具有油相隔离层的微流控法可控制备中空微纤维

谭昕玥，巨晓洁,2，谢 锐,2，汪 伟,2，刘 壮,2，褚良银,2

(1.四川大学化学工程学院；2.四川大学高分子材料工程国家重点实验室，四川 成都 610065)

中空微纤维是一种具有连续环形空腔的微纤维，具有质量轻、内径均匀、比表面积大等优点，在催化反应[1]、气体分离[2]、药物递送[3]、细胞培养[4]、传感器[5]等工业和生物医学领域具有重要应用价值。

常见的中空微纤维的制备方法有模板法[6]、湿法纺丝[7]、静电纺丝[8]和微流控法等，其中微流控法通过调控装置结构，流体黏度、流速和表面张力等参数可以精确调控流体在微通道内的流动状态，在连续制备具有可控结构的中空微纤维上具有显著优势。目前，采用微流控法制备微纤维有2 种方法，一种是控制聚合物流体在微流控装置通道内交联固化形成纤维[9]；另一种是将微流控与湿法纺丝相结合，通过将微流控装置出口没入凝固浴中，使聚合物流体在出口处发生交联固化[10]。以上2种方法，纤维交联固化的过程与微流控装置均有直接接触。当交联速度过快时，容易在通道中或者出口处形成固体杂质堵塞通道，中断生产，严重时甚至会导致装置报废。因此，研究者们一般通过在制备过程开始和结束时引入惰性流体代替含有交联成分的流体，用于稳定流形，避免流动混合引起交联堵塞[11]；或者通过在聚合物相与交联剂相之间引入缓冲溶液来减缓扩散交联速度，减小通道堵塞几率[12]。然而，以上方法均无法完全避免交联固化引起的装置堵塞。因此，开发能够有效避免交联堵塞通道、实现中空微纤维连续可控生产的方法很有必要。

Fig.1 Schematic illustration of CaAlg hollow microfiber preparation by microfluidic with oil phase as isolation layer(a): schematic diagram of coagulation bath; (b): schematic illustration of microfluidic device for jet template generation; (c,d):schematic diagram of the formation process of CaAlg hollow microfibers;(c): NaAlg coaxial jet formed in the oil phase isolation layer; (d): diffusion of Ca2+ to form CaAlg hollow microfibers

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

海藻酸钠（NaAlg）、正十六烷：分析纯，阿拉丁试剂有限公司；羧甲基纤维素钠（CMC）、氯化钙（CaCl2）：分析纯，成都市科龙化工试剂厂；分散红1：95%，河北百灵威超精细材料有限公司；去离子水：电阻率为18.2 MΩ·cm，源自Millopore Elix-10 纯水系统。

注射泵：LSP01-2A 型，保定兰格恒流泵有限公司；工业光学显微镜：BX-61 型，日本Olympus 公司；体式显微镜：SZ2-STU2 型，日本Olympus 公司；落地式离心机：Sorvall lynx4000 型，赛默飞世尔科技公司；手动位移齿轮齿条型光学CCD 架：LWZ40-L250型，东莞米思机械设备有限公司；低速滚筒收集装置：斯贝宁电纺设备及耗材；纯水系统：TEX-10 型，Millipore 公司。

1.2 中空微纤维的制备

1.2.1 溶液的配置：配置含有0.2%g/cm3分散红的1%g/cm3CMC 溶液作为内相溶液，分散红用于标记CMC 溶液便于后续观察；将NaAlg 溶解在去离子水中，配制浓度为1.5% g/cm3NaAlg 溶液，以15000 r/min 速度离心处理20 min，除去未溶解的杂质，同时排尽溶液中的气泡，作为外相溶液；将CaCl2溶解在去离子水中，配制浓度4% g/cm3的CaCl2水溶液作为凝固浴。正十六烷作为微流控装置与凝固浴之间的油相隔离层。

1.2.2 微流控装置的构建及实验平台的搭建：采用32G 和23G 不锈钢圆管和玻璃方形管构建了用于制备中空微纤维的一级微流控装置。32G 不锈钢圆管内径为110μm、外径为230μm，作为内相溶液通道；23G 不锈钢圆管内径为340μm、外径为640μm，作为外相溶液通道；玻璃方形管外径为1.4 mm，内径为1.0 mm。将玻璃方形管和不锈钢圆管如Fig.1(b)所示组装，调整其相互位置，使钢管中轴线重合，同时使2 根不锈钢圆管在出口处对齐。最后使用环氧树脂胶将装置黏合、固定在玻片上，从而构建得到用于制备中空纤维的微流控装置。

实验平台所需的设备有微流控装置、注射泵、显微镜、手动位移滑台、方形玻璃缸及低速滚筒收集装置。将手动位移滑台固定在方形玻璃缸的左侧，用于调节装置出口与凝固浴液面的距离，精度为1 mm。方形玻璃缸用作凝固浴容器，在其一侧底部和另一侧顶部固定有细钢管作为转向辊，用于调整纤维的移动方向。将低速滚筒收集装置固定在方形玻璃缸的右侧，用于纤维的拉伸收集，通过调整滚筒转速可以调节纤维的收集速度。为了便于观察出口处流体的流动状态，将体式显微镜固定在方形玻璃缸后侧。实验前，在方形玻璃缸上方内侧涂覆防雨易，对其内表面进行疏水改性，以便于在显微镜中清晰观察到油相隔离层与凝固浴水溶液的相界面。向方形玻璃缸注入4% g/cm3CaCl2水溶液，待液面稳定后，使用注射器将正十六烷缓慢覆盖在水面之上，形成油相隔离层（Fig.1(a)）。实验过程中，将微流控装置垂直固定在手动位移滑台的滑块上，通过调整手动位移滑台滑块的位置，调整微流控装置出口与凝固浴液面的距离。当射流进入凝固浴形成纤维后，使用镊子穿过转向辊手动将纤维牵引到收集滚筒装置上，以实现纤维的连续收集制备。

“好，同志们都到齐了，安静一下。今天是个高兴的日子，一来，为湖北黄梅的五个新同志举行一个正式的欢迎仪式，大家互相熟悉一下。”田志芳知道他是团长，但他今天的样子有点怪异，怀中扣着搪瓷盆子，盆口朝里，底朝大家，生怕被人抢了一样不松手，紧紧搂在胸前。他把五个人分别点名做了介绍，叫什么，分在哪个连队。五次掌声之后他接着说：“今天还是个大喜的日子，二来，我们要为两对新人举行结婚仪式。新郎新娘是谁呢？”他说完这句，故意停下来，像大家莫名其妙看着他一样，他好像一点也不知情环视着大家。

1.2.3 油层中同轴射流模板形成条件的探索：通过注射泵将NaAlg 溶液和CMC 溶液分别泵入微流控装置的外相通道和内相通道，溶液经装置出口流出后，在油相隔离层中形成同轴射流。当射流突破油水相界面进入凝固浴后，外相溶液中的NaAlg 与凝固浴中的Ca2+发生离子交联反应，形成CaAlg 凝胶纤维；而内相CMC 溶液不与Ca2+反应，依旧保持溶液状态，如Fig.1(c)和Fig.1(d)所示。因此，洗去内相溶液后，制备得到CaAlg 中空纤维。流体在微流控装置出口处存在液滴和射流2 种不同状态，只有当出口处流体保持连续稳定射流状态才能制备得到连续纤维。影响射流形成的主要因素为出口与凝固浴液面的距离(L)、外相溶液流速(Qo)、内相溶液流速(Qi)和滚筒的收集速度(u)，这些影响因素往往同时作用于流体，影响微流控装置出口处流体的流动状态。因此，探究方法如下。

（1）经过初步探索，首先固定装置出口与凝固浴液面的距离为2 mm，保持收集速度为0 r/min，内相流速为10μL/min，调节外相流速直至出口处形成连续射流，得到固定内相流速条件下能够在油相隔离层中形成稳定射流的外相流速范围。

（2）逐渐增大内相流速，重复步骤（1），得到收集速度为0 r/min 时，可在油相隔离层中形成连续射流的内外相流速范围。

当收集速度为0 r/min 时，射流进入凝固浴时，受到流体卷绳效应在液面作周期性旋转运动，交联后得到螺旋形CaAlg 微纤维。此时，纤维受到浮力作用，漂浮在凝固浴液面，导致后续射流进入凝固浴的状态受到影响，变得不稳定。因此，通过滚筒收集装置对进入凝固浴的射流施加拉力，既可以克服流体卷绳效应，又能将交联后的纤维及时转移，最终得到结构均一的CaAlg 中空纤维。因此，实验探索了收集速度对油相隔离层中射流形成的影响，步骤如下：

（3）根据步骤（2）所得结果，选择合适的内相流速，固定收集速度为10 r/min，调整外相流速，得到能够在出口处形成稳定射流的外相流速范围。

（4）逐渐增大收集速度，重复步骤（3），得到不同收集速度和外相流速条件下，射流的形成情况。

1.2.4 直线型CaAlg 中空纤维的制备：根据上述结果选择在距离为1 mm，2 mm，3 mm 时能够同时形成稳定射流的内外相流速和收集速度，探究出口与凝固浴液面距离对制备得到的中空纤维结构的影响。选择适合的出口与凝固浴液面的距离，保证制备过程中微流控装置出口与凝固浴溶液无接触，且适用的流速范围广，系统地探究内相流速、外相流速和收集速度对中空纤维结构的影响。使用去离子水冲洗制备得到的CaAlg 中空纤维，除去CMC 溶液和十六烷。最后将纤维保存在4% g/cm3CaCl2水溶液，以备后续表征。

1.3 测试与表征

采用体视显微镜（SZX16，日本Olympus）观察记录中空纤维模板的可控制造过程。随机剪取10 份长度约为5 cm 的CaAlg 中空纤维，使用工业显微镜（BX61，日本Olympus）的测量软件测量中空纤维的内径和外径，每根纤维随机取3 个点，误差由标准差计算得到。

2 结果与讨论

2.1 油层中射流模板的形成条件

2.1.1 出口与凝固浴液面间的距离对射流模板形成的影响：当射流通过油相隔离层进入凝固浴后，与射流相接触的局部凝固浴液面升高，将射流包裹住，此时出口与凝固浴液面的实际距离减小。当L=0.5 mm 时，出口由于凝固浴液面局部升高而没入凝固浴溶液中；当L=1 mm 时，出口与凝固浴溶液的实际距离仅约300μm，抗风险能力差，NaAlg 溶液在出口处仍有发生交联堵塞的可能；当L=2 mm 或L=3 mm 时，微流控装置始终不与凝固浴溶液相接触，不会发生交联堵塞的情况。

当收集速度为0 时，增大装置出口与凝固浴液面间的距离，流体在油相隔离层中的状态如Fig.2 所示。保持内外相流速分别为60μL/min 和400μL/min时，将出口与凝固浴液面的距离由1 mm 增大到3 mm，流体由射流状态转变为液滴状态，如Fig.2(a)所示。这可能是由于距离增大，射流还未来得及交联便在重力和表面张力作用下断裂形成液滴。同样情况下，外相流速为1000μL/min 时，距离由1 mm 增大到3 mm，油相隔离层中流体依然保持射流状态，如Fig.2(b)所示。由此可知，增大出口与凝固浴液面间的距离不利于在油相隔离层中形成射流，本研究中，2 mm 为最优距离。

Fig.2 State of the fluid in the oil phase isolation layer under different distances(a): Qo=400 μL/min; (b): Qo=1000 μL/min

2.1.2 内外相流速对射流模板形成的影响：当收集速度为0、出口与凝固浴液面保持2 mm 距离时，射流与内外相流速的关系如Fig.3 所示，图中红色圆点表示在油相隔离层中能成功形成射流的流速组合。当外相流速低于40μL/min 时，增大内相流速无法形成射流。外相流速保持40～60μL/min，为过渡阶段，此时内相流速对射流的形成产生影响，增大内相流速会导致NaAlg 溶液无法完全包封CMC 溶液，最终导致射流断裂。当外相流速高于80μL/min时，内相流速在0～100μL/min 范围内均可形成射流。由此可见，影响油相隔离层中射流形成的主要流速因素为外相溶液流速，外相流速越大，对内相溶液的包封能力越强，射流越稳定。

Fig.3 Effect of Qi and Qo on the formation of jets (u=0 r/min)

2.1.3 收集速度对射流模板形成的影响：由2.1.2 节可知，影响流体在油相隔离层中流动状态的主要流速因素为外相溶液流速，因此保持内相流速恒定为60μL/min，当L=2 mm 时，流体在油相隔离层中的状态随收集速度的变化如Fig.4 所示。当外相流速恒定时，射流受到的拉力随着收集速度的增大而增大，当拉力超过承受范围时，射流发生断裂，无法实现纤维的连续制备。增大外相流速，射流可以实现的收集速度越高。

Fig.4 Effect of collection speed on the state of jet (L=2 mm)

2.2 出口与凝固浴液面的距离对CaAlg 中空纤维结构的影响

CaAlg 中空纤维由射流模板在凝固浴中交联得到，因此，纤维的结构受到出口与凝固液面距离、内外相流速和收集速度的影响。当收集速度为10 r/min，内外相流速分别为1000μL/min 和60μL/min 时，中空纤维结构随出口与凝固浴液面距离的变化如Fig.5 所示。Fig.5(a)中无色透明部分为交联后的CaAlg 凝胶，浅橘色部分为分散红染色的CMC 溶液，因其不与凝固浴发生反应，清洗后形成中空结构。当距离由1 mm 增大到3 mm 时，中空纤维外径(Do)和内径(Di)的变化如Fig.5(b)所示，纤维的外径略微减小,而内径基本保持恒定。由此可知，当存在收集速度时，距离的变化对CaAlg 中空纤维的结构几乎没有影响。其结果与2.1.1 节结论相互呼应，在选择出口与凝固浴液面距离时，优先选择安全且适用流速范围广的高度，本实验中最优高度为2 mm。

Fig.5 Effect of the distance between the outlet and coagulation bath (L) on the diameter of CaAlg hollow microfibers(a): optical images of jets and CaAlg hollow microfibers; (b): effects of L on Di and Do of CaAlg hollow microfibers

2.3 流速对CaAlg 中空纤维结构的影响

2.3.1 中空纤维直径的预测模型：射流受到拉力通过油相隔离层进入凝固浴发生交联的过程类似于干湿法纺丝。干湿法纺丝过程通常分为2 个独立部分[13]：气隙区的伸长流动和凝固浴的双扩散。气隙区的伸长流动通常被看作熔体纺丝或干法纺丝的动力学模型，而凝固浴中的动力学可以视作湿法纺丝的动力学。在纺丝过程中，纺丝线的任何一点上，聚合物的流动是稳态且连续的[14]。稳态是指纺丝线上任何一点都具有各自恒定的状态参数，不随时间变化。在稳态纺丝条件下，纺程上各点每一瞬时所流经的聚合物质量相等，服从流动连续性方程所描写的规律。基于以上规律，对中空纤维的结构进行分析，中空纤维由两部分构成：内相CMC 溶液形成的空腔和外相NaAlg 溶液形成的凝胶壳层。在制备过程中，内相溶液保持溶液状态，而外相溶液发生交联反应转变为凝胶状态。因此，分别对CaAlg 中空纤维的内径和外径进行分析预测。

射流的最终速度需与滚筒的收集速度相匹配，才可实现纤维的连续制备。因此，滚筒的收集速度即为射流的最终速度。实验使用的滚筒收集装置直径(d)为0.09 m，根据式（1）得到转速(n)与射流最终速度(u)的换算关系，结果如Tab.1 所示

Tab.1 Relationship between rotation speed and final speed

（1）中空纤维的内径(Di)：CaAlg 中空纤维的中空部分由内相CMC 溶液形成，在制备过程中，CMC溶液不发生交联反应，保持溶液状态，ρ为常数，因此在任意截面A 处溶液的体积流量(Q)相等，即

式中：Qi——内相溶液的体积流量，m3/s；Di——中空纤维的内径，m；u——内相射流的最终速度，m/s。

（2）中空纤维的外径(Do)：中空纤维的实心部分为CaAlg 水凝胶。在制备过程中，NaAlg 水溶液与凝固浴中的Ca2+发生交联反应转变为CaAlg 水凝胶，其过程存在热量传递和质量传递，同时还伴有化学反应，情况复杂。因此，为了简化分析模型，推导过程仅考虑最终状态。假设NaAlg 溶液同CMC溶液一样，在凝固浴中不发生交联反应，始终保持溶液状态，则其服从式(2)所描写的规律，射流直径可由式(4)推理得到。然而实际上，NaAlg 水溶液在凝固浴中发生交联反应转变为CaAlg 水凝胶，密度发生变化。因此，在式(4)中引入参数(K)表示制备过程中交联反应及同轴装置对射流结构的影响，得到Do的推导公式

式中：Qa，Qi，Qo——总流量、内相流量、外相流量，m3/s；Do——中空纤维的外径，m；u—收集速度，m/s；K值由实验得到。

（3）单位换算：为了直观展示流量变化对纤维直径的影响，将式(4)、式(5)中的流量国际标准单位m3/s 换算为实验使用的流量单位μL/min，将长度的国际标准单位m 换算为实验所使用的μm，得到

式中：Di，Do——中空纤维的内径、外径，μm；Qa，Qi，Qo——总流量、内相流量、外相流量，μL/min；u——收集速度，m/s。

2.3.2 外相流速对CaAlg 中空纤维结构的影响：当内相流速为60μL/min，收集速度为20 r/min 时，CaAlg中空纤维结构随外相流速的变化如Fig.6(a)所示。随着外相流速的增大，油相隔离层中射流的直径略微增大，稳定性增强，得到的中空纤维外径明显增大，内径无明显变化。纤维表面出现褶皱，这是因为在收集过程中凝胶纤维受到了来自转向辊和滚筒的摩擦力，表面变得粗糙。CaAlg 中空纤维的内径随外相流速的变化规律如Fig.6(b)所示，图中数据点表示实验数据，虚线表示根据公式(6)得到的预测值，为116μm。将实验值与预测值进行比较，相对误差由式(8)计算得到，分别为0.94%，4.62%，1.27%，2.16%和3.91%，表明实验值与预测值基本吻合，该分析模型对中空纤维的内径适用。同时也说明了调节外相流速对于中空纤维的内径几乎没有影响。

Fig.6 Effects of Qo on the diameter of CaAlg hollow microfibers

Fig.6(c)为中空纤维外径随外相流速的变化规律。假设NaAlg 溶液不发生交联反应，保持溶液状态，则根据式(6)得到射流的预测直径，将其与交联后CaAlg 纤维的实际直径做对比，取比值的平均值作为参数(K)，为0.6036，将K值带入式(7)则有

计算得到的K值将利用后续数据进行验证。

2.3.3 内相流速对CaAlg 中空纤维结构的影响：当外相流速为1000μL/min，收集速度为20 r/min 时，CaAlg 中空纤维结构随内相流速的变化如Fig.7 所示。Fig.7(a)为油相隔离层中射流的光学图片和对应条件下制备得到的CaAlg 中空纤维的光学图片。从图中可以看出，增大内相流速，可以明显增大中空纤维的内径，而外径无明显变化。

Fig.7 Effects of Qi on the diameter of CaAlg hollow microfibers

Fig.7(b)和Fig.7(c)分别展示了中空纤维内径和外径随内相流速的变化关系。当内相流速由20μL/min 增大到100μL/min 时，纤维的内径由75μm 增加到151μm，增大了50%，而外径几乎无变化，对应壁厚则由117μm 减小至79μm，与光学图片观察到的趋势相吻合。Fig.7(b)中虚线为根据式(6)得到的中空纤维内径随内相流速变化的预测曲线。将预测值与实验数据相比较，相对误差分别为11.58%，6.10%，0.75%，4.05%和0.42%，说明实际值与预测值较吻合，进一步证明式(6)可用于预测纤维的内径随内相流速的变化。

根据式(9)得到中空纤维的预测外径，如Fig.7(c)虚线所示。此时，实验数据与预测值的相对误差分别为6.71%，5.27%，2.25%，0.74%和2.68%，进一步验证了式(9)用于预测CaAlg 中空纤维外径的准确性。

2.4 收集速度对CaAlg 中空纤维结构的影响

滚筒的收集速度为射流的最终速度，改变收集速度将对由射流模板交联得到的CaAlg 中空纤维的结构产生影响。当外相流速为1000μL/min，内相流速为60μL/min，CaAlg 中空纤维直径随收集速度的变化如Fig.8 所示。随着收集速度的增加，油相隔离层中射流的直径明显减小，导致纤维的外径和内径均发生明显减小（Fig.8(a)）。纤维外表面出现褶皱，随着收集速度的增加，褶皱变得明显，这可能是由于收集速度增大，纤维表面所受摩擦力增加所致。当收集速度由10 r/min 增大到50 r/min 时，纤维的外径由445μm减小到187μm，减小了58%，内径由165μm减小至74μm，减小55%，其变化规律如Fig.8(b)和Fig.8(c)所示。当内外相流速恒定时，中空纤维的内径和外径均同收集速度成乘幂关系，指数为-0.5。

Fig.8 Effects of u on the diameter of CaAlg hollow microfibers

3 结论

本文采用具有油相隔离层的微流控法可控制备得到结构均一的CaAlg 中空纤维，通过调整内外相流速和收集速度可以精确调控中空纤维的直径。根据流动连续性方程建立了分析模型用于预测内相流速、外相流速和收集速度对中空纤维直径的影响，并通过实验验证了预测的准确性。在制备过程中，微流控装置与凝固浴无直接接触。由于油水相界面的存在，凝固浴中的Ca2+无法通过扩散作用与出口处液滴状态的NaAlg 发生交联，避免了流动中断时由于快速交联引起的出口堵塞，使制备过程更加安全，为连续稳定制备CaAlg 中空纤维提供了新思路。