22575

شبيه سازي هيدروديناميكي توليد يك نمونه نانوذره پليمري در ميكروكانال

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1397

1399/07/15

دكتر سلمان موحدي راد

دكتر مجيد قجاوند

مهندسي شيمي،‌ نفت و گاز

سنتز ذرات با استفاده از روش‌هاي مبتني‌بر ميكروفلوئيديك (ريزسيالش)، با فراهم‌آوردن امكان كنترل دقيق پارامترهاي مرتبط با فرآيند سنتز، موجب دستيابي به ذراتي با ابعاد دقيق و كنترل‌شده مي‌شود. در اين پايان‌نامه سنتز نانوذرات پليمري از جنس پلي‌كاپرولاكتون (PCL ) با استفاده از روش ريزسيالش انجام شد. بدين منظور دو هندسه مختلف مورد بررسي قرار گرفت. در هندسه نخست، دستگاه كاپيلاري براي ساخت ريزتراشه از جنس شيشه طراحي و ساخته و ميكروچيپ (ريزتراشه) مورد نظر براي سنتز نانوذرات PCL با استفاده از آن به‌كار گرفته شد. هندسه دوم نيز يك دستگاه از جنس سيليكون-پيركس با دو ورودي زاويه‌دار براي فاز پيوسته و يك زاويه واگرايي در خروجي ميكروكانال بود كه شبيه‌سازي اين هندسه با مطالعات تجربي مقاله مرجع مورد مقايسه قرار گرفت. در ادامه با استفاده از ريزتراشه، ذرات مورد نظر ايجاد شده و از نظر شكل، توزيع اندازه و ثبات تركيب شيميايي بررسي شدند. همچنين در اين پايان‌نامه، شبيه‌سازي هيدروديناميكي توليد نانوذره پليمري PCL با استفاده از نرم‌افزار COMSOL Multiphysics 5.4 با هندسه درنظر گرفته‌شده براي اين كار، انجام شد. همان‌طور كه مشخص است، با تغيير پارامترهايي مانند غلظت فازهاي پيوسته و پراكنده و همچنين تغيير سرعت فازها مي‌توان اندازه ذرات حاصل را تغيير داده و كنترل نمود. سپس مراحل تشكيل نانوذره، تعيين رژيم جريان و مكانيسم انتقال جرم قطره توليدي در ميكروكانال مورد بررسي قرار گرفت و به همين نحو، نرخ انتقال جرم و زمان جامدسازي محاسبه شد. مشاهده شد كه با استخراج حلال از فاز پراكنده به فاز پيوسته، نرخ انتقال جرم افزايش مي‌يابد. همچنين تخميني از قطر نانوذره توليدي با استفاده از روش‌هاي مبتني‌بر كروليشن، روش هيدروديناميكي و پردازش تصوير انجام شد. در آخر نيز نتايج شبيه‌سازي ميكروكانال با مطالعات تجربي انجام‌گرفته مورد مقايسه قرار گرفت و گزارشي از دانسيته مش مورد بررسي واقع شد. همچنين در اين پژوهش اثبات شد كه با استفاده از ريزسيالش فشار بالا مي‌توان به نانوذرات پليمري PCL با ويژگي‌هاي بسيارمطلوب دست يافت.

1399/08/05

Hydrodynamic Simulation to Produce a Polymeric Nanoparticle Sample in the Microchannel

10/6/2020 12:00:00 AM

Particle synthesis using microfluidic methods, by providing the possibility of precise control of parameters related to the synthesis process, achieves particles with uniform and controlled size. In this dissertation, polycaprolactone (PCL) nanoparticles were synthesized using microfluidic method. For this purpose, two different geometries were studied. In the first geometry, a glass capillary device was designed and fabricated and the desired microchip was used to synthesize PCL nanoparticles. The second geometry was a silicon-pyrex device with two angled inputs for continuous phase and one divergence angle at the microchannel output. The simulation of this geometry was compared with the experimental studies of the reference paper. Then, by using microchip, the desired polymeric particles were produced and in terms of shape, size distribution and stability of the chemical composition were investigated. Also in this dissertation, hydrodynamic simulation of PCL nanoparticle production was performed using COMSOL 5.4 Multiphysics software with the geometry intended for this purpose. As it is known, by changing parameters such as the concentration of continuous and dispersed phases as well as changing the velocity of the phases, the resulting particle size can be changed and controlled. Then, the steps of nanoparticle formation, determination of flow regime and the mass transfer mechanism of the produced droplets in the microchannel was investigated and in the same way, the mass transfer rate and solidification time were calculated. It was observed that by extracting the solvent from the dispersed phase to the continuous phase, the mass transfer rate increases. Also, the diameter of the produced nanoparticles was estimated using correlation, hydrodynamic methods and image processing. Finally, The results of microchannel simulations were compared with experimental studies. Also In this research, it was proved that polymeric nanoparticles of PCL with very desirable properties can be obtained by using high pressure microfluidics.