陶瓷先驅(qū)體制備微流控芯片及其化學應用.pdf

1、微流控技術(shù)作為一門新興交叉學科，吸引了不同領域研究人員的關注，并且在生物、化學、材料等領域獲得成功應用。針對微流控中存在的材料化學穩(wěn)定性不足、制備方法重復性一般、制備過程復雜以及微通道表面潤濕性不容易控制等問題，本文將“陶瓷先驅(qū)體”、“超疏水疏油硅納米線陣列”與“微流控”相結(jié)合，制備出了三種類型的新型微反應器：整體類陶瓷微反應器、耐壓聚合物微反應器以及無隔膜雙通道微反應器，并分別應用于高溫高壓化學合成、快速化學合成以及氣液兩相化學合成等

2、方面。
　　采用低聚倍半硅氧烷（POSS）和聚乙烯基硅氮烷（PVSZ）兩種陶瓷先驅(qū)體為材料體系，通過桁架模板法制備出了整體類陶瓷微反應器，并應用于高溫或高溫高壓化學合成。POSS和PVSZ具有良好的成型性能，分別在300℃和500℃熱處理后，得到的產(chǎn)物仍保持透明性，同時還具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，其中化學穩(wěn)定性與陶瓷相當，可用于制備性能優(yōu)異的微反應器。本文以低表面能的全氟烴基氧（PFA）微管為模板制備出PFA/POSS復合材

3、料，再通過物理拔出PFA微管和300℃熱處理得到整體類陶瓷 POSS微反應器。以激光切割好的聚苯乙烯（PS）薄膜為模板制備出PS/PVSZ復合材料，再通過500℃熱處理使PS模板分解掉并且使PVSZ基體轉(zhuǎn)化為類陶瓷材料，制備出PVSZ整體類陶瓷微反應器。所得微反應器在各種有機溶劑中的溶脹率均為1.00，顯示出優(yōu)異的化學穩(wěn)定性。在微反應器中成功地進行了Michaelis-Arbuzov重排反應（150~170℃）、Wolff-Kishne

4、r還原反應（200℃）、超順磁性四氧化三鐵納米粒子的合成（320℃）和烯丙基苯基醚異構(gòu)化的Claisen重排反應（250℃和450 psi（3.1 MPa））等高溫或高溫高壓化學合成。這類微反應器的性能優(yōu)于任何已知的有機聚合物微反應器，與制備過程復雜又昂貴的玻璃和金屬微反應器性能相當。
　　在石蠟犧牲模板的輔助下，通過設計聚合物和玻璃基底之間的界面化學，聚合物微通道的固化和封接在紫外光照或溫和加熱的條件下（低于200℃且無需壓力）

5、同時完成。采用這種新技術(shù)制備出了具有優(yōu)異封接強度的耐壓聚合物微反應器，解決了聚合物微流控裝置中長期存在的封接難題。具體制備過程包括：在玻璃基底上制備石蠟犧牲模板圖案、對玻璃基底的表面進行化學改性、聚合物微通道的固化和與玻璃基底的封接同時完成以及石蠟犧牲模板的去除。該技術(shù)對多種具有不同活性基團的液態(tài)或粘稠狀聚合物均適用，本論文成功制備出PVSZ、氟聚合物、負性環(huán)氧光刻膠、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、 NOA81膠黏劑和 Duralco4525

6、環(huán)氧基樹脂等微反應器，驗證了該技術(shù)的通用性。同時，各微反應器的破壞壓力均大于1000 psi（6.89 MPa），表明該技術(shù)制備的微反應器具有良好的耐壓性能。其中，氟聚合物微反應器的耐壓性能比傳統(tǒng)方法提高了兩個數(shù)量級。與傳統(tǒng)方法相對比，該方法可以通過Auto CAD軟件任意設計微通道的形狀，不存在貼合不緊密的問題，還可以制備內(nèi)含微混合器的微反應器、親水-疏水雙面微反應器以及曲面上的微反應器。在耐壓 PVSZ微反應器中進行了高壓條件下的快

7、速化學應用，合成了一種天然產(chǎn)物色胺酮（合成產(chǎn)率：90％；液體流速：10.5 mL/min；反應時間：14 ms）。這種透明的耐壓微反應器可以實時觀察系統(tǒng)內(nèi)部的顏色變化情況，有希望用于研究快速化學的反應機理以及高壓條件下的微全分析系統(tǒng)。
　　將超疏水疏油功能表面引入微反應器中得到了一種無隔膜雙通道微反應器，并應用于氣液兩相化學合成。超疏水疏油功能表面通過對硅片進行化學刻蝕、二氧化硅納米顆粒表面修飾以及氟化處理得到，優(yōu)化的制備條件為銀

8、催化劑附載5 min、化學刻蝕4 h、正硅酸乙酯處理液的濃度為24 mM，此時水和二甲基亞砜在所得硅納米線陣列表面的接觸角分別為164o和155o，表明該表面具有超疏水疏油性能。該方法可制備出大尺寸圖案化的樣品，所得超疏水疏油硅納米線陣列具有良好的熱、化學和力學穩(wěn)定性，還具有獨特的氣體操控能力，可漂浮在水和油的表面不沉入底部，還可在水下收集氣體形成水下的氣體圖案。通過膠黏劑封接法將聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道與超疏水疏油硅納米線陣列