声表面波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制备装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种声表面波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制备装置与方法。由PDMS制成的微流控芯片内部生成包含直径可控气泡的光敏预聚物溶液；将溶液通入布置有两对正交叉指电极的液槽中进行气泡的阵列排布调控；通过紫外光源进行光敏预聚物溶液的固化，制备单层气泡排布多孔结构，通过连续打印与气泡的连续阵列排布，进行多孔结构材料中孔隙尺寸与孔隙排布规律的连续调控以连续打印，制备出具有各向异性的多层不同孔隙直径以及不同孔隙排布规律的多孔聚合物材料。本发明专利技术能实现可精确控制孔隙直径以及孔隙排布规律的多孔聚合物结构材料的制备，具有操作简便、可控性强、控制精度高以及适用范围广等特点。

【技术实现步骤摘要】
声表面波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制备装置与方法
本专利技术涉及了一种基于声表面波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制备技术，尤其涉及一种基于声表面波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制备方法与装置。
技术介绍
三维多孔结构材料是一种具有超高的强度密度比、超强的回弹性、孔隙率大以及能量吸收等优异的力学性能，在催化、气体分离、传感、组织工程、污水处理等领域得到了广泛应用。多孔材料由于其可调节的孔隙率、大的比表面积和良好的热稳定性和化学稳定性，已成为众多科研人员研究的热点。各种多孔材料，包括碳纳米管、石墨烯和生物材料，已经通过不同的制备方法制备。通常，模板技术是制备多孔材料应用最广泛的技术之一，在控制多孔材料的孔隙率和孔径分布等性能方面具有很大的优势。目前，一些模板已经被用于制造多孔材料，包括有机溶剂和乳胶颗粒。然而，这些方法通常要经历苛刻的条件，如高温熔融或溶剂清洗，以去除模板，形成多孔材料。另外，一种基于微泡的方法可以避免模板去除步骤，为制备具有更均匀的多孔结构和壁厚分布的多孔材料提供了新的机会。微气泡的大小和分散性对产生的多孔材料的孔径和力学性能至关重要。尽管现有不少方法可以用来产生微泡作为多孔材料的模板，但微泡的可控产生与规律排布仍然是一个挑战。近年发展起来的微流控技术和声表面波粒子排布技术对微尺度流动和微粒排布具有良好的控制能力，为微气泡的可控生成、微气泡的规律排布以及相应的三维多孔材料制备提供了一种前景广阔的方法。微气泡的大小可以通过调节气相和液相的输入压力来控制，从而得到微观结构多样的多孔材料。虽然这些方法在一定程度上克服了以往方法的局限性，但仍然受到微气泡稳定可控生成的时间延迟和精确流量调节的限制。综上所述，现有技术中缺少一种工艺简单快速、气泡生成尺寸和气泡排布规律精确可控的多孔型聚合物制造方法。
技术实现思路
为解决常规多孔型聚合物材料制备方法和设备存在的问题，利用气相与液相进行混合过程中受到聚焦型声表面行波换能器激发的具有固定频率的声表面行波对导入气相进行剪切，产生具有固定几何尺寸的气泡以及超声能场中气泡在由为声表面驻波换能器激发的超声能场作用下呈阵列规律排布的物理规律，结合光固化三维打印技术，本专利技术提出了一种声表面波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制备装置与方法，可精确控制多孔型聚合物内部孔隙的几何尺寸以及孔隙排布规律。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：一、一种基于声表面波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制备装置：装置包括光固化3D打印机和微流控芯片，微流控芯片放置于光固化3D打印机打印平台中间，光固化3D打印机的光固化电动打印头放置于微流控芯片上方，紫外光源放置于微流控芯片下方；所述的微流控芯片包括铌酸锂晶片、PDMS微流道、聚焦型声表面行波换能器和叉指电极，以一块铌酸锂晶片作为微流控芯片的基底，铌酸锂晶片上表面布置有PDMS微流道、聚焦型声表面行波换能器和两对正交布置于打印液槽周围的叉指电极；聚焦型声表面行波换能器位于PDMS微流道侧方，打印液槽位于PDMS微流道的出口处，聚焦型声表面行波换能器和叉指电极均连接到信号发生器。PDMS微流道主要包括气相导入流道与液相导入流道、气液两相交汇流道和导出流道；气相导入流道与液相导入流道的入口分别输入气相和液相，气相导入流道与液相导入流道的出口均连通到气液两相交汇流道，气液两相交汇流道经导出流道和打印液槽连通，所述的打印液槽用于盛放生成的气液混合相。所述的聚焦型声表面行波换能器是主要由叉指电极直线等间距(间距宽度为50～200nm)叉指弯曲成同心圆弧曲线而成，形成弧形叉指电极。所述的聚焦型声表面行波换能器和两对正交布置的叉指电极通过磁控溅射的方法在铌酸锂晶片上光刻而成，且与外部的信号发生器的输出通道相连。所述的打印液槽通过使用PDMS剪切成矩形与铌酸锂晶片键合，用于盛放生成的气液混合相。所述的聚焦型声表面行波换能器和叉指电极的材料为铝，通过光刻和物理气相沉积的方法在铌酸锂晶片上形成。所述的PDMS微流道为聚二甲基硅氧烷微流道。所述的聚焦型声表面行波换能器的收敛中心与气液两相交汇流道的流道中心正对对齐，圆心与流道的距离范围为5～10mm。二、一种基于声表面波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制备方法，包括以下各步骤：(1)采用权利要求1-6任一所述装置，即构建由光固化3D打印平台和微流控芯片组成的声表面行波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制备装置，其中微流控芯片由铌酸锂晶片、PDMS微流道、聚焦型声表面行波换能器、叉指电极和打印液槽键合而成；(2)将聚焦型声表面行波换能器与信号发生器的输出通道相连，启动信号发生器向聚焦型声表面行波换能器施加电信号，聚焦型声表面行波换能器在铌酸锂晶片上向气液两相交汇流道激发声表面行波，对从气相导入流道进入PDMS微流道的气相按固定频率进行切割，从而产生直径统一的气泡，气泡混入从液相导入流道进入PDMS微流道的光敏预聚物的液相中形成气液混合相，气泡周围被光敏预聚物包裹，并沿导出流道进入打印液槽；(3)将两对正交布置的叉指电极与信号发生器的输出通道相连，启动信号发生器向叉指电极施加电信号，叉指电极向打印液槽内部产生超声能场，超声能场驱动打印液槽的气液混合相中的气泡形成所设定的阵列规律排布；(4)控制打印液槽上方的光固化电动打印头下降，初始是将光固化电动打印头底面与打印液槽底面之间形成单层液膜的间隙，与包围已阵列规律排布气泡的光敏预聚物接触，之后打开紫外光源照射打印液槽的局部区域，使该局部区域的光敏预聚物在紫外光照射下完成固化并粘附到光固化电动打印头的底面，从而实现单层具有阵列排布孔隙的多孔聚合物结构；(5)控制光固化电动打印头抬升，使光固化电动打印头最低一层的多孔聚合物结构的底面与打印液槽底面之间形成单层液膜的间隙，作为打印层；(6)不断重复步骤(3)、(4)和(5)进行多个具有不同孔隙直径以及不同孔隙排布规律的各层多孔聚合物结构的打印制造，从而最终实现基于声表面行波的孔隙与排布可调的多孔型聚合物材料的制备。通过信号发生器向聚焦型声表面行波换能器施加不同频率和幅值的电信号，调整在聚焦型声表面行波换能器产生具有不同频率和幅值的声表面行波，从而在气液两相交汇流道从气液混合相中剪切出具有不同几何尺寸的气泡。所述的输入频率、信号发生器的频率与聚焦型声表面行波换能器的固有频率成整数倍关系情况下，这样对气相的剪切效果最佳。通过调整叉指电极的工作对数，能形成不同排列特征的阵列，具体为：当只有一对叉指电极工作时，气泡成线性阵列排布，当两对叉指电极工作时，气泡成点状阵列排布；通过调整信号发生器的频率、振幅和相位形成不同排列特征的阵列。具体为：通过调节输入频率调节超声能场的周期，从而改变气泡排布阵列的间距；通过调整输出电压调节超声能场的强度，从而实现气泡排布阵列的气泡聚集密度；通过调整输出相位调节超声能场的相位，从而改变气泡排布阵列在打印液槽中的排布位置。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于声表面波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制备装置，其特征在于：装置包括光固化3D打印机(1)和微流控芯片(3)，微流控芯片(3)放置于光固化3D打印机(1)打印平台中间，光固化3D打印机(1)的光固化电动打印头(2)放置于微流控芯片(3)上方，紫外光源(4)放置于微流控芯片(3)下方；/n所述的微流控芯片(3)包括铌酸锂晶片(5)、PDMS微流道(6)、聚焦型声表面行波换能器(7)和叉指电极(8)，以一块铌酸锂晶片(5)作为微流控芯片(3)的基底，铌酸锂晶片(5)上表面布置有PDMS微流道(6)、聚焦型声表面行波换能器(7)和两对正交布置于打印液槽(9)周围的叉指电极(8)；聚焦型声表面行波换能器(7)位于PDMS微流道(6)侧方，打印液槽(9)位于PDMS微流道(6)的出口处，聚焦型声表面行波换能器(7)和叉指电极(8)均连接到信号发生器。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于声表面波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制备装置，其特征在于：装置包括光固化3D打印机(1)和微流控芯片(3)，微流控芯片(3)放置于光固化3D打印机(1)打印平台中间，光固化3D打印机(1)的光固化电动打印头(2)放置于微流控芯片(3)上方，紫外光源(4)放置于微流控芯片(3)下方；
所述的微流控芯片(3)包括铌酸锂晶片(5)、PDMS微流道(6)、聚焦型声表面行波换能器(7)和叉指电极(8)，以一块铌酸锂晶片(5)作为微流控芯片(3)的基底，铌酸锂晶片(5)上表面布置有PDMS微流道(6)、聚焦型声表面行波换能器(7)和两对正交布置于打印液槽(9)周围的叉指电极(8)；聚焦型声表面行波换能器(7)位于PDMS微流道(6)侧方，打印液槽(9)位于PDMS微流道(6)的出口处，聚焦型声表面行波换能器(7)和叉指电极(8)均连接到信号发生器。


2.根据权利要求1所述的一种基于声表面波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制备装置，其特征在于：PDMS微流道(6)主要包括气相导入流道(10)与液相导入流道(11)、气液两相交汇流道(12)和导出流道(13)；气相导入流道(10)与液相导入流道(11)的入口分别输入气相和液相，气相导入流道(10)与液相导入流道(11)的出口均连通到气液两相交汇流道(12)，气液两相交汇流道(12)经导出流道(13)和打印液槽(9)连通，所述的打印液槽(9)用于盛放生成的气液混合相。


3.根据权利要求1所述的一种基于声表面波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制备装置，其特征在于：所述的聚焦型声表面行波换能器(7)是主要由叉指电极直线等间距叉指弯曲成同心圆弧曲线而成。


4.根据权利要求1所述的一种基于声表面波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制备装置，其特征在于：所述的聚焦型声表面行波换能器(7)和两对正交布置的叉指电极(8)通过磁控溅射的方法在铌酸锂晶片(5)上光刻而成，且与外部的信号发生器的输出通道相连。


5.根据权利要求1所述的一种基于声表面波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制备装置，其特征在于：所述的打印液槽(9)通过使用PDMS剪切成矩形与铌酸锂晶片(5)键合。


6.根据权利要求1所述的一种基于声表面波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制备装置，其特征在于：所述的聚焦型声表面行波换能器(7)的收敛中心与气液两相交汇流道(12)的流道中心正对对齐，圆心与流道的距离范围为5～10mm。


7.应用于权利要求1-6任一所述装置的一种基于声表面波调控孔隙率与排布的多孔聚合物制...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅德庆，盘何旻，汪延成，许诚瑶，刘佳薇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33