Mikrofluidní zařízení vyrobené 3D tiskem – generátory kapek

Jan Mucha

Master's thesis

3D printed microfluidic devices – droplet generators

Abstract:

Diplomová práce se zabývá studiem tvorby kapek v mikrofluidních zařízeních vyrobených 3D tiskem metodou FDM. Práce je rozdělena na teoretickou a experimentální část. Hlavním bodem teoretické části je charakterizace mikrofluidních zařízení, výčet jejich výhod, nevýhod a oblastí možných praktických využití. Konkrétněji jsou uvedeny generátory kapek, jejich typy a možnosti popisu jejich chování. Další kapitoly jsou zaměřeny na vybrané metody 3D tisku, charakterizaci emulzí a CFD simulace, jejichž obliba a možnosti využití rostou úměrně s vývojem a zvyšováním výkonu výpočetních technologií. Experimentální část práce je složena ze dvou hlavních bodů. Prvním bodem je studium vybraných povrchově aktivních látek (laurylsíran sodný, oleát sodný, propylenglykol monostearát), které byly navrženy pro použití v dispergačních experimentech. Toto studium sestává z měření povrchového a mezifázového napětí roztoků obsahujících PAL na zařízení Krüss K100 metodou Du Noüy (odtrhávání ponorného kroužku), vyhodnocení experimentálních dat a stanovení kritických micelárních koncentrací (CMC). Druhým a hlavním bodem jsou dispergační experimenty ve 4 mikročipech lišících se pouze velikostí výstupního kanálu. Pro vyhodnocení experimentálních dat je použit speciální software pro obrazovou analýzu kapek ADM (Automated droplet measurement). Je studována velikost produkovaných kapek a rozdíl v chování kapek vlivem rozdílné velikosti výstupního kanálu. Taktéž jsou studovány distribuční funkce velikosti kapek, jejich rychlosti a vzdálenosti mezi jednotlivými kapkami. Výčet nejdůležitějších poznatků je: - 3D tiskem lze vyrobit mikrofluidní generátory kapek, které jsou schopny produkovat monodisperzní emulze (variační koeficient nepřekročil hodnotu 4 %). - Velikost produkovaných kapek lze pro daný systém předpovědět dle rovnice: D=1,27-0,16⋅ln⁡(Qc/Qd -0,88) - Rychlost kapek je nepřímo úměrná velikosti výstupního kanálu. - Rychlost kapek se pohybuje přibližně v polovině mezi průměrnou a maximální rychlostí proudění kapalin ve výstupním kanále (viz. parabolický profil proudění).

Abstract:

The Master thesis deals with study the of droplet forming in microfluidic devices made by FDM 3D printing method. The thesis consists of two parts, theoretical and experimental. The theoretical part mainly focuses on characterization of microfluidic devices, listing their advantages, disadvantages and the fields of practical use. A considerable focus is on droplet generators, their types and the options in which their behaviour may be interpreted. Subsequently, the theoretical part also touches on the topic of 3D printing methods, emulsions and CFD simulations. The experimental section is composed of two main parts. First of them is a study of selected surface active agents namely sodium lauryl sulfate, sodium oleate, and propylene glycol monostearate which were determined as usable for dispersion experiments. This study consists of measuring surface and interfacial tension of surfactant solutions on laboratory equipment Krüss K100 by Du Noüy method, evaluation of experimental data and determination critical micellar concentrations (CMC). The second part involves dispersion experiments in 4 microchips which are only different in size of the outlet channel. For evaluating the experimental image data, the special software ADM (Automated droplet measurement) is used. The size of formed droplets and difference in their behaviour influenced by the contrasting size of the outlet channel is studied. Distribution of size, velocity and distance between the flowing droplets are also analysed. The following is a list of the most important findings: - By 3D print it is possible to make microfluidics droplet generators which can produce monodisperse emulsions (coefficient of variation doesn’t exceed 4 %). - Size of formed droplets can be predicted by following equation: D=1,27-0,16⋅ln⁡(Qc/Qd -0,88) - Velocity of droplets is inversely proportional to size of outlet channel. - Velocity of droplets is approximately between the maximum and average velocity of fluid flow in the outlet channel (parabolic velocity flow profile).

Keywords

3D tisk, FDM, mikrofluidní zařízení, emulze, kapky, obrazová analýza, povrchové napětí, mezifázové napětí, CFD simulace

Keywords

3D printing, FDM, microfluidic devices, emulsions, droplets, image processing, surface and interfacial tension, CFD simulations

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 4. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 28. 5. 2019
• Supervisor: Marek Večeř
• Reader: Petr Stavárek

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Master programme / field:
Procesní inženýrství / Chemické a environmentální inženýrství