塑料微通道結構制品的成型技術與應用研究.pdf

1、微通道結構塑料制品是指塑料制品內包含若干條微米級尺度中空通道類結構的聚合物制品。其中空微結構節(jié)約原材料，制品整體呈現(xiàn)孔隙度大、質輕、比表面積大、機械性能優(yōu)良、化學性質穩(wěn)定、功能多樣化和加工低成本等特性，在微流控、生物醫(yī)學、航空航天、檢測和環(huán)境等領域具有重要的應用價值。針對塑料微通道的成型關鍵問題，開展微通道塑料管道（Micro Capillary Tube， MCT）結構的成型工藝和設備研究，同時開發(fā)了微通道塑料薄膜（Micro Cap

2、illary Film, MCF）制備微流控器件的應用和雙氧水快速檢測應用，擴充了塑料微納成型加工的相關理論，具有重要的的科學意義和實用價值。
　　本研究主要內容包括：⑴提出了微通道塑料管道結構的概念，設計并搭建了一整套適用于成型加工微通道結構塑料管道MCT的成型工藝實驗平臺，包括機頭箱體、連接體、注射針頭部件、模芯、口模和魚雷頭分流器等多個關鍵部件；改進設計了擠出成型工藝裝置中的輔助系統(tǒng)，包括冷卻系統(tǒng)、注氣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

3、⑵采用數(shù)值模擬、理論分析和實驗相結合的方法，研究了不同成型工藝參數(shù)對MCT成型質量的影響規(guī)律，包括注氣壓力、熔融拉伸長度和牽引比三者對MCT樣品尺寸的影響。發(fā)現(xiàn)了隨著注氣壓力增大，MCT的截面尺寸都相應增大，不改變整體外部尺寸，而且注氣壓力會明顯影響MCT微通道的形狀；研究發(fā)現(xiàn)了微通道的成型面積與注氣壓力成截距為0的簡單線性關系；發(fā)現(xiàn)了增大牽引速率會明顯削弱注氣壓力帶來的影響，揭示了牽引比扮演了更為決定性的角色；發(fā)現(xiàn)了熔融拉伸長度不影響

4、橫截面各尺寸的比例關系和截面的形狀，僅改變絕對值大小；發(fā)現(xiàn)了牽引比的增大會減小MCT橫截面各尺寸，同樣不影響橫截面的尺寸比例關系；提出了MCT的簡化牽引模型，理論推導后獲得了擠出成型MCT的經驗預測公式，且發(fā)現(xiàn)了牽引比大于10以后預測公式有更高的準確性。數(shù)值模擬結合理論分析了MCT橢圓形微通道的成因，發(fā)現(xiàn)了微通道水平方向的速度梯度和離模膨脹比都要大于垂直方向。進一步揭示了不注氣情況下MCT微通道的成型機理，空氣通過注射針頭自動夾帶進入微

5、通道，與聚合物本身材料特性與結構剛度一起協(xié)助形成最終的中空結構。⑶以熱塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane，TPU）為原料制備了MCF，提出基于MCF的快速原型法制備微流控器件。即采用TPU-MCF作為結構材料，結合激光切割技術和傳統(tǒng)的密封材料，快速制造低成本、柔韌、有彈性的微流體設備的快速原型法。整個微流體制造過程不需要復雜的操作，從概念設計到實際工作模型僅需幾分鐘。探索了激光切割工藝參數(shù)對TPU-MCF切

6、割質量的影響和密封材料對微通道密封性能的影響；制備了TPU-MCF蛇形混合器，成功實現(xiàn)了兩種微流體的良好混合，并獲得了入口流量比與混合顏色結果的關系；制備了基于兩種微液滴生成原理的TPU-MCF微液滴生成器：T型通道法和流動聚焦法；研究了T型通道法中流量比與液滴尺寸的關系，獲得了兩相流量比與兩相長度比的良好線性關系（ε'=-0.678+3.15ε）；同樣研究了在流動聚焦法中流量比與液滴尺寸的關系，實現(xiàn)了用設備制備50μm至650μm左右

7、的分散液滴或者液柱的功能；并揭示了兩相流量比與分散相液滴呈現(xiàn)良好的線性關系（y=0.227ε），與兩相長度比呈現(xiàn)指數(shù)關系比（ε'=0.8(1-e0.9ε)），為實際生產提供了依據(jù)。這一工作為微流控器件提供了一種簡便、高效、低成本的制造方法。⑷制備了以MCF為載體的雙氧水快速檢測試條，提出了基于MCF的新型檢測方法。利用微通道塑料薄膜MCF的結構特點，首次開發(fā)了其在雙氧水快速實時檢測領域的應用。探索并結合淀粉糊化和凍干工藝，成功制備了兩種

8、不同檢測方法的MCF雙氧水檢測試條，普通比色檢測試條和四區(qū)域的顯色分級檢測試條。研究獲得了兩種試條對雙氧水的檢測能力，成功實現(xiàn)了利用普通比色檢測試條檢出0.02％到0.1%質量濃度的雙氧水殘留，試條的顯色劑中碘化鉀質量濃度為0.1%，淀粉質量濃度為10%，檢測時間設為120s；同時基于四區(qū)域的顯色分級檢測試條，提出了一種新型的顯色分級測試方法，將傳統(tǒng)的主觀比色法轉化成了顯色區(qū)域個數(shù)判斷，并基于此成功實現(xiàn)了對0.02%到0.12%質量濃度