一种制作毛细管内部微液滴的装置
技术领域
本实用新型涉及微纳颗粒制造、微流道制造微纳液滴、3D打印等技术领域，具体涉及一种制作毛细管内部微液滴的装置及微液滴生成方法。
背景技术
随着精细加工的发展，微纳尺度的流体现象得到广泛关注。微液滴具有形态稳定、便于操控、不易交叉感染、成本低等优势，在细胞科学、药物筛选、蛋白质结晶、材料合成等领域具有重要应用。
液柱在界面张力作用下会破碎成小液滴，利用这种现象在微流道产生微液滴。这在喷墨打印机、微纳米颗粒制造等方面获得广泛的应用。
目前，现有技术中的微液滴主要是通过在纤维外表面形成液膜，并利用其失稳、破碎从而形成微液滴。没有涉及毛细管内部形成微液滴的装置及方法。
实用新型内容
为了解决现有技术问题，本实用新型的第一方面提供一种制作毛细管内部微液滴的装置，包括毛细管、弹性梁和固定底座，弹性梁的一端与固定底座固定连接，另一端与毛细管固定连接。
在一些实施方式中，所述弹性梁和固定底座的固定连接选自一体成型、焊接、螺栓螺母连接、铆钉连接、插口连接、卡扣连接、法兰连接、螺纹连接中的一种。
在一些实施方式中，所述弹性梁与毛细管固定连接选自绑定、焊接、螺栓螺母连接、铆钉连接、插口连接、卡扣连接、法兰连接、螺纹连接中的一种。
在一些实施方式中，所述毛细管为两端开口。
在一些实施方式中所述毛细管的直径不超过1mm。
在一些实施方式中，所述毛细管的材质选自金属、玻璃、塑料中的一种。
在一些实施方式中，所述弹性梁的材质选自金属、金属氧化物、合金中的一种。
在一些实施方式中，所述弹性梁的刚性小于毛细管的刚性，形成刚柔组合悬臂梁结构。
本实用新型的第二方面提供一种基于瞬态离心力驱动的毛细管内部微液滴生成方法，使用上述的制作毛细管内部微液滴的装置，其步骤至少包括：
(1)在毛细管内部充满液体；
(2)对弹性梁施加瞬态激励。
在一些实施方式中，所述瞬态激励为通过外力使弹性梁离开平衡位置一定距离，然后卸载外力，使弹性梁获得瞬态的回复力并作自由振动。
在一些实施方式中，毛细管内部为润湿性液体。
在一些实施方式中，外力为悬吊重物或拉力。
本实用新型提供一种制作毛细管内部微液滴的装置及微液滴生成方法十分高效，能有效解决在毛细管内部形成均匀微液滴的问题。突破了现有技术对于在毛细管狭小空间中形成微液滴的局限性。
发明人在研究中发现，在本实用新型提供的制作毛细管内部微液滴的装置的振动过程中，毛细管近似于刚体作定轴转动，而毛细管内的液体会获得一个瞬态的离心力，在该离心力作用下管内大部分液体迅速离开毛细管；但是管壁上的一层极薄的水膜由于粘滞力的作用，残留在毛细管内壁上。毛细管内壁上的液膜在表面张力作用下表面发生失稳，先形成波长均匀的波纹状表面，继而断裂融合后并形成均匀间隔的微液滴。
在本实用新型的微液滴生成过程中，发明人认为，离心力发挥作用类似于弹性能转化为动能的过程。根据发明人的研究，当制作毛细管内部微液滴的装置在瞬态回复力作用下自由振动的角速度为ω，毛细管内单位质量液体受到的离心力为
其中，r为液体到固定底座的距离。
毛细管内部的液体受到管壁的吸附作用，其中越靠近壁面附近吸引力越大，液体的粘性就越大。所以毛细管内的液体在靠近壁面附近形成一层粘性较大的吸附水层，而中间的液体粘性较小，为自由水芯柱。
当离心力大于毛细管内自由水芯柱的粘滞阻力时，液体便被迫了离开毛细管。而紧贴毛细管内壁的吸附水层，由于离心力不足以克服它的粘滞阻力，依然保留在毛细管内壁上，形成的均匀厚度的管状液膜。发明人预料不到的发现，毛细管内壁上的管状水膜对瞬态力的动态响应存在滞后，而该层液膜一旦形成，其表面暴露在空气中，具有很高的表面自由能，于是很快就会失稳。先形成波长等周期的波浪状形貌，波浪状形貌的内外表面存在压强差，其中波谷的压强大于波峰，因此液体会不断地从波谷移动到波峰，从而加剧失稳。随着失稳的加剧，波谷处的液膜越来越薄，波峰不断升高，最终拓扑联通，在毛细管内形成微小的液滴。
发明人同时考虑了其它两种常见的使液体离开毛细管的驱动方式：连续振动驱动和压强差驱动。
前者也是依靠离心力驱动液体流动，在实施过程中把组合梁固定在振动台上，并施加某一频率(本实验中为230Hz-240Hz，毛细管直径为0.3mm)的振动，组合梁结构作强迫振动。实验中在离心力的作用下液体也会从毛细管端部流出，当管中剩余液体质量较少，离心力无法克服阻力便不再流出。
后者是最直观最普遍的一种驱动方式，在本实验中是通过注射器往充满液体的毛细管中注入气体，以驱动液体离开毛细管。
图4、图5分别对应在以上两种驱动方式下毛细管中液体的分布形态。可以看出，这两种方法形成分段液滴的现象都不明显。玻璃属于亲水材料，液体流过的玻璃管壁上应该会有一层液膜，只是对于这两种驱动来说，受力均匀且持续，该液膜极薄，肉眼无法分辨，更加难以破裂融合成可见的液滴。
而瞬态离心力驱动利用的是液体粘性在毛细管中的不均匀分布导致的瞬态响应的不同，由于该瞬态响应极其迅速，会致使靠近壁面的液体响应滞后，留在壁面上，并最终破裂融合成液滴。由此，也说明本实用新型具有实质性特点和显著的进步。
附图说明
图1为本实用新型提供的制作毛细管内部微液滴的装置的示意图；
图2为基于瞬态离心力驱动的毛细管内部微液滴生成方法的示意图；
图3为微液滴生成过程示意图；
图4为基于瞬态离心力驱动的毛细管内部微液滴生成实验结果示意图；
图5为对比例1实验结果示意图；
图6为对比例2实验结果示意图；
图中各标记如下，1为固定底座，2为弹性梁，3为毛细管，4为加载位置， 5为自由水芯柱，6为吸附水层，7为波浪状吸附水层，8为微液滴。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本实用新型。
实施例1
如图1，一种制作毛细管内部微液滴的装置，包括毛细管3、弹性梁2和固定底座1，弹性梁的一端与固定底座固定连接，另一端与毛细管固定连接。
实施例2
如图1，一种制作毛细管内部微液滴的装置，包括毛细管3、弹性梁2和固定底座1，弹性梁的一端与固定底座固定连接，另一端与毛细管固定连接。
所述弹性梁和固定底座的固定连接为一体成型。
所述弹性梁与毛细管固定连接为绑定连接。
所述毛细管为两端开口。
所述毛细管的直径为0.5mm。
实施例3
如图1，一种制作毛细管内部微液滴的装置，包括毛细管3、弹性梁2和固定底座1，弹性梁的一端与固定底座固定连接，另一端与毛细管固定连接。
所述弹性梁和固定底座的固定连接为一体成型。
所述弹性梁与毛细管固定连接为绑定连接。
所述毛细管为两端开口。
所述毛细管的直径为0.3mm。
所述毛细管的材质为玻璃。
所述弹性梁的材质为不锈钢。
所述弹性梁的刚性小于毛细管的刚性，形成刚柔组合悬臂梁结构。
实施例4
如图2，一种基于瞬态离心力驱动的毛细管内部微液滴生成方法，使用制作毛细管内部微液滴的装置，其步骤至少包括：
(1)在毛细管内部充满液体；
(2)对弹性梁施加瞬态激励。
所述瞬态激励为通过悬吊重物使弹性梁离开平衡位置一定距离，然后卸载重物，使弹性梁获得瞬态的回复力并作自由振动。
制作毛细管内部微液滴的装置，包括毛细管3、弹性梁2和固定底座1，弹性梁的一端与固定底座固定连接，另一端与毛细管固定连接。
所述弹性梁和固定底座的固定连接为一体成型。
所述弹性梁与毛细管固定连接为绑定连接。
所述毛细管为两端开口。
所述毛细管的直径为1.0mm。
所述毛细管的材质为玻璃。
所述弹性梁的材质为不锈钢。
所述液体为水。
实施例5
如图2，一种基于瞬态离心力驱动的毛细管内部微液滴生成方法，使用制作毛细管内部微液滴的装置，其步骤至少包括：
(1)在毛细管内部充满液体；
(2)对弹性梁施加瞬态激励。
所述瞬态激励为通过拉力使弹性梁离开平衡位置一定距离，然后去掉拉力，使弹性梁获得瞬态的回复力并作自由振动。
制作毛细管内部微液滴的装置，包括毛细管3、弹性梁2和固定底座1，弹性梁的一端与固定底座固定连接，另一端与毛细管固定连接。
所述弹性梁和固定底座的固定连接为一体成型。
所述弹性梁与毛细管固定连接为绑定连接。
所述毛细管为两端开口。
所述毛细管的直径为0.3mm。
所述毛细管的材质为玻璃。
所述弹性梁的材质为不锈钢。
所述液体为氯化铜溶液。
对比例1
制作毛细管内部微液滴的装置，包括毛细管、弹性梁和振动台，弹性梁的一端与振动台绑定连接，另一端与毛细管绑定连接。
一种毛细管内部微液滴生成方法，采用制作毛细管内部微液滴的装置，其中，振动台的频率设定为230Hz，提供激励。在该激励作用下，弹性梁组合结构整体做强迫振动。弹性梁在振动过程中发生弹性变形，而与其相连的毛细管不发生变形，做刚体定轴转动。停止实验之后，环壁面液膜在表面张力作用下，形成大小、间距不相等的微液滴。
发明人认为，在刚体定轴转动过程中，毛细管内部的液体受到离心力作用和壁面粘滞阻力作用。其中，大部分液体在离心力作用下会从毛细管末端开口流出。而少量液体由于受到的壁面吸引力较大，离心力无法克服粘滞阻力便无法流出，在毛细管内部生成环壁面液膜。
所述毛细管直径为1.0mm，毛细管内液体为水，实验结果如图5所示。
对比例2
制作毛细管内部微液滴的装置，包括毛细管、注射器。
一种毛细管内部微液滴生成方法，采用制作毛细管内部微液滴的装置，其步骤为将两端开口的毛细管注满液体，将注射器内注入空气。用注射器从毛细管一端迅速将气体按压注入毛细管内部，在空气的驱动下将毛细管内的液体迅速从另一端开口排出。停止实验之后，环壁面液膜在表面张力作用下，形成大小、间距不相等的微液滴。
发明人认为，毛细管内部的液体受到气体压力和壁面粘滞阻力作用。其中，大部分液体在气体压力作用下会从毛细管末端开口流出。而少量液体由于受到的壁面吸引力较大，气压无法克服粘滞阻力便无法流出，在毛细管内部生成环壁面液膜。
实验中所使用毛细管直径为0.3mm，毛细管内液体为氯化铜溶液，实验结果如图6所示。
