Πειραματική μελέτη ροής σε υπερυδρόφοβα και υπερυδρόφιλα μικροκανάλια και μικροαναμίκτες

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η ροή σε υπερυδρόφοβα και υπερυδρόφιλα μικροκανάλια με τη μέθοδο micro-PIV καθώς και η ροή κατά την ανάμιξη σε μικροαναμίκτη σχήματος Υ. Ο πειραματικός εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε για την διεξαγωγή των πειραμάτων περιέλαμβανε: ανεστραμμένο μικροσκόπιο με δυνατότητες μεγέθυνσης 10Χ, 16Χ, 20Χ και 32Χ, Laser Nd-YAG που εκπέμπει στα 532 nm, μικροαντλία, κάμερα CMOS 1,4 MP, σωματίδια πολυστυρενίου διάστασης 1 μm που εκπέμπουν στα 560 nm και χρησιμοποιήθηκαν ως σωματίδια ανιχνευτές στα πειράματα με τα μικροκανάλια, τη φθορίζουσα ουσία εοσίνη που εκπέμπει στα 545 nm και χρησιμοποιήθηκε ως ουσία ανάμιξης στα πειράματα με τους μικροαναμίκτες, μικροπίπετα για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης των σωματιδίων πολυστυρενίου και μικροκανάλια τραπεζοειδούς διατομής και μικροαναμίκτες σχήματος Υ ορθογωνικής διατομής κατασκευασμένα από PMMA με εν θερμώ σφράγιση. Στα πειράματα με τα υπερυδρόφοβα και υπερυδρόφιλα μικροκανάλια, χρησιμοποιήθηκαν παροχές 5-150 μL/min, συγκέντρωση σωματιδίων πολυστυρενίου 25 και 35 μL σε 5 mL νερού και ensemble PIV ως αλγόριθμος επεξεργασίας. Λήφθηκαν μετρήσεις σε διάφορα βάθη εστίασης, τόσο στο μέσο του μήκους των μικροκαναλιών, όσο και στην είσοδο και έξοδο τους με τη μεγέθυνση του φακού να είναι 32Χ. Τα αποτελέσματα έδειξαν σαφείς διαφοροποιήσεις των προφίλ ταχυτήτων των υπερυδρόφοβων και υπερυδρόφιλων μικροκαναλιών στις περιοχές κοντά στα τοιχώματα της μικρής και μεγάλης πλευράς των μικροκαναλιών. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι 3 τοιχώματα (πλάγια τοιχώματα, μικρή πλευρά) είχαν υποστεί επεξεργασία για απόκτηση υπερυδρόφοβων ιδιοτήτων, ενώ η μεγάλη πλευρά έφερε την επίστρωση σφράγισης. Έτσι, στην περιοχή κοντά στη μικρή πλευρά η επίδραση της υπερυδροφοβικότητας ήταν έντονη με αποτέλεσμα οι ταχύτητες στο υπερυδρόφοβο μικροκανάλι να είναι μεγαλύτερες από αυτές στο υπερυδρόφιλο, ενώ στην περιοχή κοντά στη μεγάλη πλευρά, λόγω της αρχή της συνέχειας, παρατηρούνταν το αντίστροφο φαινόμενο. Στην ενδιάμεση περιοχή τα προφίλ ταχυτήτων των μικροκαναλιών σχεδόν ταυτίζονταν. Στο πείραμα της ανάμιξης χρησιμοποιήθηκαν παροχές 5-60 μL/min, εοσίνη και διάλυμα 35 μL σωματιδίων πολυστυρενίου σε 5 mL νερού ως αναμιγνυόμενες ουσίες. Λήφθηκαν μετρήσεις στην είσοδο και στην έξοδο του μικροαναμίκτη με τη μεγέθυνση του φακού να είναι 16Χ. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι με τον μικροαναμίκτη που χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή του πειράματος ανάμιξης τα δύο ρεύματα δεν αναμιγνύονται πλήρως, που ήταν αναμενόμενο αφού σε αυτού του είδους τους μικροαναμίκτες η ανάμιξη γίνεται μόνο μέσω μοριακής διάχυσης. Επίσης, παρατηρήθηκε καλύτερη ανάμιξη για παροχή 5 μL/min ενώ για παροχές μεγαλύτερες των 5 μL/min τα δύο ρεύματα αναμιγνύονται ελάχιστα. Το παραπάνω φαινόμενο είναι αναμενόμενο αν ληφθεί υπόψιν ότι η μοριακή διάχυση ευνοείται για χαμηλές τιμές του αριθμού Peclet, άρα και για χαμηλές ταχύτητες και χαμηλές παροχές.

The present experimental Diploma thesis examines the flow field in microchannels of trapezoidal cross section 100 micron deep with superhydrophobic and superhydrophilic surfaces using the micro PIV technique as well as the efficiency of Y- type micromixers of orthogonal cross section. The flow velocities close to the small side of the cross section for the superhydrophobic microchannels were measured to be higher compared to the corresponding ones of the superhydrophylic case. However, close to the longer side of the cross section the reverse occurs while close to the middle of the microchannel depth both velocities are practically equal. The mixing in the micromixer was more efficient for the low flow rate cases most probably due to the action of molecular diffusion.