專利名稱：一種高質(zhì)量的pdms-聚烯烴類塑料不可逆鍵合的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納流控芯片，以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)與聚烯烴類塑料的等離子體不可逆鍵合方法。
背景技術(shù)：
微納流控芯片從20世紀(jì)90年代出現(xiàn)，到現(xiàn)在經(jīng)過了將近二十年的快速發(fā)展，被《Nature》雜志預(yù)測為21世紀(jì)10大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域之一。它主要通過對微納尺度的控制來實(shí)現(xiàn)其功能，具有小型化，集成化，試劑用量少等重要特點(diǎn)。隨著器件尺寸的減小，微納系統(tǒng)還能呈現(xiàn)出一些特殊的微觀性質(zhì)，在化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和微電子系統(tǒng)等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。學(xué)術(shù)界對微納尺寸流體及多物理場作用下的微觀性質(zhì)研究已經(jīng)取得了豐碩的成 果，正處于技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向?qū)嶋H生產(chǎn)的關(guān)鍵過程中。據(jù)《lab on a chip》微納芯片權(quán)威雜志預(yù)測，微納芯片的市場化將在未來五到十年迎來高速發(fā)展期。微納流控芯片一般是指關(guān)鍵流體管道結(jié)構(gòu)尺寸在微(I μπι I mm)和納(I nm I μ m)尺度的流體芯片。由于其尺寸的特殊性，宏觀的制備方法無法滿足芯片的制備要求，因此對微納加工技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)基于光刻的技術(shù)存在價格昂貴，難以大規(guī)模生產(chǎn)和質(zhì)控耗費(fèi)高的缺陷，因此在微納流控技術(shù)發(fā)展過程中由Whiteside首先提出了基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的軟光刻技術(shù)(基于模板倒模，彈性高分子固化)，被其后的微納芯片研究者廣泛采用。但是由于PDMS不具有穩(wěn)定的力學(xué)性質(zhì)，表面難以修飾和附加額外的功能化結(jié)構(gòu)，通常需要和其他結(jié)構(gòu)形成復(fù)合芯片以達(dá)到特定的功能。隨著塑料產(chǎn)品中功能塑料的快速發(fā)展，將PDMS和塑料貼合替代PDMS-玻璃、PDMS-硅，PDMS-PDMS，成為發(fā)展趨勢。特別是烴類塑料，其中很多具有良好的光學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)。但是其表面缺乏貼合所需的功能基團(tuán)，難以和PDMS貼合?，F(xiàn)有的主要貼合方法主要包括表面覆膠貼合，溶液化學(xué)表面基團(tuán)處理貼合和空氣、氧氣等離子體貼合三種。覆膠貼合只適用于精度要求不高的芯片，不能用于納芯片的制備。溶液化學(xué)表面基團(tuán)處理價格昂貴，步驟繁瑣，并可能造成化學(xué)污染和PDMS溶脹，也不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。而等離子體處理綠色環(huán)保，可卷對卷批量化生產(chǎn)，可望成為芯片貼合的主流方法。但是以往單純基于氧氣的方法被證明不能高質(zhì)量貼合PDMS和塑料。因此亟需一種能夠高質(zhì)量貼合PDMS-塑料(特別是烴類塑料)的等離子體方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種綠色環(huán)保，廉價易行PDMS-烴類塑料貼合方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種聚二甲基硅氧烷(PDMS)與聚烯烴類塑料的等離子體不可逆鍵合方法，它包括下列步驟(1)將表面潔凈的PDMS芯片和聚烯烴類塑料片放入等離子體腔，關(guān)閉艙門；
(2)通入氧氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，氧氣和氮?dú)獾捏w積比為0:1 49:1，調(diào)節(jié)艙內(nèi)總氣體氣壓在2(Γ40 Pa范圍內(nèi)；
(3)等離子體使用中頻發(fā)生器以非接觸方式產(chǎn)生，功率為35W 60W/L，等離子體處理時間為20 60 s ；
(4)處理結(jié)束后，還原艙內(nèi)氣壓到大氣壓，并將PDMS和聚烯烴類塑料的處理面立即接觸黏貼即可實(shí)現(xiàn)黏貼。
上述的等離子體不可逆鍵合方法，所述的聚烯烴塑料包括鏈狀烯烴聚合物、芳香族烯烴聚合物或環(huán)狀烯烴聚合物。上述的等離子體不可逆鍵合方法，所述的聚烯烴塑料包括聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)或環(huán)烯烴共聚物(COC)。本發(fā)明利用氧氣-氮?dú)饣旌蠚怏w實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的PDMS-烴類塑料的不可逆貼合，其中的氧氣和氮?dú)饩哂袇f(xié)同作用，效果好于單純的氧氣或氮?dú)?。PDMS和聚烯烴類塑料不可逆貼合，再經(jīng)過機(jī)械剝離后呈現(xiàn)的截面如圖I所示，未出現(xiàn)貼合面剝離的現(xiàn)象，斷裂面在PDMS本體內(nèi)；對處理前后的表面的原子力顯微鏡表征(圖2)顯示，PDMS和聚烯烴塑料的表面幾何形變不超過10 nm ;對具有微流體管道的PDMS-聚烯烴類塑料的氣體壓力試驗(yàn)(圖3-A)表明，這種鍵合下的芯片均可耐受大約500 KPa的外界正壓力而維持較好的鍵合狀態(tài)。以PDMS-PS為例，將其儲存于-20°C 50°C的環(huán)境下儲存一周，如圖3-B所示其鍵合質(zhì)量并無明顯降低，仍然達(dá)到約500 KPa0而液體壓力試驗(yàn)表明即使在15 mL/min的高流速下，芯片并沒有漏液的現(xiàn)象發(fā)生。將芯片內(nèi)灌注IM鹽酸，IM氫氧化鈉或純水，芯片分別在3天，一周和一月中沒有出現(xiàn)漏液現(xiàn)象，說明芯片可用于某些極端化學(xué)環(huán)境。本發(fā)明的意義
本發(fā)明利用氧氣和氮?dú)饣旌蠚怏w在等離子體激發(fā)中的的協(xié)同作用同時處理PDMS和聚烯烴類塑料，實(shí)現(xiàn)了 PDMS-烴類塑料的高質(zhì)量不可逆貼合。貼合的技術(shù)造成貼合面幾何結(jié)構(gòu)的改變小于10 nm，可滿足納米級精度的貼合要求。貼合的復(fù)合結(jié)構(gòu)在較寬的溫度和化學(xué)環(huán)境下具有較好的穩(wěn)定性。特別適合于高精度微納流控塑料芯片的大規(guī)模制備。


圖I. PDMS-PS，PDMS-COC，PDMS-PP不可逆鍵合結(jié)構(gòu)的撕裂截面圖。圖2. PDMS, PS、COC、PP在等離子體處理前后表面粗糙度的原子力顯微鏡表征。圖3. PDMS-烴類塑料耐壓力曲線，A. PDMS-PS，PDMS-COC，PDMS-PP不可逆鍵合結(jié)構(gòu)常溫下耐壓力曲線；B. PDMS-PS不可逆鍵合結(jié)構(gòu)在不同溫度下放置一周后的耐壓力曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。儀器設(shè)備中頻等離子體儀一臺(蘇州奧米格機(jī)電科技有限公司，DT-II型)。材料用軟光刻技術(shù)制備的PDMS片，烴類塑料片。實(shí)施例I :PDMS和PS的氧氣-氮?dú)鈴?fù)合氣體等離子體不可逆貼合
步驟I :將表面潔凈的PDMS (美國道康寧公司Sylgard 184 silicone elastomer)芯片和塑料PS片(浙江力行得科技有限公司，光學(xué)級PS透明板)放入等離子體腔，關(guān)閉艙門；步驟2 :通入氧氣，氮?dú)饣旌蠚怏w(氣體體積比例1:4)，調(diào)節(jié)艙內(nèi)總氣體氣壓20 Pa ；步驟3 :等離子體使用中頻發(fā)生器以非接觸方式產(chǎn)生，功率為35W/ L，等離子體處理時間為40 s ；
步驟4 :處理結(jié)束后，還原艙內(nèi)氣壓到大氣壓，并將PDMS和塑料PS的處理面立即接觸黏貼即可實(shí)現(xiàn)黏貼。
實(shí)施例2 =PDMS和PS的氧氣-氮?dú)鈴?fù)合氣體等離子體不可逆貼合
步驟I :將表面潔凈的PDMS (美國道康寧公司Sylgard 184 silicone elastomer)芯片和塑料PS片(浙江力行得科技有限公司，光學(xué)級PS透明板)放入等離子體腔，關(guān)閉艙門；步驟2 :通入氧氣，氮?dú)饣旌蠚怏w(氣體體積比例1:1)，調(diào)節(jié)艙內(nèi)總氣體氣壓35 Pa ；步驟3 :等離子體使用中頻發(fā)生器以非接觸方式產(chǎn)生，功率為57W/ L，等離子體處理時間為20 s ；
步驟4 :處理結(jié)束后，還原艙內(nèi)氣壓到大氣壓，并將PDMS和塑料PS的處理面立即接觸黏貼即可實(shí)現(xiàn)黏貼。經(jīng)過機(jī)械剝離后呈現(xiàn)的截面如圖I所示，對處理前后的表面的原子力顯微鏡表征如圖2所示，對具有微流體管道的PDMS-PS塑料的氣體壓力試驗(yàn)如圖3-A所示，在不同溫度下放置一周后的耐壓力曲線如圖3-B所示。
實(shí)施例3 =PDMS和PP的氧氣-氮?dú)鈴?fù)合氣體等離子體不可逆貼合步驟I :將表面潔凈的PDMS芯片和塑料PP片(由中國揚(yáng)子石化F401料生產(chǎn)的PP片)放入等離子體腔，關(guān)閉艙門；
步驟2 :通入氧氣，氮?dú)饣旌蠚怏w(氣體體積比例1:1)，調(diào)節(jié)艙內(nèi)總氣體氣壓30Pa ；步驟3 :等離子體使用中頻發(fā)生器以非接觸方式產(chǎn)生，功率為57W/ L。等離子體處理時間為30 s ；
步驟4 :處理結(jié)束后，還原艙內(nèi)氣壓到大氣壓，并將PDMS和塑料PP的處理面立即接觸即可實(shí)現(xiàn)黏貼。實(shí)施例4 PDMS和PP的氧氣-氮?dú)鈴?fù)合氣體等離子體不可逆貼合
步驟I :將表面潔凈的PDMS芯片和塑料PP片(由中國揚(yáng)子石化F401料生產(chǎn)的PP片)放入等離子體腔，關(guān)閉艙門；
步驟2 :通入氧氣，氮?dú)饣旌蠚怏w(氣體體積比例1:4)，調(diào)節(jié)艙內(nèi)總氣體氣壓35Pa ；步驟3 :等離子體使用中頻發(fā)生器以非接觸方式產(chǎn)生，功率為48W/ L。等離子體處理時間為30 s ；
步驟4 :處理結(jié)束后，還原艙內(nèi)氣壓到大氣壓，并將PDMS和塑料PP的處理面立即接觸即可實(shí)現(xiàn)黏貼。經(jīng)過機(jī)械剝離后呈現(xiàn)的截面如圖I所示，對處理前后的表面的原子力顯微鏡表征如圖2所示，對具有微流體管道的PDMS-PP塑料的氣體壓力試驗(yàn)如圖3-A所示，實(shí)施例5 =PDMS和COC的氧氣-氮?dú)鈴?fù)合氣體等離子體不可逆貼合步驟I :將表面潔凈的PDMS芯片和塑料COC片(由美國Ticona公司，Topas 5010L-01材料生產(chǎn)的COC片)放入等離子體腔，關(guān)閉艙門；
步驟2 :通入氧氣，氮?dú)饣旌蠚怏w(氣體體積比例0:1)，調(diào)節(jié)艙內(nèi)總氣體氣壓20 Pa ；步驟3 :等離子體使用中頻發(fā)生器以非接觸方式產(chǎn)生，功率為60W/ L。等離子體處理時間為60 s ；
步驟4 :處理結(jié)束后，還原艙內(nèi)氣壓到大氣壓，并將PDMS和塑料COC的處理面立即接觸即可實(shí)現(xiàn)黏貼。實(shí)施例6 PDMS和COC的氧氣-氮?dú)鈴?fù)合氣體等離子體不可逆貼合
步驟I :將表面潔凈的PDMS芯片和塑料COC片(由美國Ticona公司，Topas 5010L-01材料生產(chǎn)的COC片)放入等離子體腔，關(guān)閉艙門； 步驟2 :通入氧氣，氮?dú)饣旌蠚怏w(氣體體積比例49:1)，調(diào)節(jié)艙內(nèi)總氣體氣壓40 Pa ；步驟3 :等離子體使用中頻發(fā)生器以非接觸方式產(chǎn)生，功率為35W/ L。等離子體處理時間為30 s ；
步驟4 :處理結(jié)束后，還原艙內(nèi)氣壓到大氣壓，并將PDMS和塑料COC的處理面立即接觸即可實(shí)現(xiàn)黏貼。經(jīng)過機(jī)械剝離后呈現(xiàn)的截面如圖I所示，對處理前后的表面的原子力顯微鏡表征如圖2所示，對具有微流體管道的PDMS-PS塑料的氣體壓力試驗(yàn)如圖3-A所示，在不同溫度下放置一周后的耐壓力曲線如圖3-B所示。
權(quán)利要求
1.一種聚二甲基硅氧烷(PDMS)與聚烯烴類塑料的等離子體不可逆鍵合方法，其特征是它包括下列步驟 (1)將表面潔凈的PDMS芯片和聚烯烴類塑料片放入等離子體腔，關(guān)閉艙門； (2)通入氧氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，氧氣和氮?dú)獾捏w積比為0:廣49:1，調(diào)節(jié)艙內(nèi)總氣體氣壓在20Pa 40 Pa范圍內(nèi)； (3)等離子體使用中頻發(fā)生器以非接觸方式產(chǎn)生，功率為35W 60W/L，等離子體處理時間為20 s 60 s ; (4)處理結(jié)束后，還原艙內(nèi)氣壓到大氣壓，并將PDMS和聚烯烴類塑料的處理面立即接觸黏貼即可實(shí)現(xiàn)黏貼。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的等離子體不可逆鍵合方法，其特征是所述的聚烯烴塑料包括鏈狀烯烴聚合物、芳香族烯烴聚合物或環(huán)狀烯烴聚合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的等離子體不可逆鍵合方法，其特征是所述的聚烯烴塑料包括聚苯乙烯、聚丙烯或環(huán)烯烴共聚物。
全文摘要
一種聚二甲基硅氧烷(PDMS)與聚烯烴類塑料的等離子體不可逆鍵合方法，它是將表面潔凈的PDMS芯片和聚烯烴類塑料片使用中頻發(fā)生器以非接觸方式通入氧氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w進(jìn)行等離子體處理，并將PDMS和聚烯烴類塑料的處理面立即接觸黏貼即可實(shí)現(xiàn)黏貼。貼合的復(fù)合體可以耐受大約500KPa的外界壓力而不破裂，并且在較大的溫度范圍和化學(xué)環(huán)境下保持一定時間的穩(wěn)定性。這種處理方法對被處理對象的表面結(jié)構(gòu)改變小于10nm，能夠滿足高精度的微納結(jié)構(gòu)貼合的需要。方法綠色環(huán)保，簡單易行，價格低廉，適合于大規(guī)模卷對卷的PDMS-烴類塑料貼合。在微納流控芯片制造領(lǐng)域尤其具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號C08L25/06GK102701145SQ201210136178
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者徐碧漪, 徐靜娟, 閆小娜, 陳洪淵 申請人:南京大學(xué)