在聚合物成型实验中开设微流控的探索

微流控技术有着卓越的优点:设备经济,操作简单和易得粒径均匀、形貌及结构可控的微珠和微胶囊。微流控技术是一种有别于传统成型加工的技术,有着广阔的应用前景。微流控技术从理论到实践都日趋成熟,已经具备了走向实验教学课堂的条件。将微流控实验项目开设在聚合物成型加工专业实验课程中,不仅深化、完善及补充了实验课程内容,还极大地激发了学生的学习热情。该实验深受学生的欢迎,在深化实验教学改革中具有重要的意义。     

电纺纤维基材料在水系锌离子电池中的应用

水系锌离子电池因其成本低、理论能量密度高和本征安全等,在储能电站、柔性可穿戴电池等领域极具发展潜质.静电纺丝技术可以实现锌离子电池相关材料在纳微米尺度上的掺杂、复合和结构设计,实现其在宏观性能上提高,抑制/减缓锌离子电池中枝晶生长、结构坍塌和析氢/氧等问题.因此,静电纺丝纤维基材料具有组分可调控性广、柔性自支撑能力强和规模化生产能力好等特点,使其在水系锌离子电池中得到广泛的研究和应用.根据静电纺丝技术特点和水系锌离子电池的储能特性,总结分析了静电纺丝纤维基材料在电极活性材料和电极隔膜中的研究进展,并对静电纺丝技术在水系锌离子电池中存在的问题和发展方向进行评述.     

一种新型静电纺丝装置及其喷头的电场模拟

针对目前静电纺丝装置产量低、纺丝不稳定的问题,设计了一种新型静电纺丝装置并对其喷头进行静电场模拟.首先,对新型静电纺丝装置进行了总体设计;然后,对锯齿式纺丝喷头、刷液头、辅助运动机构等部件进行具体设计分析;在此基础上,运用有限元分析软件COMSOL Multiphysics 5.3建立喷头模型,分析其外部电场的分布规律,理论上验证喷头纺丝的可行性;最后通过静电纺丝实验调整优化喷头设计及纺丝工艺参数.纳米纤维形貌特征的电镜观察结果表明,锯齿式静电纺丝装置可以实现纺丝的连续化,使纳米纤维的规模化生产成为可能.     

聚乙烯醇静电纺丝法固定葡萄糖氧化酶

利用静电纺丝纳米纤维具有高比表面积和多孔疏松结构的优势固定葡萄糖氧化酶，以提高酶电极的性能．通过聚乙烯醇（PVA）和葡萄糖氧化酶（GOD）共同静电纺丝的方法在金电极表面获得了固定化酶膜，用于构筑安培型葡萄糖生物传感器，膜的红外光谱、紫外-可见光谱和扫描电镜的分析均表明酶成功固定在静电纺丝形成的纳米纤维膜中．循环伏安测试表明固定化酶在静电纺丝纳米纤维中保持了活性，采用PVA静电纺丝法固定COD比利用浇铸膜法所得到的酶修饰电极对葡萄糖有更好的电流响应特性，通过在静电纺丝溶液中加入纳米金进一步提高了酶电极的电化学响应特性．     

静电纺丝的电场分布对纳米纤维取向的影响

旋转收集法是静电纺丝中收集取向纤维的主要方法,但试验表明仅仅依靠高速旋转难以获得取向纤维,由此表明许多因素影响纤维取向.采用Maxwell软件对静电纺丝中不同条件下的电场分别进行仿真,分析了电场分布对纤维取向的影响.根据仿真结果,提出了改善电场分布和增强纳米纤维取向效果的有效方法,包括选择对称的框架结构、穿套辅助板的喷丝嘴、中继环形电极,按照最佳电场分布改进静电纺丝装置,并进行了静电纺丝,获得了取向较高的静电纺纳米纤维,证实了该仿真结果的准确性.     

压电微流芯片的一维传递矩阵模型及参数优化

以压电陶瓷为振动源的压电微流芯片是实现微粒子操作、细胞分离等微流控研究的重要手段之一。能够描述压电效应以及超声声场在微流芯片各介质中分布规律的传递矩阵方法是进行微流压电芯片分析、设计与优化的一种有效手段。采用传递矩阵法推导了层叠式压电微流芯片的一维传递函数模型;对给定的算例芯片进行了参数分析与结构优化设计。结果表明一维传递函数模型既可在压电微流芯片设计中对结构参数进行优化,又可在实验过程中对实验参数的选定提供指导。     

远程荧光LED器件光学性能研究

远程荧光器件实现了芯片与荧光粉层分离,有效缓解了传统封装方法中的散热性差的问题,有良好的应用前景,是当前研究的热点。本文利用静电纺丝工艺将荧光粉均匀分散在PVA溶液喷丝形成的空间网络结构中,研制了LED远程荧光片,制备了远程LED器件。研究了荧光粉配比、静电纺丝过程中的电压及纺丝时间对远程荧光LED器件光学特性的影响。实验表明静电纺丝工艺中电压决定纺丝成功与否,一定的电压范围内聚合物溶液才会喷射细流,纺丝时间和荧光粉配比都对器件的显色指数和相关色温有影响。     

氯化锂对静电纺PVA纳米纤维的拉伸过程的影响

在静电纺丝过程中,如果纺丝液完全绝缘或者使用的电压不够高,静电力就不能克服表面张力,这时无法纺制纤维.在纺丝液中加入适量的盐,可以增加射流的表面电荷,射流在电场中的受力发生改变,使得纤维容易纺出.在聚乙烯醇(PVA)中添加不同质量分数的无机盐氯化锂后,对静电纺丝过程中的纤维形态产生影响.实验结果表明氯化锂显著降低了PVA溶液的表面张力,纺丝过程变得容易,纤维拉伸更显著.实验结果与理论研究的结果十分吻合.     

纺丝液的导电性对静电纺丝单根纤维的直径及稳定长度的影响

选取PAN/DMAC溶液进行静电纺丝,用添加不同质量分数的氯化锂（LiCl）来控制纺丝液的导电性.研究纺丝液的导电性对静电纺丝单根纤维的直径及稳定长度的影响.实验表明射流沿轴向半径的变化依赖于盐的含量,随着LiCl含量的增加,r～2α关系式中的指数α增大.实验同时表明射流稳定长度随射流表面电荷的增加而减小,随着溶液导电率的增加,射流的稳定长度变短,静电纺丝射流的不稳定现象提早发生.     

滤纸微流控设备集成电化学检测

近年来,人们发现滤纸微流控设备相比于传统的微流控设备来说具有一次性使用、制作简单且成本更低的优点。简单综述了微流控设备的发展现状以及滤纸和电化学检测的相关特点,着重阐明了滤纸在微流控电化学检测中的应用,同时与商品化的检测仪相结合,为微流控设备未来商品化打下了坚实的基础。     

两级自相似分形微流控浓度梯度芯片设计及性能分析

浓度梯度被广泛应用于趋化分析、细胞生长、DNA检测和毒性评价等诸多领域。传统浓度梯度生成方法具有效率低、梯度不精确、稳定性差等不足。本文基于经典圣诞树模型,设计了一种反应速度快、精度高,可生成稳定浓度梯度的两级自相似分形微流控浓度梯度芯片,并进行了仿真与实验研究。建立了多物理场耦合模型,在不同进样条件下,使用COMSOL Multiphysics进行了数值模拟。通过对归一化进样流量矩阵与浓度矩阵的耦合设置,得到丰富种类的浓度梯度分布。以去离子水和红色染料为样本进行实验验证,结果与仿真模拟具有较好的一致性,证明了两级自相似分形微流控浓度梯度芯片设计的合理性,其优势在于,无需重新设计微流道构型而只是简单调节进样流量比,便可以实现生成不同浓度梯度的实际需求。     

内外双层锥面熔体微分静电纺丝实验研究

为了进一步提高单喷头纤维的产量,在熔体微分静电纺丝的基础上,设计开发了一种结合内外锥面的双层熔体微分静电纺丝装置。通过COMSOL Multiphysics数值仿真软件对其电场进行对比分析,得出增加的内层锥面对外层电场有一定的削弱作用。通过实验分析了内层锥面伸出距离对内外层射流的影响,找到了最佳参数,并且在此参数下,验证了不同电压下的纺丝效果,结果表明,随着电压的增加,内外层锥面电场增加程度相同,内外层纤维直径达到了均匀分布。最后分别采用吹风和吸风辅助对纤维进行了细化,为静电纺丝法制备超细纤维的产业化提供参考。     

介电泳效应的液滴聚结过程与分布

基于Cahn-Hilliard建立Navier-Stokes两相流体动力学和电场Maxwell应力张量法的多物理场耦合模型,用于平行极板型、针型和圆环型电极的液滴聚结仿真.研究结果表明:较强的电场强度诱导分散相液滴聚结耗时较短,液滴链的结构和均匀度受电极形状和电场空间均匀性的影响较大;均匀电场诱导液滴成链较为均匀,并不受液滴数量的影响.在指针型和圆环型电极产生的非均匀电场只能在液滴数量较少的条件下,实现规则液滴链的生成.通过多物理场模型建模,仿真结果能够为静电纺丝、液滴合并、液泡回收等复杂微流体电学控制提供理论基础.     

集成琼脂糖结构的微流芯片在菌群研究中的应用

介绍集成琼脂糖结构的微流芯片的制作过程及其在菌群培养中的应用。设计了两种集成琼脂糖结构的微流芯片。第一种结构的芯片是恒化器（chemostat）微流芯片,可以用于研究杀菌动力学。这种微流芯片具有实现实时检测,简化实验操作,可以输出耐药菌等优点,有潜力成为研究杀菌动力学的一种方法。为了获得与细菌数目有关的更多信息,第二种结构的芯片集成3个不同高度的培养室,采用测量荧光强度和光密度值（optical density value, OD value）的方法来表征不同高度培养室的细菌数目。结果表明,这两种方法测量得到的细菌生长趋势基本上是一致的。这两种结构的芯片具有易于加工,限制细菌在培养室内生长而且允许营养物质自由扩散等优点,为研究可游动细菌提供了一个简便的方法。     

苯丙乳液制备及其电纺微纳米纤维结构的研究

通过乳液聚合的方法制备了水相苯丙乳液(PSBA)，并将其应用于静电纺丝制备出微纳米纤维结构。采用红外光谱、差示扫描量热仪（DSC）和动态光散射仪分析并表征了聚合物的化学组成、热稳定性，并得到了均一稳定的苯丙乳液。通过扫描电镜（SEM）研究了纺丝电压及纺丝液中苯丙乳液与聚乙烯醇（PVA）质量比对苯丙乳液电纺微纳米纤维结构的影响，结果表明，改变纺丝液PSBA、PVA质量比能够得到可控性的纤维结构；纺丝电压对纤维中串珠状结构形成有一定影响，且电压越高，纤维直径越小。     

静电纺丝法制备ZrOCl2/PVA复合纳米纤维

用静电纺丝法制备了ZrOCl2/PVA（氯氧化锆/聚乙烯醇）复合纳米纤维,并研究了静电纺丝的一些参数如：喷头直径、直流交压对复合纳米纤维的影响。实验发现：随着喷头孔径的增大,得到的复合纳米纤维的直径和直径分布范围分别变大;随着电压的增加,复合纳米纤维的珠串结构减少,甚至消失。另外,用水槽收集法收集的复合纳米纤维在液体上靠相互间的作用力形成了柔软的网状结构。     

Nb2O5纳米纤维的尺寸与物相调控研究

采用静电纺丝技术制备不同晶体结构的Nb2O5纳米纤维,利用SEM和XRD技术对产物的形貌和结构进行表征.结果表明:所得Nb2O5纳米纤维晶化良好、尺寸分布均匀、长径比高且连续性好.通过调整静电纺丝的电压,可对纳米纤维的直径进行调控.调整退火温度和退火气氛,可分别获得伪六方、正交、单斜和正交/单斜混合相的纳米纤维.     

静电纺丝法制备醋酸丁酸纤维素超细纤维

采用单因素水平实验法,对所收集到的静电纺样品通过SEM进行微观形貌分析,探究醋酸丁酸纤维素（CAB）在静电纺丝时最佳浓度、电纺电压和接收距离。实验结果表明,20wt%的CAB溶液在25KV电压下,水平接收距离为20cm时静电纺出的纤维膜最佳。     

数字微流控生物芯片的并行在线测试

在数字微流控生物芯片的并行测试过程中,将芯片阵列分成等大的子阵列块,在生物实验模块布局的限制下,对相应的子阵列块进行合并与调度,以实现芯片阵列的并行测试.同时,通过实验验证了并行在线测试方法的有效性.结果表明,在不干扰生物实验过程的基础上,所采用的测试方法能够减少测试液滴的数目,提高在线测试的效率.     

一步法制备有序排列的珠丝状纤维复合物

基于电纺丝和电喷雾技术的原理相似性,该文联合使用这2种技术来一步获得珠丝状的纤维复合物。通过使聚乙烯醇溶液和聚乙烯吡咯烷酮溶液分别从对喷电纺丝装置的两个喷丝头以电纺丝和电喷雾的模式进行喷射,获得纳米纤维和微米颗粒,纤维与颗粒相互碰撞结合从而得到表面带有颗粒的纤维复合物。结果表明:电喷雾得到的颗粒较均匀地附着于电纺丝纤维表面,复合纤维束经过旋转收集装置的牵引可以呈现良好的单方向有序排列;通过改变电喷雾的喷射介质的质量分数可以改变复合纤维的形貌;当提高溶液的质量分数使得射流的喷射模式由电喷雾转变为电纺丝时,纤维复合物的珠丝状结构将被消除,并且使得纤维束的排列有序度变差。