pmma微流控芯片注射成型工藝的優(yōu)化

pmma微流控芯片注射成型工藝的優(yōu)化

0pmma微流控芯片注塑加工工藝優(yōu)化微流跟蹤技術(shù)是20世紀(jì)90年代的一種多學(xué)科交叉技術(shù)。目前聚合物材料微流控芯片的加工方式主要有熱壓法為了探究微流控芯片注塑加工的最佳工藝條件以快速推廣其應(yīng)用，本文選用PMMA材料來進(jìn)行微流控芯片的注塑加工，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)并根據(jù)極差分析得出PMMA微流控芯片注塑工藝的最優(yōu)工藝參數(shù)。最后使用最優(yōu)注塑工藝生產(chǎn)的PMMA微流控芯片進(jìn)行液體混合實(shí)驗(yàn)和液滴生成實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證注塑加工出的PM?MA微流控芯片可以正常使用。1實(shí)驗(yàn)部分1.1主要原材料PMMA,AcryrexCM?211，鎮(zhèn)江奇美化工有限公司。1.2真空顯微組織注塑機(jī)，55/130HB6，德國巴頓菲爾公司；真空干燥箱，DZF?6021，上海鴻都電子科技有限公司；共聚焦顯微鏡，OLS5000，日本奧林巴斯公司；注射泵，SPLab02，保定申辰泵業(yè)有限公司。1.3實(shí)驗(yàn)裝置的制備PMMA微流控芯片的設(shè)計(jì)：本研究設(shè)計(jì)的微流控芯片如圖1所示，芯片整體尺寸為：長76.2mm、寬25.4mm、厚2mm；其中單流道測試裝置用于檢測微流控芯片的注塑精度；液滴生成裝置與液滴雙包裹裝置用于液滴實(shí)驗(yàn)；液體混合裝置用于液體的擴(kuò)散混合實(shí)驗(yàn)；各裝置的具體尺寸如表1所示；PMMA微流控芯片的制備：經(jīng)過多次注塑實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)影響PMMA微流控芯片注射成型效果的主要因素是模具溫度、保壓壓力、熔體溫度和注射速度，而注塑壓力、冷卻時(shí)間和保壓時(shí)間對注射成型效果的影響較小，因此本研究所探究的最佳注塑工藝是模具溫度、熔體溫度、保壓壓力和注射速度的參數(shù)大小和主次順序，而注射壓力（120MPa）、冷卻時(shí)間（25s）和保壓時(shí)間（5s）等參數(shù)則保持不變。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選用微流控芯片的注塑參數(shù)范圍為：熔體溫度250～270℃，模具溫度50～60℃，注射速度200～400mm/s，保壓壓力50～70MPa，在此參數(shù)范圍內(nèi)注射出的微流控芯片表面質(zhì)量較好，如圖2所示為該參數(shù)范圍內(nèi)注塑出的微流控芯片樣品。1.4顯微截面流道設(shè)計(jì)為了制品脫模方便，加工模芯時(shí)會形成3°左右的拔模角度，同時(shí)由于PMMA材料會產(chǎn)生熱收縮現(xiàn)象，所以注塑出的微流控芯片通道截面輪廓并不是完美的正方形，如圖3為共聚焦顯微鏡下單流道測試裝置的截面圖。對于加工出的微流控芯片，流道的成型效果對于后續(xù)實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要，因此本研究以單流道測試裝置截面的開口寬度、槽底寬度、槽深作為評判注射成型質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。2結(jié)果與討論2.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對于PMMA微流控芯片的注射成型，熔體溫度、模具溫度、保壓壓力、注射速度是影響其注射成型質(zhì)量最重要的因素，為探究其最佳注塑工藝，需評估這4個注塑參數(shù)對流道成型質(zhì)量的影響，因此設(shè)計(jì)了如表2所示的4因素3水平正交試驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，其余實(shí)驗(yàn)參數(shù)保持不變。2.2pmma微流控芯片最佳注射成型工藝的確定根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別以不同工藝參數(shù)為橫坐標(biāo)，以開口寬度、槽底寬度、槽深為縱坐標(biāo)繪制趨勢圖，得出各工藝參數(shù)與注射成型質(zhì)量之間的關(guān)系，并通過極差分析探究PMMA微流控芯片的最佳注塑工藝。2.2.1工藝參數(shù)的確定圖4為各工藝參數(shù)范圍內(nèi)單流道測試裝置開口寬度的變化趨勢，理想狀態(tài)下單流道測試裝置的開口寬度應(yīng)為400μm，但由于注射成型效果會受到模具加工和熱收縮的影響，因此單流道測試裝置的實(shí)際開口寬度會大于400μm。當(dāng)單流道測試裝置的開口寬度越接近400μm時(shí)，則說明該參數(shù)下注射成型的效果最好，所以在用開口寬度來評判注射成型效果的情況下，最佳注塑工藝參數(shù)為：熔體溫度為260℃、模具溫度50℃、保壓壓力60MPa、注射速度為400mm/s。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果算得4個工藝參數(shù)下開口寬度的極差分別為31.07、27.80、11.31、9.47，因此注塑工藝對單流道測試裝置開口寬度影響的主次順序?yàn)椋喝垠w溫度、模具溫度、保壓壓力、注射速度。2.2.2工藝參數(shù)的確定圖5為各工藝參數(shù)下單流道測試裝置槽底寬度的變化趨勢，由于槽底寬度的設(shè)計(jì)值為400μm，所以實(shí)驗(yàn)中測得的槽底寬度越接近400μm則說明注塑效果越好。因此在使用單流道測試裝置的槽底寬度來評判注射成型效果的情況下，最佳注塑工藝參數(shù)為：熔體溫度為260℃、模具溫度50℃、保壓壓力50MPa、注射速度為400mm/s。4個工藝參數(shù)下槽底寬度的極差分別為：9.18、8.40、8.72、2.67，因此注塑工藝對單流道測試裝置槽底寬度影響的主次順序?yàn)椋喝垠w溫度、保壓壓力、模具溫度、注射速度。2.2.3最佳注塑工藝的確定圖6為各工藝參數(shù)下單流道測試裝置槽深的變化趨勢，實(shí)驗(yàn)中所測得的槽深越接近400μm則說明注塑效果越好。因此在使用單流道測試裝置的槽深來評判注射成型效果的情況下，最佳注塑工藝為：熔體溫度為270℃、模具溫度50℃、保壓壓力50MPa、注射速度為300mm/s。4個工藝參數(shù)下槽深的極差分別為：3.21、2.90、5.68、5.64，因此注塑工藝對單流道測試裝置槽深影響的主次順序?yàn)椋罕簤毫?、注射速度、熔體溫度、模具溫度。從圖6中可以看出，不同工藝參數(shù)下的槽深均在400μm左右，而且各參數(shù)下槽深的極差值較小，故熔體溫度、模具溫度、保壓壓力和注射速度對槽深的影響很小。2.2.4正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的注塑工藝參數(shù)會對微流控芯片的注射成型效果產(chǎn)生不同的影響。由于模具設(shè)計(jì)和熱收縮的影響，導(dǎo)致實(shí)際的單流道測試裝置的開口寬度相比于設(shè)計(jì)值偏差較大，故開口寬度是評價(jià)PMMA微流控芯片注射成型質(zhì)量的重要指標(biāo)，槽底寬度相比于設(shè)計(jì)值偏差較小，可作為評價(jià)PMMA微流控芯片注射成型的次要標(biāo)準(zhǔn)；而槽深基本維持在設(shè)計(jì)值左右，故在評判注射成型質(zhì)量時(shí)的優(yōu)先級最低。從正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果和極差分析可以看出熔體溫度對單流道裝置的開口寬度和槽底寬度影響最大，當(dāng)熔體溫度為260℃時(shí)，開口寬度和槽底寬度為最優(yōu)值；模具溫度對單流道測試裝置的開口寬度影響較大，當(dāng)模具溫度為50℃時(shí)，開口寬度和槽底寬度為最優(yōu)值；而當(dāng)保壓壓力為60MPa時(shí)，開口寬度最小，故保壓壓力的最優(yōu)值是60MPa；當(dāng)注射速度為400mm/s時(shí)，單流道測試裝置的開口寬度和槽底寬度均為最優(yōu)值，故注射速度的最優(yōu)值為400mm/s。綜上，可以確定PMMA微流控芯片的最優(yōu)注射成型工藝及各參數(shù)主次順序?yàn)椋喝垠w溫度260℃、模具溫度50℃、保壓壓力60MPa、注射速度400mm/s，在該參數(shù)下注塑加工出PMMA微流控芯片，測得其單流道測試裝置的開口寬度為591.90μm、槽底寬度為381.26μm、槽深為408.47μm，表面粗糙度為0.24μm。圖7和圖8分別為共聚焦顯微鏡掃描出的單流道測試裝置流道內(nèi)部三維圖及液滴成型裝置和液體混合裝置的形貌圖?？梢钥闯鲈谧顑?yōu)注塑工藝下加工出的PMMA微流控芯片成型效果較好，表面潔凈度高，液滴成型裝置與液體混合裝置形態(tài)完整、無明顯瑕疵。2.3混合實(shí)驗(yàn)和液滴生成實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證注射成型出的PMMA微流控芯片可正常使用，將最佳注塑工藝下制得的PMMA微流控芯片與另一打孔后的PMMA蓋片進(jìn)行鍵合，插入軟管后進(jìn)行液體混合實(shí)驗(yàn)和液滴生成實(shí)驗(yàn)。圖9(a）是液體流量為5μL/min時(shí)流體的混合實(shí)驗(yàn)；圖9(b）是在連續(xù)相（礦物油）流速為20μL/min和分散相（食用色素染色后的水溶液）流速為10μL/min下的液滴生成實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，注塑加工出的PMMA微流控芯片順利完成了液體混合實(shí)驗(yàn)和液滴生成實(shí)驗(yàn)，可以正常使用。3實(shí)驗(yàn)工藝的確定(1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，判斷微流控芯片注射成型質(zhì)量評判標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)先級順序?yàn)椋洪_口寬度、槽底寬度、槽深；(2）根據(jù)正交試驗(yàn)和極差分析，得出PMMA微流控芯片的最佳注射成型工藝及各參數(shù)主次順序?yàn)椋喝垠w溫度260℃、模具溫度50℃、保壓壓力60MPa、注射速度400mm/s;(