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单向流通特征柔性特斯拉阀微混合器研究

STUDYONAFLEXIBLETESLAVALVE

MICROMIXERWITHUNIDIRECTIONALFLOW

CHARACTERISTICS

摘要

摘要

微流控芯片技术是将生物、化学等实验室的基本功能缩小为几平方厘米的芯

片，并进行基于化学分析的操作。微混合器作为微流控芯片的一个重要部分，广

泛应用于化学合成、医疗制造、化学检测、化妆品合成等工业领域。微混合器根

据流体的混合可分为有源主动型微混合器和被动型微混合器。主动微混合器需要

外部条件来实现，借助于这些外部的能量实现流体的混合。被动型微混合器通常

通过改变几何形状来提高流体的混合效率。因此，被动式微混合器由于其结构简

单一直在微流控芯片领域得到广泛应用。本文通过一种高效、简单的微流控芯片

加工技术来制备一种具有单向流通特征柔性特斯拉阀被动微混合器。并研究了各

种参数条件下微混合器混合效率的影响。具体的研究内容为：

1.3D

提出了一种打印热定技术以及高分子聚合物溶解方法来制备柔性微

混合器。该方法是利用可溶解的耐冲击性聚苯乙烯（HIPS）材料通过3D打印制

PDMS

造出微通道模具，将聚二甲基硅氧烷（）溶液浇注在打印好的模具上并进

行高温固化后，得到一个外部为柔性PDMS固体、内部为由HIPS材料制成的可

溶解微通道的模具。然后将高温固化好的可溶微通道模具放入柠檬烯试剂中进行

浸泡，当HIPS全部被柠檬烯试剂溶解后，微混合器制作完成。通过优化实验发

现，微通道模具在柠檬烯试剂中会随着水浴温度的增加，溶解速度逐渐加快。

2.在高效简单的制作方法基础上，设计了一种具有单向流动特征特斯拉阀

结构的被动微混合器。通过仿真分析对T型以及特斯拉阀结构微混合器对比，

以及优化特斯拉阀凹槽结构及凹槽数目（Annularauxiliarychannel，简称AAC），

得到最佳的凹槽结构，并利用实验证明该结构具有正向流动并且不产生逆流的特

点。在雷诺数为20的条件下，平面T型微混合器的混合效率为0.7，6个凹槽结

构（6-AAC）特斯拉阀微混合器能够将混合效率提高到0.861，随后通过讨论流

速变形等条件确定最佳的混合效率条件。最终得到6凹槽结构（6-AAC）特斯拉

阀微混合器在流体的流速为2.0mL/min时混合性能最佳，混合效率为0.891。

3.在制备6-AAC特斯拉阀微混合器后，对特斯拉阀微混合的内部凹槽结构

进行优化。通过实验得到，在流体的流速为2.0mL/min条件下时，6-AAC特斯

3045600.9010.880.875

拉阀微混合器内部凹槽为°、°、°的混合效率分别为、、。

结果表明特斯拉阀微混合器的混合效率随着内部凹槽的角度减小而提高。最佳的

混合效率为0.901。

通过模拟仿真和混合实验，最终得到了具有单向流通特征的高混合效率的特

斯拉阀微混合器，得到的结果为：在雷诺数相同时，尺寸相同的T型平面微混

I

合器在流速相同时混合效率低于特斯拉阀微混合器。同时相比于其他高效率的微

混合器，特斯拉阀微混合器具有单向的正向流动性。

关键词：微混合器；单向流通；高分子溶解技术；特斯拉阀；微流控芯片加工

II

Abstract

Abstract

Microfluidicchiptechnologyreducesbasicfunctionsofbiologicalandchemical

laboratoriestoafewsquare