塑料微通道結(jié)構(gòu)制品的成型技術(shù)與應(yīng)用研究.pdf

1、微通道結(jié)構(gòu)塑料制品是指塑料制品內(nèi)包含若干條微米級尺度中空通道類結(jié)構(gòu)的聚合物制品。其中空微結(jié)構(gòu)節(jié)約原材料，制品整體呈現(xiàn)孔隙度大、質(zhì)輕、比表面積大、機械性能優(yōu)良、化學(xué)性質(zhì)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(xué)、航空航天、檢測和環(huán)境等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。針對塑料微通道的成型關(guān)鍵問題，開展微通道塑料管道（Micro Capillary Tube， MCT）結(jié)構(gòu)的成型工藝和設(shè)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(yīng)用和雙氧水快速檢測應(yīng)用，擴充了塑料微納成型加工的相關(guān)理論，具有重要的的科學(xué)意義和實用價值。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴提出了微通道塑料管道結(jié)構(gòu)的概念，設(shè)計并搭建了一整套適用于成型加工微通道結(jié)構(gòu)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(guān)鍵部件；改進(jìn)設(shè)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(jié)合的方法，研究了不同成型工藝參數(shù)對MCT成型質(zhì)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(yīng)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(guān)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(guān)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(guān)系；提出了MCT的簡化牽引模型，理論推導(dǎo)后獲得了擠出成型MCT的經(jīng)驗預(yù)測公式，且發(fā)現(xiàn)了牽引比大于10以后預(yù)測公式有更高的準(zhǔn)確性。數(shù)值模擬結(jié)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(jìn)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(jìn)入微

5、通道，與聚合物本身材料特性與結(jié)構(gòu)剛度一起協(xié)助形成最終的中空結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)材料，結(jié)合激光切割技術(shù)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(shè)備的快速原型法。整個微流體制造過程不需要復(fù)雜的操作，從概念設(shè)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(zhì)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(jié)果的關(guān)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(guān)系，獲得了兩相流量比與兩相長度比的良好線性關(guān)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(guān)系，實現(xiàn)了用設(shè)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(guān)系（y=0.227ε），與兩相長度比呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系比（ε'=0.8(1-e0.9ε)），為實際生產(chǎn)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(jié)構(gòu)特點，首次開發(fā)了其在雙氧水快速實時檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。探索并結(jié)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(zhì)量濃度的雙氧水殘留，試條的顯色劑中碘化鉀質(zhì)量濃度為0.1%，淀粉質(zhì)量濃度為10%，檢測時間設(shè)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(zhuǎn)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(zhì)量濃度