微流控制备多相乳液过程表面活性剂动态吸附机制研究

Microfluidic technology combines the advantages of process strengthening and miniaturization to produce monodisperse, structure-controlled, multi-phase emulsions, which are widely used in high value-added fine chemicals. In order to achieve continuous and stable production of multiphase emulsions in microchannels, surfactants are often added to the emulsion system. However, the surfactants would bring a dynamic adsorption effect, which affects the dispersion principle of surfactants and the multiphase emulsion morphology in micro-channels, making the precise control in emulsion morphologies more difficult. Thus, the research in the dynamic absorption mechanism of the surfactants in the multi-phase emulsion formation process is in great demand. This project intends to study the surfactant adsorption in the newly-formed interfaces during the multi-phase emulsions formation process in microchannels by choosing surfactants molecular weights and concentrations as variants and observing the multi-phase emulsion morphology reconfiguration process as the corresponding results. By recording and analyzing the real-time structural changes of the emulsions, the real-time interfacial tension relationship between different components of the emulsion was obtained. And then with the combination of experiments and simulations, the dynamic interfacial tensions and the surfactant interface concentration change with time could be obtained. Combined with the molecular mass transfer model of surfactants, the mass transfer law of surfactants from the bulk phase to the interface phase in the emulsion formation stage was systematically studied, revealing the dynamic adsorption mechanism of surfactants in the preparation of multiphase emulsions by microchannels and building the foundation of the high control in the stable emulsion synthesis and fine chemicals applications.

微化工技术兼具过程强化和小型化的优势，可以制备单分散、结构可控的多相乳液，广泛应用于高附加值的精细化学品领域。为实现微通道中多相乳液的连续稳定生产，常在乳液体系中加入表面活性剂。由此带来的动态吸附效应会影响多相乳液形成时的分散模型和结构调控规律，增加乳液结构精准控制的难度，因此，微通道中多相乳液过程的表面活性剂动态吸附机制亟待研究。本课题拟选用不同亲疏水性的表面活性剂的分子量和浓度作为控制变量，观察微通道中多相乳液形成阶段的结构作为结果依据，通过分析乳液实时结构变化获得乳液不同组分间的实时界面张力关系，再经由实验与模拟手段获得动态界面张力变化及表面活性剂界面浓度随时间的变化关系，结合表面活性剂分子传质模型，系统研究微通道中表面活性剂在乳液形成阶段从主体相到界面相的传质规律，揭示微通道制备多相乳液过程中表面活性剂的动态吸附机制，为可控制备精细化学品提供理论依据。

多相乳液在日用护肤、生物医药、新材料制备等方面有诸多应用。在利用微流控技术制备单分散性好、结构可控的乳液时，常会添加表面活性剂来降低体系界面张力并起到稳定乳液的作用。然而，表面活性剂的加入同时带来了动态吸附效应，对微流控制备多相乳液的分散模型和基本规律有着重要影响，因此乳液形成时表面活性剂的动态吸附行为值得深入研究。现有动态吸附研究集中于两相乳液生成过程尺寸分析，而对于多相乳液形成到结构稳定过程中表面活性剂动态吸附效应鲜有研究。因此，本项目从多相乳液结构的动态变化入手，通过实验与模拟相结合的方式解释微通道制备多相乳液过程中表面活性剂的动态吸附特性。.首先，使用同轴环管微流控设备稳定制备以乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA）为内相，二甲基硅油为中间相，十二烷基硫酸钠（SDS）水溶液为外相的多相乳液。通过高速摄像显微镜拍摄乳液结构变化的动态照片，与MATLAB程序根据几何分析模拟不同多相乳液结构图像结合，以试差法反推乳液结构变化阶段的界面张力，发展一种微通道中测量多相乳液界面张力的新方法。.进而，通过实验对乳液结构变化过程分析，研究了不同浓度的SDS溶液作为外相时，乳液流动过程的动态吸附行为。研究发现，SDS在低于临界胶束浓度的吸附过程可以认为是传质控制的，结合乳液结构变化规律和表面活性剂的动态吸附特性，获得了表面活性剂在液滴流动过程的传质系数，并利用乳液几何结构分析建立一个界面张力预测模型，模型预测结果与实验数据拟合良好。.再次，通过动态界面张力计算毛细数Ca，关联液滴生成至结构平衡时间t，由Ca-t判断表面活性剂的动态传质过程在通道内依旧存在，补充了两相乳液无法对乳液流动过程传质分析的短板，根据拟合线趋势侧面证明了表面活性剂增高时传质机制发生改变。对比传质模型与实验数据得出，对于小分子表面活性剂SDS，在高于临界胶束浓度时，吸附机制由传质控制转向吸附控制。.最后，在以上研究的基础上，利用十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）进行模型的验证，研究表明，DTAB作为小分子表面活性剂，有着与SDS类似的传质机制，即低浓度下传质控制，高浓度下吸附控制，验证了模型的适用性。并且发现在表面活性剂浓度接近临界胶束浓度时，其吸附机制属于传质与吸附共同控制的过程。