微流控技术可控制备微米级纤维材料的基础研究

The development of novel material fabrication technology is significant for material science and modern high technology. As a new platform for the material preparation, microfluidic technology shows its specific advantages in the preparation of materials with controllable shape, size and micro-structures. The aim of this project is to enrich the basic theories for microfluidics and develop novel methods for functional material preparation. Starting from the fundamental of core-annular microfluidic flow, the mechanism and rules for the micro-scale fiber material preparation based on core-annular microfluidic flow will be studied in this project. Firstly, we will do research on the control of core-annular flow and the influence of interfacial mass transfer and chemical reaction on the interface stability. Mathematic model will be established to describe the flow. On the basis of microfluidic flow research, the influence of flow, mass transfer and reaction on the dimension, morphology and structure will be studied and novel methods for the design and controllable preparation of micro-scale fiber material will be developed.

发展新的材料制备工艺对于材料科学与现代高新技术的发展有重要意义，微流控技术作为一种新型的材料制备技术平台，在构建形貌、尺寸以及微结构精确可控的材料方面具有独特的优势。本课题以丰富微尺度流动基本理论和发展功能材料的制备新方法为目标，从微尺度同轴层状流动的基本规律研究出发，探索微尺度同轴层状流制备微米级纤维材料的基本调控规律。首先，研究微尺度同轴层状流动的可控调节规律，以及界面传质与反应过程对界面稳定性的影响规律，建立相关数学模型；其次，以流动研究为基础，系统研究流动、传质与反应对纤维材料的尺寸、形貌与结构的影响规律，发展微米级纤维材料的设计和可控制备的新方法和新工艺。

科学技术的飞速发展对材料制备工艺提出了越来越高的要求，促使人们研究和发展构建尺寸、形貌、结构精确可控并具有良好可设计性的微米级材料的制备方法。微流控技术由于具有优异的界面控制能力和良好的可设计性，在满足上述要求方面显示出明显的优越性，已成为一个崭新的材料制备平台。然而，目前基于微流控平台制备材料的研究主要集中于利用分散流制备颗粒材料，而利用层状流制备纤维材料的相关研究报道相对较少。本项目主要围绕这一问题展开研究。.利用微流控技术制备纤维材料的物理基础是微尺度层状流动。我们针对液—液两相流动体系以及液—液—液三相流动体系在同轴环管型微通道中的流动行为进行了系统的研究，得到了多种不同的流型，并利用无因次准数对流型进行了划分，分析了不同因素对流型的影响，掌握了层状流动的调控范围与规律，并建立了理论模型对流体的特征尺寸进行预测，为纤维材料的制备提供了基础。由于多相流动的复杂性，我们为了能够更准确的预测流体行为，在实验研究的基础上还开展了计算流体力学模拟（CFD）研究，成功得到了滴流、射流与同轴层状流等三种不同流型，模拟结果与实验结果符合良好。在流动研究的基础上，结合不同的固化方法制备了纤维材料，并通过控制通道结构、体系物性、流体流速、固化位置等方式实现了对纤维材料形貌与结构的调控，得到了多种各向同性与各向异性的纤维材料。本项目发展了微米级纤维材料的设计和可控制备的新方法和新工艺，对于材料科学与现代高新技术的发展都具有重要的推动意义。