微流控芯片光固化注射成型工艺研究

摘要

利用传统高分子材料注射成型微细结构制品时，由于塑化后的熔体粘度较高及模具与熔体的温差较大，微结构处会产生充填不完整现象，最终导致微结构复制度不高。本课题探索了一种微结构制品成型的创新方法——光固化注射成型方法，成型时选用常温下粘度可调的液态光固化材料，不需高温高压条件塑化，具有高效、节能和精密等特点，为微零件高精度、高效率和规模化的成型加工探索一条新途径。本课题对光固化注射成型的工艺方法和反应程度，以及成型后微流控芯片的典型缺陷进行了系统的实验研究，并探索了光固化注射成型工艺条件和材料配方对微流控芯片复制精度及键合强度的影响规律，且根据微流控芯片应用场合对其亲水性的要求，提出了改善光固化材质芯片亲水性的方法。本文主要研究工作包括:
　　1.从反应动力学的角度，探究了成型材料与光固化反应速率和反应转换率间的内在联系。在单体质量分数相同时，含低官能团单体或低聚物的配方反应速率和反应转换率高于含多官能单体或低聚物的配方，配方中光引发剂含量为3wt％-5wt％时，光固化反应速率和反应转换率基本相同，本文还量化了不同配方和工艺条件下利用紫外光线光源成型微流控芯片的成型周期。
　　2.探究了光固化注射成型中裂纹和发黄缺陷的产生机理和主要影响因素。光固化成型原理决定了工艺条件和材料配方的选择不当会造成制品产生裂纹缺陷和发黄现象，实验结果表明，减少配方中TMPTA单体含量，以及减小紫外光辐照强度、降低线光源扫描速率和增大保压压力能在一定程度上解决制品裂纹缺陷，为提高制品成型效率，量化了实验中常用的三种单体在常用配比下不产生裂纹的工艺参数。本文阐明了制品发黄现象与材料配方、紫外光辐照强度和辐照时间的影响关系，获得了能改善制品发黄现象的实验配方和处理方法。
　　3.探究了线型紫外光源注射成型的微结构制品复制精度影响因素，同时研究了光固化微流控芯片键合强度的主要影响参数。同一制品上不同取样点的微结构复制精度基本一致，其中线光源的扫描速率对制品的复制精度影响较大;紫外光照射是基片与盖片进行完整键合的基本条件，提高键合强度的主要方式是增加芯片键合压力。
　　4.采用表面水接触角的大小表征光固化微流控芯片的亲水性，阐述了量角法测试水接触角的原理，研究表明材料组成是影响微流控芯片亲水性的主要因素，紫外光辐照强度和辐照时间对芯片的亲水性影响较小，通过优化材料配方可将芯片的水接触角由60°左右降低到17°左右，显著改善了微流控芯片的亲水性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 微流控芯片加工成型进展

1．2．1 成型材料

1．2．2 成型方法

1．2．3 键合技术

1．3 注射成型技术

1．4 光固化技术

1．5 课题研究意义和研究内容

1．5．2 研究内容

第二章 光固化注射成型工艺方法和反应程度实验研究

2．1 光固化反应原理

2．2 光固化注射成型实验设备

2．3 实验过程

2．4 结果与讨论

2．4．1 单体官能度的影响

2．4．2 低聚物官能度的影响

2．4．3 光引发剂含量的影响

2．4．4 单体含量的影响

2．5 不同配比光固化料成型时间研究

2．6 本章小结

第三章 光固化注射成型缺陷机理及解决方法研究

3．1 裂纹缺陷现象产生机理

3．2 实验条件

3．2．1 实验模具

3．2．2 实验材料

3．2．3 实验过程

3．2．4 单体种类对裂纹缺陷的影响

3．2．5 单体含量对裂纹缺陷的影响

3．3 解决方案

3．3．1 紫外光强度

3．3．2 扫描速度

3．3．3 保压压力

3．3．4 优化后的工艺条件

3．4 制品发黄现象产生原理

3．4．1 紫外光辐照强度的影响

3．4．2 单体含量的影响

3．4．3 紫外光辐照时间的影响

3．4．4 解决措施

3．5 本章小结

第四章 光固化微流控芯片复制精度和键合强度研究

4．1 微流控芯片复制精度影响因素研究

4．1．1 取样点

4．1．2 扫描速率

4．1．3 充模压力

4．1．4 与常用微流控芯片制作材料比较

4．2 光固化微流控芯片的键合方法研究

4．2．1 键合原理

4．2．2 键合过程

4．3 键合强度影响因素

4．3．1 紫外光辐照

4．3．2 键合压力

4．3．3 键合时间

4．3．4 保压时间

4．4 本章小结

第五章 光固化微流控芯片亲水性实验研究

5．1 量角法测量接触角原理

5．2 材料配方对微流控芯片亲水性的影响

5．2．1 单体含量

5．2．2 单体种类

5．2．3 树脂种类

5．3 工艺条件对微流控芯片亲水性的影响

5．3．1 光照强度

5．3．2 光照时间

5．3．3 曝光时间

5．4 其它优化方法

5．4．1 水溶性单体

5．4．2 水溶性树脂

5．4．3 有机助剂

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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