基于3D打印的多喷嘴模块及其大批量生产颗粒的装置和技术的制作方法

本发明涉及微流控芯片制备微颗粒技术领域，尤其是涉及一种基于3D打印的多喷嘴模块及其大批量颗粒生产技术。

背景技术：

功能性微颗粒材料在生物工程、催化反应、化学吸附以及制药领域等诸多方面均有重要应用。理想的球形颗粒需要较均匀的粒径分布，化学性能稳定，对环境、生物等危害小，颗粒制备环节要求简易快捷，容易控制颗粒粒径，成本低廉，还要便于放大量产。然而在传统的制备方法中，例如膜分散、机械搅拌、静态混合、胶体磨和超声分散等，虽然可有效地进行大规模的生产，但一般只能得到球形颗粒，所得聚合物材料尺寸的均一性与过程的可控性难以得到保证。因此如何制备尺寸均匀统一的微颗粒是当前研究的一个热点。

微反应器或微流控等新技术是如今实现功能性微颗粒材料制备的主要平台。微尺度下，微反应器或微流控设备体积小，安全，传热传质效率高，使得生产效率大大提高。利用这种技术生产的微颗粒尺寸大小均匀，精度高且可控，能根据需求制备不同形貌的功能颗粒，同时方便于工业生产中大规模集成。

利用微反应器或微流控技术制备微颗粒的前提是能够制备出尺寸精确的微流控颗粒生产芯片，进而保证制备出大小均匀的微液滴。目前微流控芯片的加工制造方法主要有硅/聚合物表面微加工、软印、压印、注射成型、激光烧蚀、PMMA热压法、LIGA技术、刻蚀技术、3D打印结合PDMS浇筑技术等，这些方法都是为了加工出尺寸精确的微流道，从而方便后续采用微流体法等制备粒径均匀的颗粒。使用微流体法制备的微液滴大小均一，产量高，但它也有许多缺点：

(1)微流控中所需的剪切相通常为正辛烷、液体石蜡等有毒油类，还需要添加SP80等表面活性剂，所制备的液滴也会混有这些有毒物质，因此在医疗、食品、生物制药领域中并不适用。

(2)微流控中连续相和分散相的流速比通常为6～10倍，当分散相粘度较大时，微液滴难以成型，即使到了20倍的流速比也不一定能成颗粒，因此在颗粒材质的选择上有所局限。

(3)微流控法在分散相溶液中只能添加一些能溶解的试剂，对于一些固体颗粒容易造成微流道堵塞，不适合悬浊液制备颗粒。

(4)微流控法需要额外增加剪切相，因此另外需要增加注射泵，成本高，操作过程更难控制，干扰因素更多。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于3D打印技术的多喷嘴模块大批量颗粒生产技术。

本发明的技术方案如下：

一种基于3D打印的多喷嘴模块，其特征在于，所述喷嘴模块由多个独立单通道喷嘴集成，每个独立单通喷嘴分别与液相分配器9和气相分配器2连接，液相分配器9连接总进液口8，气相分配器2连接总进气口1，整个模块3D打印一次成型。

根据本发明所述的基于3D打印的多喷嘴模块，所述独立单通道喷嘴设置输液通道4，其一端与所述液相分配器9连接，另一端连接出液口7，液体通过输液通道4从液相分配器9输入，经中间流道从出液口7滴出；所述独立单通道喷嘴设置输气通道3，其一端与所述气相分配器2连接，另一端经同轴环隙流道5与出气口6连接，气体通过输气通道3从气相分配器2输入，经同轴环隙流道5从出气口6喷出。在出液口7处，气体对生成的液滴颗粒产生环向切割，吹落生成的液滴颗粒。

根据本发明所述的基于3D打印的多喷嘴模块，独立单通道喷嘴采用环隙吹气结构，内层通液，外层通气，整个喷嘴模块采用环形对称的设计结构，尽可能保证流体分配的均匀。中间液相流道出口高出环隙流道0.5mm。

根据本发明所述的基于3D打印的多喷嘴模块，进一步，出液口7的内径可选择0.1～0.5mm，输液通道的内径可选0.3～2mm，出气口与出液口的环间隙可选择0.2～0.5mm，输气通道的内径可选0.5～3mm。

根据本发明所述的基于3D打印的多喷嘴模块，进一步，液相分配器9中进液口流道略高于各个输液通道4入口。各个输液通道入口4之间距离只有0.5mm，尽可能减小液相分配器直径，增加分配均匀性。

根据本发明所述的基于3D打印的多喷嘴模块，进一步，模块的最小壁厚0.5mm。节约3D打印原料光敏树脂，同时降低打印难度。

本发明还提供一种基于3D打印的多喷嘴模块大批量颗粒生产装置，所述装置由空压机，恒压泵，流量计，多喷嘴模块，注射泵，管路组成，空压机作为气源产生气体，经恒压泵达到稳定设定的压力，经流量计读出流量示数，最终进入喷嘴模块制备液滴。

本发明还提供一种所述的基于3D打印技术的多喷嘴模块大批量颗粒生产技术，应用上述基于3D打印的多喷嘴模块大批量颗粒生产装置，空压机设定出口压力值0.4Mpa，恒压泵压力0～0.11Mpa。

根据本发明所述的基于3D打印技术的多喷嘴模块大批量颗粒生产技术，喷嘴模块由多个独立单通道喷嘴集成，每个喷嘴分别和液相分配器9气相分配器2连接，液、气分配器连接总进液口8、总进气口1，整个模块3D打印一次成型；单个喷嘴中液体通过输液通道4从液相分配器9输入，经中间流道从出液口7滴出；气体通过输气通道3从气相分配器2输入，经同轴环隙流道5从出气口6喷出；在出液口7处，气体对生成的液滴颗粒产生环向切割，吹落生成的液滴颗粒；单个喷嘴采用环隙吹气结构，内层通液，外层通气，整个喷嘴模块采用环形对称的设计结构，尽可能保证流体分配的均匀；中间液相流道出口高出环隙流道0.3mm；液相分配器9中进液口流道略高于各个输液通道4入口；各个输液通道入口4之间距离0.5mm；模块的最小壁厚0.5mm；出液口7的内径可选择0.1～0.5mm，输液通道的内径可选0.3～2mm，出气口与出液口的环间隙可选择0.2～0.5mm，输气通道的内径可选0.5～3mm。

本发明所述基于3D打印技术的多喷嘴模块大批量颗粒生产技术，包括以下步骤：

(1)使用计算机辅助三维绘图软件设计单个两相流喷嘴结构；

(2)绘制一个模块，使其同时整合包含多个喷嘴；

(3)利用3D打印前处理软件对三维多喷头结构模块进行逐层切片；

(4)利用3D打印机打印出喷嘴实体；

(5)通过管路连接喷头、流量计、恒压泵、计量泵等组成批量颗粒生产系统。

本发明公开了一种基于3D打印技术的多喷嘴模块大批量生产颗粒的技术方法及其应用；单喷嘴为同轴环隙吹气结构，中间为液体流道，同轴环隙为气体流道，基于两相流切割原理，利用空气切割液相流体，产生液滴颗粒。通过对气、液体出口压力和流速的控制，可获得不同粒径的液滴。喷嘴数量可根据液滴产量需求设计，液、气体通过分配器实现均匀分布，获得高的液滴生产效率。实现该技术的具体方法为：1)计算机辅助设计软件设计两相流喷嘴结构；2)3D打印机打印出喷嘴实体；3)通过管路连接喷头、流量计、恒压泵、气泵等组成颗粒生产系统，控制气液流速比制备所需粒径的液滴。本发明中3D打印喷嘴模块制备简单，材料成本低，不需要其他复杂的机械加工方法。相比于其他微流控芯片技术制备功能颗粒的方法，本发明所制备颗粒不受连续相、表面活性剂等毒性物质污染。尤其适用于高粘度溶液、含不溶性颗粒悬浊液液滴的制备，可广泛用于医疗、石油、生物、环保等领域，适合工业大规模生产

发明详述

一种基于3D打印技术的多喷嘴模块大批量颗粒生产技术，包括以下步骤：

步骤(1)：使用计算机辅助三维绘图软件设计单个两相流喷嘴结构；

步骤(2)：绘制一个模块，使其同时整合包含多个喷嘴；

步骤(3)：利用3D打印前处理软件对三维多喷头结构模块进行逐层切片；

步骤(4)：利用3D打印机打印出喷嘴实体；

步骤(5)：通过管路连接喷头、流量计、恒压泵、计量泵等组成批量颗粒生产系统。

优选的，所述的3D打印机是立体光刻(SLA)打印机。

优选的，所述的多微管两相流喷嘴模块的材料为pic100等不透明树脂。

优选的，步骤(1)中，单个两相流喷嘴喷嘴具有双层结构，内层通液，外层通气。两相流喷嘴的出液口直径为0.1～0.5mm。两相流喷嘴的出气口环隙间隙为0.2～0.5mm。两相流喷嘴的出液口细管长度为3～10mm。

优选的，步骤(1)中，两相流喷嘴的气体流道形状对称，用以保证各个方向喷出的气体流量均匀，从而微液滴能够垂直落下。

优选的，步骤(2)中，喷嘴均匀分布与同一个圆周上。

优选的，步骤(2)中，各个喷嘴之间的最小距离为2mm，各部分最小壁厚为1mm，在保证结构强度的同时减少原料的使用。

优选的，步骤(2)中，气相再分配器与液相再分配器之间需要有一个空心圆柱支撑，增加结构强度。

优选的，步骤(2)中，液相再分配器中进液口略高于其中各个输液通道入口，液相进入模块后，先达到一定体积再分别流入各个流道，从而保证了各个流道液相的流量均匀。

优选的，在空压机和喷头之间连接有恒压泵和转子流量计。

本发明制备出的微颗粒直径为0.4～2mm，可根据溶液粘度调节气速及压力，可选用的液相基本不受限制，也适用于一些含固体粉末的悬浊液。

本发明中，气相压力约为0.02～0.1MPa，气相流量约为800～2000L/h，还可根据溶液粘度适当调节。

本发明中，液相流量约为100～800μL/min。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明基于3D打印技术的多喷嘴模块，制备过程简便，材料成本低廉，不需要PDMS浇筑，不需要其他复杂的机械加工方法，因此节省时间以及加工成本。可以制备结构复杂的流道，流道形状及精度可控，适合于工业大规模制造。

本发明基于3D打印技术的多喷嘴模块大批量颗粒生产技术，相比于微流控技术及传统工艺，利用两相流喷嘴，液相的选择不受粘度影响。剪切相使用空气，气速可调范围大，环保无毒，成本低廉，容易操控，可用于医疗、生物、制药、食品等行业，适用范围广。

本发明基于3D打印技术的多喷嘴模块集成了多个喷嘴且数量可调，模块之间也容易叠加放大，极大的增加了生产速度。多个模块同时工作，生产效率高，产量大，具有良好的应用前景。

本发明基于3D打印技术的多喷嘴模块制造过程简单快捷，画完三维图纸即可打印成型，生产速度快，节约人力物力。并且不需要外加管道接头，所有结构都是一次成型，可根据实际管道尺寸直接打印出对应接头。

本发明喷嘴流道出口直径0.5mm左右，长度大约5mm即可，适合目前的桌面级DLP、SLA打印机打印。相比直接3D打印制造长度较长的微流道芯片，打印过程中微流道更不容易堵塞，大大降低产品报废数量。

本发明颗粒生产技术中，在空压机和喷嘴之间连接有转子流量计和恒压泵，容易控制喷嘴空气入口压力及流量，从而保证喷嘴出口气速稳定，最终控制微颗粒粒径分布均匀。

附图说明

图1为本发明包含有液相入口截面的剖视图；

图2为本发明气相均匀再分配器剖视图；

图3为本发明总体外观示意图；

图4为本发明大批量颗粒生产技术装置流程图；

图5为本实施例一13流道喷嘴模块批量制备海藻酸钙、碳酸钙颗粒粒径分布图，所选压力在0Mpa～0.09Mpa之间；

图6为本实施例一喷嘴模块在0.05MPa下制备的碳酸钙球行颗粒经过低温真空冷冻干燥后的SEM照片，粒径为0.75mm；

其中：1-总进气口，2-气相分配器，3-输气通道，4-输液通道，5-同轴环隙流道6-出气口，7-出液口，8-总进液口，9-液相分配器，10-空心支撑，11-注射泵，12-喷嘴模块，13-磁力搅拌器，14-流量计，15-恒压泵，16-空压机。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改变和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1是本发明的剖视图，主要包含多个两相流喷嘴，其由两个出口，即液相出液口7和气相出气口6组成。将恒压泵出口与总进气口1用3mm塑料硬管相连，注射泵出口与总进液口8采用3mm普通软管连接，气体与液体分别由入口进入至气相均匀再分配器2与液相均匀再分配器9，经均匀分配后进入各自的流动通道。通过调节输液泵流量和空压机流量，使得液体被气体分割，得到符合要求的微液滴。

一种基于3D打印的多喷嘴模块，所述喷嘴模块由多个独立单通道喷嘴集成，每个独立单通喷嘴分别与液相分配器9和气相分配器2连接，液相分配器9连接总进液口8，气相分配器2连接总进气口1，整个模块3D打印一次成型。所述独立单通道喷嘴设置输液通道4，其一端与所述液相分配器9连接，另一端连接出液口7，液体通过输液通道4从液相分配器9输入，经中间流道从出液口7滴出；所述独立单通道喷嘴设置输气通道3，其一端与所述气相分配器2连接，另一端经同轴环隙流道5与出气口6连接，气体通过输气通道3从气相分配器2输入，经同轴环隙流道5从出气口6喷出。在出液口7处，气体对生成的液滴颗粒产生环向切割，吹落生成的液滴颗粒。

实施例1

本发明涉及一种基于3D打印技术的多喷嘴模块大批量颗粒生产技术，所述方法包括如下步骤：步骤(1)，使用SOLIDWORKS软件设计单个两相流喷嘴结构，其中液相出口直径为0.5mm，长度为9.2mm，壁厚为1.5mm；

步骤(2)，使用计算机辅助三维绘图软件设计一个模块，如图1所示，并使其整合多个喷嘴,模块最小壁厚为0.5mm，输液通道直径2mm，输气通道直径3mm，喷嘴数量13；

步骤(3)，切除模块多余部分，减轻整体重量，节省原料及模块重量。

步骤(4)，利用B9Creator打印机打印出相应实体。

步骤(5)，将打印出的模块置于酒精中清洗，保证管路不堵塞并在紫外光下照射后固化，令整个零件完全固化成型。

步骤(6)，将打印完成的13流道多喷嘴模块，按照图4流程顺序连好，检查接口气密性，在喷嘴下方放置5％氯化钙溶液作为接收相。

步骤(7)，50℃恒温水浴中配置2％海藻酸钠溶液50ml，并加入1.5g碳酸钙粉末，搅拌均匀形成粘度较大的悬浊液，加到注射泵中。生成的海藻酸钠微液滴，包覆有氧化铝粉末，在氯化钙溶液中反应固化生成海藻酸钙固体颗粒微球。

步骤(8)，控制喷嘴出口距离氯化钙液面4cm，设定注射泵流量5.2mL/min，气体入口压力分别为0Mpa～0.09Mpa之间多种工况多次实验，制备出不同粒径的含固体颗粒碳酸钙海藻酸钙微球。成品球型颗粒的粒径分布如图5所示，(a)0.090MPa(b)0.080MPa(c)0.070MPa(d)0.060MPa(e)0.055MPa(f)0.050MPa(g)0.045MPa(h)0.040MPa(i)0.035MPa(j)0.030MPa(k)0.025MPa(l)0.015MPa(m)0MPa，可根据实际需求，调节压力，从而得到预期的固体颗粒。