一种用于飞秒激光内直写的含SiC的PMMA制备方法

摘要

一种用于飞秒激光内直写的含SiC（碳化硅）的PMMA制备方法，本发明属于飞秒激光微加工领域。本发明所需材料为单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)、过氧化二苯甲酰(又名过氧化苯甲酰，BPO)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和SiC，其比例为92.3%、0.2%、6%和1.5%。首先将一定量试剂均匀、搅拌并在较高温度的水浴中加热预聚合，再经过灌浆和低温聚合后，形成含SiC的PMMA。在PMMA的内部掺入的SiC来增强吸收飞秒激光能量，提高温度并提高分解率，进而增大飞秒激光内加工时PMMA的去除率，实现飞秒激光内部直写加工PMMA基三维微流控芯片。该技术操作简单，提高了生产效率，增加了综合经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及用于微流控芯片基材的PMMA制备技术，具体涉及飞秒激光直写加工微流控芯片领域。

背景技术

微流控芯片已经在化学、生物、医药、环境、安保等重要领域达到广泛应用，同时微流控芯片相关产业正处在一个急剧发展的状态，显示出很强大的战略性意义，已被科研界、工业界以及商业界所认。Yole的报告指出，到2022年将会达到59亿美元，年增长率为18%。一般来说，制作微流控芯片的材料主要有硅、玻璃、石英、金属和有机聚合物如环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是最优秀的有机合成透明材料和聚合物材料，它具有良好的综合力学性能、介电和电绝缘性能、优异的抗电弧性、较好的抗潮湿性能，可长期在潮湿条件使用，对水溶性无机盐、硷及某些稀酸有一定稳定性，特别是具有耐生物老化性能和生物相容性。这些优点使得PMMA成为制备微流控芯片的重要基材料。飞秒激光加工技术拥有精度高、热影响区小等优势，可以更好地应用于微流控芯片的制作加工等领域，因此，飞秒激光直写PMMA加工微流道成为国内外研究的热点。目前，基于PMMA的微流控芯片的应用越来越广泛，但是，目前普遍采用的PMMA三维微流控芯片常规制作方式是：首先在单层基片表面制作二维的沟、槽结构，再通过将多片单层基片进行精确的键合以获得具有三维管路网络结构的集成微流控芯片。这种加工方式工艺相对成熟，且容易得到具有良好表面粗糙度的微空腔结构，因此能够显著降低微流体在驱动过程中管壁的阻力。其实际上这种加工方法本质上是一种基于二维结构刻蚀配合键合的加工技术，这种“三维”加工方式在微流控芯片技术存在着效率低、工艺复杂、操作难度大等缺点。早在2006年Farson在气体辅助下采用150飞秒钛蓝宝石脉冲激光首次在在聚甲基丙烯酸甲脂内制备出最小直径2μm、最长达10mm的微通道，道壁光滑且没有裂纹，没有损坏透明材料表面。2014年北京工业大学陈涛和郑崇等人(专利ZL2014100791648)给出了一种飞秒激光在PMMA内制造三维微通道的方法及其装置，该方法将飞秒激光经反射镜将光路导向衰减片，通过一组爬升架将光束水平高度提升至与显微聚焦系统入光口平齐位置，并由反射镜导入聚焦系统，聚焦后的飞秒激光在PMMA工件内部进行直写加工，得到中空三维微通道(微流道，微流道是微流控芯片的基本组成部分)。但由于飞秒激光内直写加工技术加工以PMMA为基材的三维微流控芯片时，在PMMA内部飞秒激光焦点处PMMA热分解和光分解效率太低，进而影响PMMA去除率和三维微流控芯片加工的生产效率，影响了该技术在PMMA微流道加工中的应用，最终导致飞秒激光内加工技术不能应用于PMMA基的三维微流控芯片工业生产中。

发明内容

针对现有飞秒激光内加工PMMA技术所存在的上述不足，本发明提供一种含有SiC微粒的PMMA制备方法，同时，本发明将这种在没有任何辅助气体和液体的帮助下，通过透镜将飞秒激光束聚焦到透明材料内部，并在利用飞秒激光脉冲与材料相互作用而使材料发生反应得以去除的加工方法定义为内直写加工（Inner-Direct Writing Processing）。本发明的目的是通过在PMMA制备过程中掺入SiC微粒，所掺入的SiC微粒用于增强在飞秒激光的内直写过程中对激光能量的吸收，提高飞秒激光焦点处PMMA热分解和光分解的分解率，增大飞秒激光内加工时PMMA的去除率，实现飞秒激光内直写加工PMMA基三维微流控芯片。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

（1）预聚浆的制备。所需材料为MMA、BPO、DBP和SiC，其比例为92.3%、0.2%、6%和1.5%，其中SiC颗粒大小一般要在几个微米，不能超过5个微米。首先将一定量的MMA、DBP和BPO放到烧杯中，轻轻摇动至溶解，倒入三口瓶中并加入SiC颗粒，在搅拌器搅拌的条件下在较高温度的水浴中加热预聚合，观察反应体系的粘度变化直至形成粘性薄浆(似甘油状或稍粘一些)，特别是SiC颗粒要均匀分布。此时将反应体迅速冷却至室温，将预聚合好的粘稠状浆液倒入烧杯，预备灌浆。

(2)灌浆。将制好的粘稠浆液迅速冷却至室温，倒入一只洁净干燥的小烧杯中，倒时注意不要过急，以免空气被包裹在聚合体中形成气泡。将做好的洁净的无机玻璃模具倾斜约30°，缓缓倒入预聚浆料，注意一定要控制倒的速度，要使预聚浆慢慢地沿着模具的壁面向下流，尽量减少空气被包裹的可能。倒满后，可以轻轻在桌面上敲击模具的底部赶出里面的空气。待空气完全赶出以后，用胶带把模具的口封住，确定要密封严实，不能让里面的预聚浆漏出来。

(3)低温聚合。将灌浆后封好的模具放入40℃-50℃的烘箱中进行低温聚合，时间为10-12个小时。低温聚合使模具里的聚合物基本成为固体后再将温度升高到95℃-100℃，保持1.5-2个小时后断开电源，使模具在烘箱内慢慢冷却至50℃-60℃后取出。

具体实施方式

实施例

本发明采用的技术方案，包括以下步骤：

(1)模具制作 截取足够量长150mm 宽18mm厚2.0mm的平板无机玻璃，每四片为一组将标准试样夹紧并以胶带固定密封住。标准试样要留出至少1/3以便抽出留出空腔。待标准试样抽出并将模具四面平板无机玻璃密封完全后将模具底部也用胶带封起来，这样一个模具就做好了。在选择胶带的时候最好选择无色透明的胶带，这样能材料制备与合成很清楚地观察得到模具里面反应体的情况。

(2) 预聚浆的制备 在100ml小烧杯里加入30g的MMA、0.05g的BPO和2ml的DBP，轻轻摇动至溶解，倒入三口瓶中，接着向三口瓶中加入0.5g的SiC颗粒，在搅拌器搅拌的条件下在较高温度的水浴中加热预聚合，观察反应体系的粘度变化直至形成粘性薄浆(似甘油状或稍粘一些)。此时将反应体迅速冷却至室温，将预聚合好的粘稠状浆液倒入烧杯，预备灌浆。

(3) 灌浆 将制好的粘稠浆液迅速冷却至室温，倒入一只洁净干燥的小烧杯中，倒时注意不要过急，以免空气被包裹在聚合体中形成气泡。将做好的洁净的无机玻璃模具倾斜约30°，缓缓倒入预聚浆料，注意一定要控制倒的速度，要使预聚浆慢慢地沿着模具的壁面向下流，尽量减少空气被包裹的可能。倒满后，可以轻轻在桌面上敲击模具的底部赶出里面的空气。待空气完全赶出以后，用胶带把模具的口封住，确定要密封严实，不能让里面的预聚浆漏出来。

(4)低温聚合 将灌浆后封好的模具放入45℃的烘箱中进行低温聚合，时间为10个小时。低温聚合使模具里的聚合物基本成为固体后再将温度升高到95℃，保持2个小时后断开电源，使模具在烘箱内慢慢冷却至50℃后取出。

(5)脱模 将冷却后的模具取出，拆去外面的一层密封胶带，橇开四面围着的平板无机玻璃既可得样品。