De druppelgrootte is sterk afhankelijk van het debiet van de continue fase en de afmetingen van zowel het doseermondstuk als de stroomconcentrerende opening. In dit overzicht zullen we de resultaten presenteren van de publicatie van Rahimi over het effect van de spuitmondgrootte op de grootte van de gegenereerde druppels. In deze studie hebben zij de effecten van verschillende lokale geometrieën op de druppelvorming in een microfluïdisch coaxiaal stroomfocuseringsapparaat numeriek geëvalueerd, met experimentele validaties. Vervolgens zullen we een ingenieus onderzoek presenteren naar verwisselbare microfluïdische spuitmonden waarmee op eenvoudige wijze diverse monodisperse druppels kunnen worden verkregen.
Invloed van de geometrie van het spuitmondje op de druppelgrootte
Van de verschillende geometrieën voor druppelvorming (flow focusing, T-splitsing, co-flow) wordt de beste monodispersiteit verkregen met flow focusing en co-flow. Over het algemeen bestaan deze uit een spuitmond die de vloeistof van de gedispergeerde fase bevat, ingebed in een rechthoekig of assymmetrisch kanaal dat de afschuifvloeistof van de continue fase bevat. In flow-focusing-apparaten wordt een vernauwingszone stroomafwaarts van de spuitmond gebruikt om het hydrodynamische gedrag van het stromingsveld en daarmee de vorming van druppels te beïnvloeden.
Numeriek gezien hebben Rahimi en zijn medewerkers het in figuur 1 weergegeven schema gebruikt om twee groepen geometrische parameters te onderscheiden die als bepalend worden beschouwd voor het druppelvormingsproces. De eerste groep omvat de binnenstraal van het dimensieloze mondstuk (R1* = R1/R2) en de afstand daarvan tot de inlaat van de opening (L2* = L2/R2). De straal van de dimensieloze opening (Ro*=Ro/R2) en de lengte ervan (Lo*=Lo/R2) zijn ingedeeld in de tweede groep om de specificaties voor de stromingsfocusering weer te geven.
Het was mogelijk om de diameter van de gevormde druppels te meten bij verschillende spuitmondgroottes en bij een vast capillairgetal.
Wanneer de grootte van de straal evenredig is aan die van de spuitmond, wordt de grootte van de straal vervolgens beïnvloed door de hydrodynamische krachten van de stroming. Zo ontstaat er een smalle straal binnen de focusopening, d.w.z. stroomafwaarts van de spuitmond. Maar de waterstraal in de grotere spuitmond is relatief groter in diameter en lengte vanwege het hogere waterdebiet in deze situatie (Figuur 2A).
Bijgevolg vormt zich een grotere druppel aan het uiteinde van de waterstraal bij gebruik van een grotere spuitmond, wat experimenteel is bevestigd (Figuur 2C).
Bovendien blijkt uit de druppelvormingssnelheid bij gebruik van verschillende spuitmondmaten, zoals weergegeven in figuur 2B, dat met de kleinste spuitmond bij een hoog debiet zeer monodisperse druppels kunnen worden gevormd.
Hoe kunnen microfluïdische spuitmonden worden verwisseld om op eenvoudige wijze verschillende monodisperse druppeltjes te verkrijgen?
In dit hoofdstuk zullen we kort ingaan op het werk dat Kamperman en zijn medewerkers in 2020 hebben gepubliceerd. Zij hebben een concept ontwikkeld voor verwisselbare spuitmonden die functioneren in een transparant, herbruikbaar 3D-microfluïdisch apparaat. Doordat de spuitmonden eenvoudig kunnen worden verwisseld en verplaatst, is het mogelijk om met één enkel microfluïdisch apparaat monodisperse water-in-olie- en olie-in-water-emulsies, vaste microsferen en zelfs micromaterialen met een gecontroleerde diameter van 10 tot 1000 µm te produceren.
Uit het onderzoek van Rahimi bleek dat de grootte van het spuitmondje een belangrijke factor was bij het bepalen van de gevormde druppel. Het onderzoek van Kamperman laat onder andere zien hoe je heel eenvoudig niet alleen de grootte, maar ook de samenstelling van de gevormde druppel kunt variëren.
Dankzij lekvrije verbindingen tussen het apparaat, tube, en de spuitmonden kunnen de spuitmonden naar behoefte worden vervangen.
Hierdoor is het mogelijk om in minder dan een minuut spuitmonden met verschillende diameters, hydrofobiciteit, absorptievermogen en complexiteit te verwisselen. Bovendien kan de plaatsing van de spuitmonden in de loop van de tijd worden aangepast om over te schakelen van een T-splitsingsconfiguratie naar een co-flow- of zelfs een flow-focusing-configuratie. Dankzij het multifunctionele karakter van dit microfluïdische apparaat kan het eenvoudig worden aangepast voor de productie van diverse micromaterialen, waaronder emulsies, microsferen en microvezels.
🧠Wat je moet onthouden
• Stroomconcentratieapparaten maken gebruik van een vernauwingszone stroomafwaarts van het mondstuk om het hydrodynamische gedrag van het stromingsveld te wijzigen, wat resulteert in monodisperse druppels.
• De beste monodispersiteit wordt bereikt met flow-focusing- en co-flow-geometrieën, die doorgaans bestaan uit een spuitmond waarin de vloeistof van de gedispergeerde fase zich bevindt, ingebed in een kanaal waarin de schuifvloeistof van de continue fase stroomt.
• Dankzij het multifunctionele karakter van het microfluïdische apparaat van Kamperman is het geschikt voor de productie van diverse micromaterialen, zoals emulsies, microsferen en microvezels, waarbij de plaatsing van de spuitmonden kan worden aangepast in configuraties zoals een T-splitsing, co-flow of flow-focusing.
