微流控芯片UV光固化微注射成型的实验研究与模拟

摘要

本文提出了一种新型的微流控芯片的加工成型方法—UV固化微注射模塑成型。此方法采用液体UV固化料代替了传统的热塑性高分子材料及玻璃、硅等材料，具有节能环保的特点;用UV固化模塑成型法代替了传统的刻蚀法、热压法、模塑法、激光雕刻法等成型方法。同时研制了芯片的光化学模内封接法。整个成型过程能够满足芯片批量化生产的要求，且由于成型过程所需注射压力、保压压力较小，无需塑化等特点使成型设备简单，降低了生产成本，成型周期也比传统加工方法大大缩短。本文主要做了以下研究:
　　1.设计并加工了一套UV固化微注射模塑成型的实验设备，相比于前人所做的设计，本文设计加工的成型模具实现了开合模与顶模的一体化，不仅大大节省了空间，还满足了一个更重要的要求:能够观察记录整个制品充模固化的全过程能够对注射筒内的物料进行抽真空处理，保证物料完全消泡;在注射筒上加了加热保温装置;根据模腔的体积计算设计注射筒的直径，能够使注射行程更合理;采用了线光源扫描照射的方式，提高成型效率的同时提高了成型精度。
　　2.研究了不同配方制品的机械力学性能;各成型工艺参数（注射压力、光照功率、光照方式）、配方（单体种类、单体含量）对制品成型效率的影响。增加单体含量、增大注射压力、光照功率、光照方式由平面照射改为扫描照射都能够提高成型效率;最终成型时间可控制一分钟以内，与传统成型方法相比，成型周期大大缩短。在其中增加单体TMPTA的含量能够提高制品的强度、弹性模量、硬度，增加单体EOEOEA的含量会降低制品的强度、弹性模量、硬度，增加TMPTA、EOEOEA单体中的任意一个都会使制品的断裂伸长率降低。
　　3.利用本文设计的成型模具以及另一个简易的模具，采用可视化的手段，记录分析了制品的整个成型过程，对缺陷成形的机理进行了分析，并提出了改进办法即改变充模方式、对光源照射头进行改进能够完全消除这些成性缺陷，得到成型质量较好的制品。
　　4.对制品进行了一系列的检测（流道的完整性、亲水性、透光性），发现用本文的方法制得的芯片流道完整性好、制品表现为亲水、且透光性能良好。用COMSOL Multiphysics仿真软件对芯片模型进行了仿真模拟分析，得出了能够在流道内能够生成液滴的工艺参数，用模拟得出的工艺参数对封接好的芯片进行了功能性的实验验证，验证了通过本文的方法自制的微流控芯片可以生成液滴。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 微流控芯片概述及应用

1．2 发展与研究现状

1．3 微流控芯片成型材料，加工技术的选择与发展

1．4 封接方法的简介

1．5 前人所做的研究

1．6 光固化快速成型技术的介绍

1．7 研究目的与内容

1．7．1 研究目的

1．7．2 研究内容

第二章 UV光固化微注射成型装置的研究

2．1 UV光固化注射成型装置的设计屎则

2．2 模具部分的设计

2．2．1 模芯的设计

2．2．2 开合模与顶模一体化结构设计中气缸的选择

2．3 注射部分的设计

2．4 光源辐照系统的设计

2．5 控制系统的设计

2．6 本章小结

第三章 UV光固化微注射成型效率及材料性能的研究

3．1 低聚物、单体、活性稀释剂的选择

3．2 光固化反应原理

3．3 光固化材料性能的研究

3．4 光固化成型效率的研究

3．4．1 光固化充模速率的研究

3．4．2 光固化固化速率的研究

3．4．3 设备经重新设计加工后光固化成型率率的研究

3．5 本章小结

第四章 微流控芯片注射UV固化成型中缺陷形成机理及解决方案研究

4．1 可视化原理简介

4．2 可视化简易模具的设计

4．3 UV光固化微注射模塑成型的微流控芯片的典型缺陷

4．4 充模可视化实验研究

4．5 光照可视化实验研究

4．6 本章小结

第五章 芯片液滴的形成及芯片的表征

5．1．1 模拟软件的介绍

5．1．2 软件模拟的意义

5．1．3 Comsol软件模拟过程

5．1．4 Comsol软件仿真结果

5．2 成型的微流控芯片的表征

5．2．1 透光度的表征

5．2．2 制品流道的完整性与一致性

5．2．3 制品的亲疏水性

5．2．4 制品功能的实现

5．3 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

研究成果及发表的学术论文

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