微墙阵列及其制备方法与应用、微通道及其制备方法、微通道反应器及其应用技术

本发明专利技术涉及微通道反应器领域，具体涉及一种微墙阵列及其制备方法与应用、微通道及其制备方法、微通道反应器及其应用。所述微墙阵列由至少两个微墙构成；所述微墙的横截面呈山峰的形状；所述山峰的峰高c为20-30μm；所述山峰的半峰宽d为2-15μm；各个微墙之间的中心间距b小于等于100μm；相邻所述微墙横截面的山峰的峰底之间的间距a满足以下条件：a＝b-30。该微墙阵列具有可控的横截面形貌，将其用于制备微通道反应器时，能够显著提高反应的速率以及反应速率的可控性。反应速率的可控性。反应速率的可控性。

【技术实现步骤摘要】
微墙阵列及其制备方法与应用、微通道及其制备方法、微通道反应器及其应用


[0001]本专利技术涉及微通道反应器，具体涉及一种微墙阵列及其制备方法与应用、微通道及其制备方法、微通道反应器及其应用。

技术介绍

[0002]大型的化工反应经常因为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，活性层内的反应物方可发生反应。
[0003]本领域知晓，液相催化反应过程通常包括反应物的扩散、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。
[0004]微通道流体控制技术(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。
[0005]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。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。
[0006]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”和反应物的减少“等待时间”，能够极大提高反应效率。
[0007]传统的制备微通道技术中，所使用的微通道的方法多为激光刻蚀法、3D打印法、原子沉积法等，这些方法能够快速、准确地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，如激光刻蚀法制备微纳米结构，需要花费数周的时间(包括掩模版制备与蚀法刻蚀)，同时涉及到使用光刻胶这种对环境污染性较大的物质。
[0008]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墨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

[0009]本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的制备微通道反应器时成本较高、污染环境且结构不可控的问题，提供一种微墙阵列及其制备方法、微通道及其制备方法、微通道反应器及其应用，该微墙阵列具有可控的横截面形貌，将其用于制备微通道反应器时，能够显著提高反应的速率以及反应速率的可控性。
[0010]为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种微墙阵列，其中，所述微墙阵列由至少两个微墙构成；所述微墙的横截面呈山峰的形状；
[0011]所述山峰的峰高c为20-30μm；所述山峰的半峰宽d为2-15μm；
[0012]各个微墙之间的中心间距b小于等于100μm；相邻所述微墙横截面的山峰的峰底之间的间距a满足以下条件：
[0013]a＝b-30。
[0014]本专利技术第二方面提供一种本专利技术所述的微墙阵列的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：
[0015](1)将模板进行抛光，采用划片法在模板上制备至少两个沟槽结构；
[0016](2)将步骤(1)得到的产品进行表面处理后，置于疏水改性剂中进行疏水处理，得到改性模板；
[0017](3)将反应单体和引发剂配置混合液；
[0018](4)将步骤(3)得到的混合液浇注于步骤(2)得到的改性模板的表面，进行聚合反应后，将得到的聚合物与改性模板分离，即得所述的微墙阵列。
[0019]本专利技术第三方面提供一种本专利技术所述的微墙阵列在微通道、模版复形印刷、微纳自组装的模板和微流控芯片的至少一种中的应用。
[0020]本专利技术第四方面提供一种微通道，其中，所述微通道包括基底材料和微墙阵列；所述微墙阵列内壁附着有纳米催化剂；
[0021]其中，所述微墙阵列为本专利技术所述的微墙阵列。
[0022]本专利技术第五方面提供一种本专利技术所述的微通道的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：
[0023](a)将纳米催化剂、表面活性剂和溶液混合，得到纳米催化剂分散液；
[0024](b)将基底材料进行疏水处理，得到疏水基底材料；
[0025](c)将所述纳米催化剂分散体液滴于所述疏水基底材料后，将微墙阵列覆盖所述催化剂分散液，经干燥后得到所述微通道；
[0026]其中，所述微墙阵列为本专利技术所述的微墙阵列。
[0027]本专利技术第六方面提供一种微通道反应器，其中，所述反应器中包含至少一个微通道；所述微通道为本专利技术所述的微通道。
[0028]本专利技术第七方面提供一种本专利技术所述的微通道反应器在化学反应中的应用。
[0029]通过上述技术方案，本专利技术所提供的微墙阵列及其制备方法与应用、微通道及其制备方法、微通道反应器及其应用获得以下有益的效果：
[0030]本专利技术所提供的微墙阵列具有可控的横截面形貌，特别地，本专利技术所提供的微墙阵列的横截面呈山峰形，使其通过几何角度的差异产生毛细力的空间差异，将其用于制备微通道反应器时，能够在截面方向上产生湍流，从而加快微通道内反应液与微通道壁上负载的催化剂的混合和接触反应，能够实现对反应物以及反应产物流速的精确控制，进而实现对反应速率的精确控制。
[0031]本专利技术所提供的方法简单快捷，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。
附图说明
[0032]图1是本专利技术所述微墙阵列的示意图；
[0033]图2是本专利技术实施例1-4中制得的具有不同尺寸PDMS微墙的扫描电子显微镜图；
[0034]图3是本专利技术实施例6中制得的由PDMS微墙、TiO2纳米颗粒催化层、玻璃基底组成的TiO2微通道反应器的扫描电子显微镜图；
[0035]图4是本专利技术实施例6中，组装纳米颗粒后的微墙PDMS膜的元素分布图(图A，绿色：Ti元素；红色：氧元素)和能量色散X射线检测图(图B)；
[0036]图5是本专利技术实施例7中标准样品的标准曲线图；
[0037]图6是本专利技术实施例8中，通道尺寸为30微米的TiO2微通道反应器对RhB的降解过程图；
[0038]图7是本专利技术实施例8中，通道尺寸为30微米的TiO2微通道反应器对RhB的降解速率曲线图；
[0039]图8是本专利技术实施例10中，平铺的TiO2对RhB的降解速率曲线图；
[0040]图9是本专利技术实施例11与12中，不同通道尺寸的TiO2微通道反应器对RhB的降解速率与流速的对比图；
[0041]图10是本专利技术对比例2中，通道尺寸为30μm的TiO本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微墙阵列，其中，所述微墙阵列由至少两个微墙构成；所述微墙的横截面呈山峰的形状；所述山峰的峰高c为20-30μm；所述山峰的半峰宽d为2-15μm；各个微墙之间的中心间距b小于等于100μm；相邻所述微墙横截面的山峰的峰底之间的间距a满足以下条件：a＝b-30。2.根据权利要求1所述的微墙阵列，其中，各个微墙之间的中心间距b为40-100μm，优选为40-60μm；优选地，所述山峰的峰高c为20-25μm；优选地，所述山峰的半峰宽d为2.5-10μm；优选地，相邻所述微墙横截面的峰底之间的间距a>0；优选地，所述微墙由聚二甲基硅氧烷、共聚酯、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚氯乙烯、醋酸纤维素、乙基纤维素、乙烯醇-乙烯基乙酸酯、乙烯-丙烯聚合物和海藻酸钠中的至少一种制得。3.一种权利要求1或2所述的微墙阵列的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：(1)将模板进行抛光，采用划片法在模板上制备至少两个沟槽结构；(2)将步骤(1)得到的产品进行亲水性表面处理后，置于疏水改性剂中进行疏水处理，得到改性模板；(3)将反应单体和引发剂配置成混合液；(4)将步骤(3)得到的混合液浇注于步骤(2)得到的改性模板的表面，进行聚合反应后，将得到的聚合物与改性模板分离，即得所述的微墙阵列。4.根据权利要求3所述的制备方法，其中，所述模板选自硅片、玻璃片和铝片中的至少一种；所述沟槽结构的深为5-30μm，优选为23-27μm；所述沟槽结构的宽为20-30μm，优选为23-27μm；优选地，相邻沟槽结构的间距小于等于100μm，优选为20-100μm，更优选地，各个沟槽结构的间距为40μm、60μm、80μm或者100μm。5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其中，所述亲水性表面处理选自等离子体表面处理、酸处理和亲水性树脂处理中的至少一种；更优选地，所述酸处理的酸选自硫酸和/或双氧水；更优选地，所述亲水性树脂选自聚丙烯酸和/或聚环氧乙烷；优选地，所述疏水改性剂选自三氟甲基三甲基硅烷、3-氨基丙基三烷氧基硅烷、聚氨酯、聚硅氮烷、全氟辛酸和十四烷基酸中的至少一种；优选地，所述疏水改性剂的用量为1-10μL/cm2，优选为5-10μL/cm2；优选地，所述疏水改性处理的条件包括：处理温度为70-110℃，优选为70-90℃；处理时间为大于或等于30min，优选为30-40min。6.根据权利要求3-5中任意一项所述的制备方法，其中，所述反应单体选自二甲基硅氧烷、对苯二甲酸和乙二醇中的至少一种；所述引发剂选自酰类过氧化物、酯类过氧化物、过硫酸钾和过硫酸铵中的至少一种；
优选地，所述反应单体与引发剂的质量比为5:1-15:1，优选为9:1-10:1；优选地，所述聚合反应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈炳达，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：