¿Qué significa microfluido?
La microemulsión es un sistema de dispersión transparente. Su formación está relacionada con la solubilización de las micelas. También se denomina “solución micelar hinchada” o “solución micelar”.
Abreviatura de micro.
Sistema estabilizador líquido transparente o translúcido, normalmente compuesto por aceite, agua, tensioactivos, cotensioactivos y electrolitos.
Las partículas en la fase dispersa son más pequeñas que 0,65438±0 μm, incluso tan pequeñas como decenas de angstroms.
Se caracteriza porque el tamaño de partícula de la fase dispersa es entre 0.01 ~ 0.1 micras, el tamaño de partícula es uniforme e invisible bajo el microscopio las partículas son esféricas el microlíquido es traslúcido a transparente; y termodinámicamente estable. Si el sistema es transparente, tiene buena fluidez y puede separarse mediante una aceleración centrífuga de 100 g durante cinco minutos, se puede considerar un líquido traza. Miscible con aceite y agua dentro de un cierto rango.
El sistema en el que la fase dispersa es aceite y el medio de dispersión es agua se denomina microlíquido O/W, y viceversa.
Generalmente se necesita una gran cantidad de tensioactivos y tensioactivos auxiliares (como compuestos orgánicos polares, normalmente alcoholes) para formar microlíquidos.
Ampliamente utilizado en la producción industrial, como cera líquida para pulir pisos, aceite de corte para máquinas, etc.
En la extracción de petróleo, se utilizan microfluidos para mejorar la recuperación del petróleo.
El origen de los microfluidos
El concepto de microfluidos fue 1959.
Por el químico británico J.
.
H.
Shulman
propuesta
Las microemulsiones son generalmente incoloras, transparentes (o translúcidas), constituidas por tensioactivo, cotensioactivo , el aceite y el agua se componen en proporciones adecuadas.
Sistemas termodinámicos de baja viscosidad.
Debido a su tensión interfacial ultrabaja (10
6~10
7N/
m)
Fuerte capacidad de solubilización (la cantidad de solubilización puede alcanzar 60.
~70
)
Sistema termodinámico estable
Dos tipos de disolventes inmiscibles forman líquidos bajo la acción de tensioactivos, y las nanopartículas se obtienen mediante nucleación, coalescencia, aglomeración y tratamiento térmico en microburbujas.
Las partículas características tienen buenas propiedades de monodispersidad y de interfaz. Este método se utiliza a menudo para nanopartículas semiconductoras del grupo II ~ VI.
El microlíquido es un sistema monodisperso formado por gotas de agua termodinámicamente estables y transparentes en aceite (w/o) o agua (O/W). Su microestructura tiene un tamaño de partícula de 5 a 70.
nnl
j, dividido en tipo O/W
tipo A y tipo w/o (micelas inversas) son las superficies formadas en la interfaz aceite/agua Una combinación ordenada de moléculas de agentes activos.
En 1943, Shulman y otros vertieron alcohol en un líquido y produjeron por primera vez un líquido traza transparente o translúcido, uniforme y estable a largo plazo.
1982 Boutnonet et al.
Produjeron por primera vez Pt, Pd, Rh y otras partículas de grupos metálicos en el núcleo de agua de un microlíquido W/O, abriendo un nuevo método de nanomateriales.
Los microlíquidos suelen estar compuestos por tensioactivos, cotensioactivos, disolventes y agua (o solución acuosa).
En este sistema, dos medios continuos inmiscibles se dividen en espacios diminutos mediante moléculas anfifílicas tensioactivas para formar un microrreactor, cuyo tamaño se puede controlar dentro del rango nanométrico. Los reactivos se encuentran en el sistema que produce la reacción. partículas sólidas.
Debido a que el microlíquido puede controlar con precisión el tamaño de las partículas y la estabilidad de los nanomateriales, evita los procesos de nucleación, crecimiento, aglomeración y aglomeración de las nanopartículas, y la superficie de las nanopartículas formadas está recubierta con una capa de actividad superficial. agente, con una cierta estructura cohesiva.
Mecanismo de formación
Los tensioactivos comúnmente utilizados incluyen: tensioactivos iónicos de doble cadena, como el succinato de dioctilo sódico (AOT); tensioactivos aniónicos, como el dialquilsulfonato de sodio (SDS) y el sodio. sulfonato de dodecilbenceno (DBS); tensioactivos catiónicos, tales como bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB); tensioactivos no iónicos, tales como la serie TritonX (éter de polioxietileno), etc.
Los disolventes más utilizados son los disolventes no polares, como los alcanos o los cicloalcanos.
Mezcle el aceite, el tensioactivo, el agua (solución de electrolitos) o el cotensioactivo de manera uniforme, luego agregue el cotensioactivo o el agua (solución de electrolitos) al sistema para formar una solución transparente dentro de una cierta proporción. microemulsión.
En la actualidad, los mecanismos de formación de microfluidos incluyen principalmente los siguientes.
Teoría de la membrana mixta
Shulman y Prince creen que el microlíquido es un sistema multifásico y su formación es un proceso de interfaces crecientes. A partir de la adsorción de surfactante y co-surfactante en la interfaz petróleo-agua para formar una película mixta como tercera fase, creen que la existencia de la película de adsorción mixta puede reducir la tensión interfacial petróleo-agua a un valor ultrabajo. , o incluso alcanzar un valor negativo instantáneamente. Debido a que la tensión interfacial negativa no puede existir, el sistema expande espontáneamente la interfaz para formar microscópicas, y la tensión interfacial se eleva a cero o a un valor positivo muy pequeño, por lo que la condición para la formación microscópica es = γ o/w-π 65438. Cuando R≈1, se forma un microfluido bicontinuo y el tipo de microfluido es Winsorⅲⅲ.
El núcleo de la teoría es definir una relación de energía cohesiva, cuyo cambio está relacionado con la estructura y las propiedades del microfluido.
Dado que todas las propiedades de la relación R dependen de las propiedades químicas, la concentración relativa y la temperatura de cada componente en el sistema, la relación R cambiará con la composición, concentración y temperatura del sistema.
Los cambios en la estructura del sistema de microfluidos se pueden reflejar en cambios en la relación R, por lo que la teoría de la relación R puede explicar con éxito la estructura y el comportamiento de las fases de los microfluidos, convirtiéndose así en una herramienta muy útil en la investigación de microfluidos. .
Teoría de la disposición geométrica
La teoría de la doble membrana propuesta por Shulman et al. anteriormente explicaba la flexión preferencial de la membrana a partir de la existencia de dos tensiones interfaciales en ambos lados de la membrana.
Más tarde, Robbins, Mitchell y Ninham propusieron un modelo geométrico de disposición en la película de interfaz desde la perspectiva de la disposición geométrica de las moléculas en agregados anfifílicos.
Basado en la teoría de la doble membrana, el modelo de disposición geométrica o modelo de relleno geométrico cree que la membrana de interfaz es esencialmente una doble membrana, es decir, una cabeza hidrófila polar y una cadena alquílica no polar, que están separados del agua y el aceite respectivamente.
En la interfaz del lado del agua, la cabeza polar se hidrata para formar una capa de hidratación, y en la interfaz del lado del aceite, las moléculas de aceite penetran en la cadena alquílica.
El modelo de empaquetamiento geométrico explica con éxito las propiedades del cotensioactivo, el electrolito y el aceite, así como el efecto de la temperatura en la curvatura de la interfaz y, por tanto, en el tipo o estructura del microfluido.
La cuestión central del modelo de disposición geométrica es el llenado geométrico de los tensioactivos en la interfaz, que se explica por el parámetro de llenado V/aolc, donde V es el volumen de la cadena de hidrocarburos tensioactivos Ao es su; grupo polar. área de sección transversal; Lc es la longitud de su cadena de hidrocarburos.
Para los sistemas que contribuyen a la participación de tensioactivo, los valores anteriores son el promedio de las cantidades correspondientes de tensioactivo y cotensioactivo.
Se puede observar que el coeficiente de llenado refleja el tamaño relativo del área de la sección transversal del grupo hidrofílico y el grupo hidrofóbico del tensioactivo.
Cuando V / aolc1, el área de la sección transversal de la cadena de hidrocarburos es mayor que el área de la sección transversal del grupo polar, lo que favorece que la interfaz sobresalga de la fase de aceite. es decir, favorece la formación de microlíquido W/O cuando V/ Cuando aolc1, favorece la formación de microlíquido O/W cuando V/aolc1, favorece la formación de una estructura de fase bicontinua; .
Teoría de la solubilización
Shinoda y Friberg creen que los microfluidos son micelas expandidas.
Cuando la concentración de una solución acuosa de tensioactivo es mayor que la concentración micelar crítica, se formarán micelas. En este punto, se solubilizará una cierta cantidad de aceite (al que también se le puede añadir un cotensioactivo). A medida que aumenta la cantidad de aceite que ingresa a las micelas, las micelas hacen que la microemulsión se expanda, por lo que se le llama líquido similar a una micela.
Dado que la disolución es espontánea, la micronización también se produce de forma automática.
Principio
El microfluido W/O consta de una fase continua de aceite, un núcleo de agua y una interfaz compuesta de tensioactivos y cotensioactivos. El núcleo de agua está rodeado por una interfaz de una sola capa compuesta de tensioactivo y cotensioactivo, formando un único espacio uniforme a escala nanométrica y, por lo tanto, puede considerarse como un microrreactor.
Microliquid es un sistema termodinámicamente estable con la capacidad de mantener un tamaño estable y autorreplicación bajo ciertas condiciones. Por lo tanto, microliquid proporciona un microambiente ideal para nanopartículas con tamaños uniformes.
La forma más directa de utilizar nanopartículas microlíquidas W/O es mezclar dos soluciones de microlíquidos que contienen los reactivos A y B. Las gotas de los dos microlíquidos chocan y se fusionan. Los materiales migran entre las microgotas, produciendo núcleos de cristal. , que luego crecen gradualmente hasta formar nanopartículas.
Cuando se utilizan partículas del sistema W/O, la formación de partículas generalmente ocurre en las tres situaciones siguientes: (a) Dos microlíquidos en los que los reactivos se disuelven por separado se mezclan en este momento, debido a la colisión. entre partículas micelares, fusión, separación y recombinación, los dos reactivos se transfieren entre sí en la micela y se produce una reacción química en el núcleo (b) un reactivo se disuelve en el núcleo de agua y el otro reactivo se mezcla con el; el primero en forma de solución acuosa, el segundo se difunde en la fase microlíquida, penetra en las microgotitas a través de la capa de película de tensioactivo, reacciona con el primero en las microgotas para formar núcleos cristalinos y crece (c) un reactivo se disuelve en el núcleo de agua y el otro reacciona en la fase microlíquida. Uno es gas. El gas se pasa a la fase líquida y se mezcla completamente para que los dos reaccionen para preparar nanopartículas.
Método
Método Schulman: mezcle aceite, agua (solución electrolítica) y tensioactivo de manera uniforme, luego agregue co-tensioactivo al sistema dentro de un cierto rango de proporciones. El sistema se vuelve claro y transparente. es decir, se forma un microlíquido.
Método Shah: mezcle aceite, tensioactivo y cotensioactivo de manera uniforme y luego agregue agua (solución acuosa de electrolitos) al sistema. El sistema será claro y transparente dentro de una cierta proporción, formando un microlíquido.
Factores que afectan a los nanomateriales microlíquidos: concentración de reactivos
El tamaño de las nanopartículas se puede controlar ajustando adecuadamente la concentración de los reactivos.
Cuando uno de los reactivos está en exceso, la probabilidad de colisión de los reactivos aumenta, el proceso de cristalización es mucho más rápido que cuando los reactivos reaccionan por completo y el tamaño de las nanopartículas generadas también es mucho menor.
Cuando la concentración del reactivo es alta, la probabilidad de colisión de partículas aumenta cuando la concentración es mayor que el valor crítico de nucleación en la micela, a medida que aumenta la concentración del reactivo, el reactivo en cada una. micela Cuanto mayor es el número de iones, menor es el tamaño de partícula del producto y más fuerte es la monodispersidad.
Al mismo tiempo, la concentración de reactivos también afecta directamente a la capacidad y al coste de reacción.
Pero cuando la concentración es demasiado alta, la viscosidad del sistema aumenta y las partículas tienden a agregarse.
w(H2O)/surfactante)
Los cambios en la composición microscópica del líquido conducirán a un aumento o disminución de los núcleos de agua. El tamaño del núcleo de agua determina directamente el tamaño de las partículas ultrafinas, y el radio del núcleo de agua está determinado por x=n(H2O)/n(surfactante).
Normalmente, el tamaño de partícula de las nanopartículas es mayor que el del núcleo de agua, lo que puede deberse a la acumulación de sedimentos en el núcleo de agua debido a los materiales rápidos entre los núcleos de agua.
En el proceso de preparación de microlíquido, debido a los diferentes tipos de fase oleosa, tensioactivo y cotensioactivo, la proporción de composición del microlíquido formado después de agregar la fase acuosa (solución acuosa de electrolito) es diferente, y la cantidad de agua solubilizada también es diferente.
Cuando los tipos de fase oleosa, tensioactivo y cotensioactivo son los mismos y la cantidad de fase acuosa cambia dentro de un cierto rango dentro de un rango de temperatura estable, el sistema también puede formar microlíquido.
En otras palabras, existe un límite máximo para la solubilización del agua y, dentro de ese límite, se pueden formar microlíquidos.
Superado este límite, el microfluido se estratificará.
Este límite máximo se suele denominar cantidad máxima de agua solubilizada.
Desde una perspectiva microscópica, las gotas de dos microlíquidos sufren un proceso de colisión, fusión, separación y recombinación para generar sustancias entre los micropiscinas de reacción de agua.
Debido al aumento de la solubilidad en agua, aumenta el número de micropiscinas por unidad de volumen, lo que aumenta en gran medida la probabilidad de colisión entre sustancias en las micropiscinas, lo que hace que las micropiscinas se agranden, se nucleen , y crecen rápidamente, y finalmente obtienen nanopartículas de mayor tamaño.
En términos generales, a medida que w aumenta, el tamaño de partícula del producto también muestra una tendencia creciente.
Resistencia de la película interfacial
La resistencia de la película interfacial también afecta directamente al tamaño de las nanopartículas.
Debido a que cuando la resistencia de la película de la interfaz es demasiado baja, la película de la interfaz se rompe fácilmente durante el proceso de colisión micelar, lo que resulta en la aparición de sustancias entre núcleos sólidos o entre nanopartículas en diferentes núcleos de agua, lo que dificulta la controlar el tamaño de las partículas cuando la resistencia de la película de la interfaz es demasiado alta, es difícil producir sustancias entre las micelas, lo que hace que la reacción no pueda continuar. Sólo cuando la resistencia de la película de la interfaz es apropiada se pueden proteger las nanopartículas generadas. y nanopartículas ideales obtenidas.
Los principales factores que afectan la resistencia de la película de la interfaz son: la proporción molar de agua a surfactante, el alcohol interfacial (es decir, el co-surfactante, que puede mejorar la flexibilidad de la interfaz y hacer es fácil de doblar para formar microlíquido). Concentración, longitud de la cadena de hidrocarburos del alcohol, longitud de la cadena de hidrocarburos del aceite, etc.
Tipos de tensioactivos
Los tensioactivos desempeñan un papel importante en el procesamiento de nanomateriales. Los diferentes tipos de tensioactivos influyen en la morfología y el tamaño de los nanomateriales.
No solo afecta el radio y la fuerza de la interfaz de las micelas, sino que también determina en gran medida los puntos de unión entre los núcleos cristalinos, lo que puede afectar la forma cristalina de las nanopartículas.
Temperatura de envejecimiento
Dentro del rango de temperatura termodinámicamente estable, el microlíquido tiene una apariencia isotrópica, de baja viscosidad, transparente o translúcida sin embargo, fuera del rango de temperatura termodinámicamente estable, es anisotrópico; .
La temperatura de reacción tiene una gran influencia en el tamaño del "micropool" en el sistema microlíquido.
Cuando la temperatura es demasiado baja, no se puede satisfacer la energía requerida para la reacción y la reacción es lenta; cuando la temperatura es demasiado alta, no sólo la mezcla de la fase oleosa se volatiliza demasiado rápido, sino que también se reduce; el entorno de reacción y destruye el sistema termodinámicamente estable del microlíquido. Además, las partículas chocarán entre sí, provocando aglomeración y tamaño excesivo de partícula.