qd=q1+q2=1 mL×h-1)恒定，且q1/q2不變時(shí)，復(fù)合乳粒內(nèi)徑與外相體積流量幾乎無關(guān)；縱向來看，當(dāng)外相體積流量不變，復(fù)合乳粒內(nèi)徑隨q1/q2的增大而增大，根據(jù)流體流量與液滴體積的質(zhì)量守恒關(guān)系，當(dāng)內(nèi)相體積流量增大，內(nèi)液滴體積增大，進(jìn)而內(nèi)徑增大。從圖3(b)可知，當(dāng)外相體積流量恒定時(shí)，乳粒外徑與內(nèi)、中兩相體積流量比值幾乎無關(guān)；縱向來看，當(dāng)內(nèi)、中兩相體積流量比值恒定時(shí)，復(fù)合乳粒外徑隨外相體積流量增大而減小，外相體積流量增大，對(duì)乳粒的剪切力增大，因此外徑尺寸減小。在此規(guī)律下，改變?nèi)囿w積流量可調(diào)控復(fù)合乳粒內(nèi)外徑尺寸，同時(shí)調(diào)控壁厚大小，得到不同尺寸的復(fù)合乳粒。

圖3 三相體積流量對(duì)復(fù)合乳粒內(nèi)外徑尺寸的影響

3.2 三相體積流量對(duì)乳粒內(nèi)液滴數(shù)目的影響

基于三相體積流量對(duì)復(fù)合乳粒內(nèi)外徑尺寸的影響規(guī)律，進(jìn)一步對(duì)內(nèi)液滴數(shù)目進(jìn)行調(diào)控。如圖4所示為乳粒產(chǎn)生過程中，qd=q1+q2不同，q1/q2相同時(shí)，內(nèi)液滴數(shù)目隨外相體積流量的變化規(guī)律，以及內(nèi)、中兩相體積流量之和相同，比值不同時(shí)內(nèi)液滴數(shù)目隨外相體積流量的變化規(guī)律。

圖4 內(nèi)液滴數(shù)目隨外相體積流量的變化規(guī)律

圖4(a)、(b)、(c)表示復(fù)合乳粒產(chǎn)生過程中，內(nèi)、中體積流量之和分別等于1、3、5 mL×h-1，內(nèi)、中體積流量之比均等于1時(shí)內(nèi)液滴數(shù)目隨外相體積流量的變化規(guī)律。當(dāng)內(nèi)、中兩相體積流量之比恒定不變，內(nèi)液滴數(shù)目隨外相體積流量的增大而減??；但內(nèi)、中兩相體積流量之和的大小對(duì)內(nèi)液滴數(shù)目影響不大。圖4(d)、(e)、(f)為復(fù)合乳粒產(chǎn)生過程中，內(nèi)、中兩相體積流量之和恒定為5 mL×h-1，內(nèi)、中兩相體積流量之比分別等于0.25、1、4時(shí)內(nèi)液滴數(shù)目隨外相體積流量的變化規(guī)律。當(dāng)內(nèi)、中兩相體積流量之和恒定不變時(shí)，內(nèi)液滴數(shù)目隨外相體積流量的增大而減小；當(dāng)內(nèi)、中兩相體積流量比值增大，內(nèi)液滴數(shù)目隨之減小。當(dāng)復(fù)合乳粒內(nèi)徑減小，外徑增大時(shí)，內(nèi)液滴數(shù)目增多。由此可知，內(nèi)液滴數(shù)目的調(diào)控依據(jù)是乳粒內(nèi)外徑尺寸的大小關(guān)系。因此，通過研究三相流體體積流量對(duì)復(fù)合乳粒內(nèi)外徑尺寸影響規(guī)律，得到三相體積流量與內(nèi)液滴數(shù)目的關(guān)系如圖5所示。利用通道內(nèi)徑對(duì)復(fù)合乳粒尺寸歸一化，由此得到的歸一化后的乳粒尺寸變化規(guī)律在不同通道中具有普適性，得到12與q1/q2、2/3與q3的線性關(guān)系圖。

圖5(a)、(b)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的線性趨勢，黑色實(shí)線是最佳擬合直線，圖5(a)中擬合直線斜率1和截距1分別為0.402 95、0.864 16，圖5(b)擬合直線斜率2和截距2分別為-8.918 9×10-4、1.005 29，方程分別為

(2)

根據(jù)流體體積流量q與液滴體積(為液滴直徑)之間的質(zhì)量守恒關(guān)系，可計(jì)算出一定時(shí)間內(nèi)，液滴的形成個(gè)數(shù)，即式(3)。1和2分別為內(nèi)液滴與外液滴的形成個(gè)數(shù)，通過內(nèi)液滴與外液滴個(gè)數(shù)比得到式(4),代入擬合結(jié)果(1)、(2)，得到式(5)，由式(5)預(yù)測內(nèi)液滴數(shù)目，同時(shí)與實(shí)驗(yàn)值比較，得到圖5(c)。

3.3 三相體積流量對(duì)乳粒形貌結(jié)構(gòu)(球形與異形)的影響

通過調(diào)控三相體積流量達(dá)到對(duì)乳粒內(nèi)外徑尺寸及內(nèi)液滴數(shù)目的調(diào)控，進(jìn)一步地，可對(duì)復(fù)合乳粒的形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，得到球形與異形復(fù)合乳粒。通過光學(xué)顯微鏡Keyence觀察到，復(fù)合乳粒除了呈現(xiàn)常見的球形，在某些體積流量條件下制備乳粒呈現(xiàn)出異形。乳粒流出通道被收集于裝有2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))PVA水溶液的表面皿中，且在未進(jìn)行固化操作的情況下，復(fù)合乳粒呈現(xiàn)異形，內(nèi)液滴數(shù)目至少為2。如圖6所示為復(fù)合乳粒形貌相圖及顯微鏡觀測圖，由圖6(a)可知，當(dāng)外相體積流量高于200 mL×h-1，復(fù)合乳?；局缓粋€(gè)內(nèi)液滴（簡稱“一包一”），即：外相體積流量低于200 mL×h-1，乳粒才有可能呈現(xiàn)異形。而對(duì)于包含多個(gè)內(nèi)液滴的乳粒來說，乳粒呈球形或異形主要取決于內(nèi)液滴的大小，例如，大液滴中包含2個(gè)小液滴（簡稱“一包二”），當(dāng)2個(gè)小液滴直徑之和小于大液滴的直徑，大液滴能夠?qū)⑿∫旱瓮耆谄鋬?nèi)，則整個(gè)乳粒呈現(xiàn)出球形，反之，乳粒呈異形。

圖6 復(fù)合乳粒形貌相圖及顯微鏡觀測圖(標(biāo)尺均為500 μm)

圖6(a)中圓形實(shí)心區(qū)域?yàn)榍蛐稳榱^(qū)域，對(duì)應(yīng)圖6(c)中i、ii、iii乳粒圖片，分別為含不同內(nèi)液滴個(gè)數(shù)的球形乳粒；空心三角形區(qū)域?yàn)楫愋稳榱^(qū)域，對(duì)應(yīng)圖片iv、v、vi，代表3種不同形貌結(jié)構(gòu)的異形乳粒，分別為厚壁θ型異形乳粒、薄壁θ型異形乳粒和Δ型異形乳粒。圖6(b)為異形乳粒相圖，由圖6(a)中空心三角形區(qū)域細(xì)化而來，不同形狀的符號(hào)代表不同形貌結(jié)構(gòu)的異形乳粒，具體形貌與圖6(d)對(duì)應(yīng)。由圖6(a)可知，外相在高體積流量下(≥300 mL×h-1)，不論內(nèi)、中體積流量比值大小如何，均產(chǎn)生球形乳粒，這是由于高體積流量下剪切力增加，外相對(duì)于中間相的剪切使乳?？焖倜撀洌藭r(shí)內(nèi)液滴形成速度較慢，復(fù)合乳粒至多包含1個(gè)內(nèi)液滴，因此乳粒只能呈現(xiàn)球形狀；另外，當(dāng)內(nèi)、中體積流量比值小于0.25時(shí)，即內(nèi)相體積流量很小，中間相體積流量大，流動(dòng)快，此時(shí)內(nèi)液滴體積小，能夠以球形乳粒存在于中間相之中，不論外相體積流量高低，此時(shí)產(chǎn)生的乳粒均為球形乳粒；而對(duì)于異形乳粒，圖6(b)中大致表明內(nèi)、中體積流量比值為0.5～2.0，且外相體積流量為0～200 mL×h-1時(shí)均為異形乳粒，圖6(d)詳細(xì)展示了不同形貌結(jié)構(gòu)的異形乳粒：首先，實(shí)心符號(hào)為過渡區(qū)域，實(shí)心三角形既包含球形也包含異形乳粒，實(shí)心圓形是一包二和一包三的過渡，實(shí)心五角星為一包三和一包四的過渡；空心符號(hào)代表只有一種形貌結(jié)構(gòu)的乳粒(即：對(duì)應(yīng)體積流量下穩(wěn)定產(chǎn)生同種形貌結(jié)構(gòu)的復(fù)合乳粒)?？招恼叫?、圓形、三角形分別為薄壁θ型、厚壁θ型及Δ型異形乳粒。3種不同形貌結(jié)構(gòu)乳?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)三相體積流量得到。可見要得到內(nèi)液滴數(shù)目較多的異形乳粒，外相體積流量要低(≤200 mL×h-1)，且內(nèi)、中體積流量比值在1～2。

4 結(jié)論

本研究采用實(shí)驗(yàn)室自制同軸乳粒發(fā)生器來制備復(fù)合乳粒。該裝置搭建簡單靈活，可根據(jù)需求更換不同尺寸的通道。采用“兩步法”制備具有高單分散性的水-油-水復(fù)合乳粒，制備出內(nèi)含不同液滴數(shù)目的球形及異形復(fù)合乳粒。重點(diǎn)研究了三相體積流量對(duì)復(fù)合乳粒內(nèi)外徑尺寸及內(nèi)液滴數(shù)目的影響規(guī)律，并依據(jù)流體流量與液滴體積之間的質(zhì)量守恒關(guān)系，實(shí)現(xiàn)內(nèi)液滴數(shù)目的精準(zhǔn)預(yù)測；進(jìn)一步通過對(duì)復(fù)合乳粒內(nèi)液滴數(shù)目的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)水-油-水復(fù)合乳粒形貌結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，并獲得乳粒形貌關(guān)于三相體積流量的流型圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：外相體積流量與復(fù)合乳粒外徑成反比，但對(duì)乳粒內(nèi)徑幾乎無影響；當(dāng)外相恒定，隨著內(nèi)相與中間相體積流量比值的增加，復(fù)合乳粒內(nèi)徑也隨之增加；當(dāng)內(nèi)相、中間相體積流量恒定時(shí)，外相體積流量越小(50 mL×h-1)，制備的復(fù)合乳粒中包含的內(nèi)液滴數(shù)目越多(=4)，外相體積流量越大(400 mL×h-1)，復(fù)合乳粒中包含的液滴數(shù)目越少(=0)，乃至有實(shí)心乳粒的形成；當(dāng)外相體積流量恒定，內(nèi)、中兩相體積流量比值越小，復(fù)合乳粒形貌越趨于球形，反之，復(fù)合乳粒形貌越趨于異形。本研究分析了三相體積流量對(duì)乳粒制備的內(nèi)外徑尺寸、內(nèi)液滴數(shù)目及乳粒形貌的影響規(guī)律，為微流控技術(shù)中“兩步法”同軸共流式可控制備復(fù)合乳粒提供了參考，豐富了復(fù)合乳粒的可控制備的基本物理特性研究。

[1] VASILJEVIC D, PAROJCIC J, PRIMORAC M,. An investigation into the characteristics and drug release properties of multiple W/O/W emulsion systems containing low concentration of lipophilic polymeric emulsifier [J]. International Journal of Pharmaceutics, 2006, 309(1/2): 171-177.

[2] 劉文麗, 焦緯洲, 劉有智, 等. W/O/W型多重乳液的穩(wěn)定性和應(yīng)用研究進(jìn)展 [J]. 日用化學(xué)工業(yè), 2012(5): 366-370.

LIU W L, JIAO W Z, LIU Y Z,. Research progress on stability and application of W/O/W type multiemulsion [J]. Chemical Industry for Daily Use, 2012(5): 366-370.

[3] 王鍇, 李浩, 高崢, 等. 雙重乳液的微流控制備進(jìn)展 [J]. 化工進(jìn)展, 2016, 35(S2): 24-31.

WANG K, LI H, GAO Z,. Progress in microfluidic control of double emulsions [J]. Chemical Progress, 2016, 35(S2): 24-31.

[4] 張杰. 淺談慣性約束核聚變 [J]. 物理, 1999, 28(3): 142-152.

ZHANG J. A brief talk on inertial confinement fusion [J]. Physics, 1999, 28(3): 142-152.

[5] LEE D, WEITZ D A. Nonspherical colloidosomes with multiple compartments from double emulsions [J]. Small, 2010, 5(17): 1932-1935.

[6] ZHANG M J, WANG W, YANG X L,. Uniform microparticles with controllable highly interconnected hierarchical porous structures [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7(25): 13758-13767.

[7] GARTI N. Double emulsions-scope, limitations and new achievements [J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 1997, 123: 233-246.

[8] ZHANG F, JIANG X, ZHU X,. Preparation of uniform and porous polyurea microspheres of large size through interfacial polymerization of toluene diisocyanate in water solution of ethylene diamine [J]. Chemical Engineering Journal, 2016, 303: 48-55.

[9] ESSER-KAHN A P, ODOM S A, SOTTOS N R,. Triggered release from polymer capsules [J]. Macromolecules, 2011, 44(14): 5539-5553.

[10] TEIXEIRA M I, ANDRADE L R, FARINA M,. Characterization of short chain fatty acid microcapsules produced by spray drying [J]. Materials Science and Engineering: C, 2004, 24(5): 653-658.

[11] ZUO J, ZHAN J, LUO C,. Characteristics and release property of polylactic acid/sodium monofluorophosphate microcapsules prepared by spray drying [J]. Advanced Powder Technology, 2017, 28(11): 2805-2811.

[12] WANG W, XIE R, JU X J,. Controllable microfluidic production of multicomponent multiple emulsions [J]. Lab on a Chip, 2011, 11(9): 1587-1592.

[13] WHITESIDES G M. The origins and the future of microfluidics [J]. Nature, 2006, 442(7101): 368-373.

[14] SHANG L, CHENG Y, ZHAO Y J. Emerging droplet microfluidics [J]. Chemical Reviews, 2017, 117(12): 7964-8040.

[15] OKUSHIMA S, NISISAKO T, TORII T,. Controlled production of monodisperse double emulsions by two-step droplet breakup in microfluidic devices [J]. Langmuir the ACS Journal of Surfaces & Colloids, 2004, 20(23):9905-9908.

[16] UTADA A S, LORENCEAU, WEITZ D A,. Monodisperse double emulsions generated from a microcapillary device [J]. Science, 2005, 308(5721): 537-541.

[17] CHU L Y, UTADA A S, SHAH R K,. Controllable monodisperse multiple emulsions [J]. Angewandte Chemie-International Edition, 2007, 46(47): 8970-8974.

[18] SHAO T, FENG X, JIN Y,. Controlled production of double emulsions in dual-coaxial capillaries device for millimeter-scale hollow polymer spheres [J]. Chemical Engineering Science, 2013, 104: 55-63.

[19] XU J H, CHEN R, WANG Y D,. Controllable gas/liquid/liquid double emulsions in a dual-coaxial microfluidic device [J]. Lab on a Chip, 2012, 12(11): 2029-2036.

[20] WANG J, SHANG L, CHENG Y,. Microfluidic generation of porous particles encapsulating spongy graphene for oil absorption[J]. Small, 2015, 11(32): 3890-3895.

Morphology control of composite emulsion based on droplet microfluidic technology

FU You-yi1,2, ZHANG Wei1, CHEN Qiang1, YI Yong2, ZHANG Zhan-wen1

(1. Research Center of Laser Fusion, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China;2. School of Materials Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010, China)

Precise control of morphology and structure of composite emulsion has been widely studied. A "two-step" coaxial capillary emulsion generator based on microfluidic technology was proposed for accurate preparation of composite emulsion. Effects of volume flow rate of three-phase fluid on composite emulsion size and innermost droplet number were studied. The number of innermost droplets can be deduced accurately using the mass balance relationship between fluid flow rate and droplet volume. Furthermore, precise regulation of composite emulsion morphology was realized by controlling the number of innermost droplets, and the flow pattern diagram of emulsion morphology relevant to the three-phase rates was obtained. The results show that volume flow rate of three-phase fluid directly affects morphology and structure of the composite emulsion. The external diameter and the number of innermost droplets show a negative coefficient with the volume flow rate of the external phase, while the inner diameter shows a positive coefficient with the ratio of the volume flow rate of the inner phase and middle phase. Moreover, the morphology turned spherical with smaller volume flow ratio between inner phase and middle phase.

microfluidic; two-step; composite emulsion; morphology control

TB383；O6-339

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2022.03.014

1003-9015(2022)03-0419-07

2021-04-15；

2021-07-28。

國家自然科學(xué)基金(22002145，15703212)。

傅宥銥(1995-)，女，四川綿陽人，西南科技大學(xué)碩士生。

張占文，E-mail：bjzzw1973@163.com

傅宥銥, 張偉, 陳強(qiáng), 易勇, 張占文. 基于液滴微流控技術(shù)的復(fù)合乳粒形貌調(diào)控[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào), 2022, 36(3): 419-425.

：FU You-yi, ZHANG Wei, CHEN Qiang, YI Yong, ZHANG Zhan-wen. Morphology control of composite emulsion based on droplet microfluidic technology[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2022, 36(3): 419-425.