近期，中国工程物理研究院激光聚变研究中心尹强团队联合西南科技大学易勇团队，通过微流体技术成功制备了用于惯性约束聚变（ICF）实验的单分散中空聚丙烯腈（PAN）微球，研究了表面活性剂对复合滴液稳定性及所得微球质量的影响，并评估了复合滴液与所得微球尺寸之间的关系，以实现对PAN微球尺寸的预测和控制。相关成果以“Microfluidic preparation of monodisperse hollow polyacrylonitrile microspheres for ICF”为题目，发表在期刊《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》上。

本文要点：

1、采用微流体技术制备单分散油包水包油（O1/W/O2）复合液滴，然后通过溶剂蒸发法得到单分散中空聚丙烯腈微球。

2、通过添加表面活性剂（Dow Corning 749）提高了O1/W/O2复合液滴的稳定性，降低了O2相和W相之间的界面张力以及复合液滴表面的拉普拉斯压力。

3、通过将DMF液滴引入O2相中以避免乳化，降低DMF传质速率，微球的球形度和表面质量也得到了改善。

4、成功制备了直径范围为700-800µm的精细单分散PAN微球。此外，还评估了复合液滴与所得微球尺寸之间的关系，可用于预测PAN微球的尺寸。

聚丙烯腈（PAN）中空微球在惯性约束聚变（ICF）实验中具有以下优势：

1、高抗拉强度：PAN微球具有高抗拉强度，能够承受ICF实验中可能出现的机械应力。

2、低氢同位素渗透性：PAN微球对氢同位素具有较低的渗透性，可以有效阻隔燃料泄漏。

3、耐氚辐射腐蚀性：PAN材料对氚辐射具有良好的耐腐蚀性，延长了微球在辐射环境中的使用寿命。

4、良好的单分散性和球形度：通过微流控技术制备的PAN微球具有良好的单分散性和球形度，满足ICF实验对微球形状和尺寸一致性的严格要求。

这些特性使得中空PAN微球成为ICF实验中理想的燃料载体，能够有效支持受控热核聚变的实现。

为了进一步提高聚丙烯腈微球的球形度和表面质量，可以考虑从以下几个方面入手：

1、优化表面活性剂的使用：在制备过程中，使用合适的表面活性剂（如Dow Corning 749）可以有效降低界面张力，防止复合液滴的聚并和破裂，从而提高微球的单分散性和表面质量。

2、控制流速：在微流控设备中，精确控制内相、中间相和外相的流速，可以优化剪切力和界面张力之间的平衡，从而形成更均匀的复合液滴，进而提高微球的球形度。

3、改进固化和干燥工艺：在固化过程中，通过控制温度和搅拌速度，可以更均匀地去除中间相溶剂，减少微球表面的缺陷。在干燥过程中，使用超临界干燥技术可以避免微球的塌陷，提高表面光滑度。

4、调整溶剂的传质速率：通过在外相中引入适量的溶剂（如DMF）来调节传质速率，避免乳化现象，从而改善微球的表面质量。

5、使用高精度的微流控设备：采用具有更高精度和稳定性的微流控设备，如共流或流动聚焦装置，可以更好地控制液滴的形成过程，提高微球的均匀性和表面质量。

图1.聚丙烯腈中空微球的制备工艺。

图2.O1/W/O2复合液滴的（a）光学图像和（b）尺寸分布。

图3.不同表面活性剂对O1/W/O2复合液滴的稳定性。（a）不添加，（b）Aliquat 336和（c）道康宁749。

图4.界面张力在复合液滴破裂过程中的作用。

图5.聚丙烯腈中空微球及其尺寸分布：（a,b）无添加和（c,d）Aliquat 336。

图6.添加道康宁749的聚丙烯腈中空微球。

图7.溶剂迁移对聚丙烯腈微球球形度和质量影响的实验设计。

图8.不同DMF添加量的PAN中空微球：（a）0.5g，（b）1.0g，（c）1.5g，和（d）2.0g。

图9.DMF对聚丙烯腈中空微球球形度的影响。

图10.添加2.0g DMF的PAN中空微球的尺寸分布。