溶剂粘接的PMMA的制备和COP微流体装置

摘要

溶剂粘接是制造高品质债券热塑性微流体装置的简单和通用的方法。我们描述了一种协议来实现在PMMA中强，光学透明的键和COP的微流体装置能够保护微特征的详细信息，通过压力，温度，适当的溶剂中，和装置的几何形状的恰当组合。

摘要

热塑性微流体装置提供优于那些从硅氧烷弹性体作出了许多优点，但粘结程序必须为每个感兴趣的热塑性被开发。溶剂粘合是可用于从各种塑料制造设备的简单和通用的方法。在两个器件层之间添加适当的溶剂中结合，并且热和压力被施加到该装置，以促进粘合。通过使用溶剂，塑料，热和压力的适当组合，该设备可以具有高质量键被密封，其特征为具有高的粘结范围，粘合强度，光学透明度，随着时间的推移的耐用性，以及低变形或损坏微特征几何。我们描述了从两个流行的热塑性塑料，聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA），以及环烯烃聚合物（COP），以及各种各样的方法制备来表征所得键的质量接合装置，和策略的程序到特鲁bleshoot低质量债券。这些方法可用于开发其他塑料溶剂体系新溶剂粘合协议。

引言

微流体已经出现在过去的二十年，以及适合在微尺度¹学习化学和物理，以及不断增长的承诺生物学研究²显著贡献技术^{- 4。}大多数微流体装置的历来由聚（二甲基硅氧烷）制成（PDMS），硅氧烷弹性体，很容易使用，价格便宜，并提供了高品质的特性复制^5。然而，PDMS已充分证明的缺点，并与大批量制造不相容处理^6,7，因此，出现了对制造，因为它们的大规模生产，因此商业化潜力的热塑性材料的微流体装置，不断增长的趋势。

一来更广泛地采用塑料微细加工的主要障碍已经实现塑料器件的方便，高品质的结合。目前的战略运用Ťhermal，粘合剂和溶剂的结合技术，但许多患有显著挑战。热粘接增加自发荧光⁸和经常变形的微通道的几何形状^{9 - 11，}而粘合剂技术需要模具，仔细对准，并最终离开暴露于微通道¹⁰中的粘合剂的厚度。溶剂粘接是有吸引力的，由于它的简单性，可调性，成本低^{10,12 - 14。}尤其是，它的可调性使得优化各种塑料，它可以产生一致的，高质量接合，最大限度地减少微特征¹⁴的变形。

期间溶剂粘合，溶剂暴露增加聚合物链的塑料，这使得横跨接合界面链的相互扩散的表面附近的流动性。这使得通过扩散链的机械联锁纠缠，并导致AP物质环境的债券^10。热粘接工作在类似的方式，但单独依赖于升高的温度下，以增加链移动性。因此，热的方法需要的温度附近或该聚合物的玻璃化转变温度以上，而使用溶剂可显著减少所需用于粘结的温度，从而降低不必要的变形。

我们提供贴合PMMA和COP设备的特定协议。然而，该协议和方法描述了热塑性微流体装置的溶剂粘合，可以为其它塑料材料，溶剂和可用的设备进行定制的简单，通用的方法。我们描述了评估质量保证金多种方法（ 例如 ，债券保险，粘结强度，粘结耐久性和微特征几何变形），并提供解决这些共同的挑战排除故障的方法。

研究方案

注意，以下所有描述的步骤已被开发，并在非洁净室环境中进行。溶剂粘接的步骤当然可以在洁净室中进行，如果有的话，但是这不是必需的。

1.热塑性微流体器件层的制备

1. 设计和选择的热塑性制造微流体装置的层，使用适当的制造方法（ 例如 ，微细铣削^15，压花^{16 - 18，}注射成型）。
2. 目测设备层，以确保边缘"干净"（ 即 ，无论从制造工艺毛刺或边角料的脊）。为获得最佳效果，检查在光学显微镜下，除了该装置的外边缘都加工微特征的边缘。
3. 如果目视检查过程中发现边角料，用刀片或手术刀小心删除任何垫erial防止器件层从平面对躺在彼此，使得这些层的界面进入共形接触。
4. 清洁设备与实验室肥皂和水，并用压缩空气干燥的表面。在2-丙醇2分钟淹没器件层并用压缩空气干燥。

2.溶剂粘接

1. 准备热压机（用于PMMA）或电炉（用于COP）。
   1. 对于PMMA（压克力浇铸的〜100-110℃的玻璃化转变温度^）18预热按70°C，并允许温度稳定。
   2. 对于COP（102℃的玻璃化转变温度，从制造商），烤盘预热至25℃，并允许温度稳定。
2. 准备粘接工艺溶剂。
   1. 对于聚甲基丙烯酸甲酯，测量加入0.5ml每接合面积的平方英寸乙醇。
   2. 对于COP，准备2-丙醇和环己烷，机智的混合65:35为0.5ml每接合面积的平方英寸的混合物的公顷总体积。
      注:对于COP，用玻璃吸管和容器，如环己烷会溶解通用聚丙烯实验器具。执行在通风橱所有混合和键合，如环己烷是有毒的。
3. 分配0.1毫升每清洗塑料层之间的粘结面积的平方英寸溶剂，并把这些层一起。目视检查在粘合界面的气泡，这是常见的，并且应该尽可能除去。
   注:有利于迅速开展工作，一旦溶剂已被分配，如挥发性溶剂将开始蒸发（因此，溶剂混合物将在成分改变）。
   1. 如果存在气泡，滑动沿键合界面的两个塑料层，使它们几乎散开（但保持接触），然后滑动回在一起。
4. 对准装置的层用定位销，一个自定义的夹具，或者干脆用手（详情见讨论部分）。
   1. 如果使用对准销，对齐的销孔，并插入销插入设备栈。
   2. 如果使用自定义的夹具，将设备堆栈到工具和设备周围拧紧。
   3. 如果用手工对准，可使用手指来对齐设备的外边缘。
5. 将带有溶剂器件进入预加热机（用于PMMA），或放在预热烤盘（对于COP）。
   1. 对于聚甲基丙烯酸甲酯，施加的压力2300千帕为2分钟。
   2. 对于COP，应用压力为350kPa。增加从25℃至70℃的温度以5℃/分钟的速率。达到70℃（后9分钟），债券另外的15分钟后
6. 使用镊子安全地移除热设备进行检查。结合现已完成。
7. 在设备中删除任何剩余的液体（微通道或其他featurES）。
   1. 对于PMMA，请用压缩空气任何剩余的液体。对于COP，放在烤盘，烤绑定的设备在45℃24小时，以消除任何剩余的环己烷。

结果

一般溶剂粘合过程的示意图示于图1。评估债券质量最简单方法是目视检查覆盖债券，因为债券覆盖较差是无粘结胶区域很容易看到，并且表示弱粘接。这样的区域典型地是邻近自由边缘（ 例如 ，外围设备的，或者接近打开的端口或微通道），并且还可以经常出现周围的污物或灰尘的任何颗粒在粘合界面。由于弱粘结较差粘合覆盖在协议的开发阶段，?...

讨论

潜在的结合策略的可行性取决于可用的设备。虽然电磁炉是比较普遍和自由重量可以廉价购买，高压策略，将需要使用热压机的。例如，我们的最佳结合PMMA配方需要高压用乙醇（ 见表1）键，所需要的压力是无法达到使用自由重量典型的设备尺寸。因此，如果只有一个加热板和重量都可用，PMMA可以代替使用不同的溶剂（在水中75％丙酮）接合。另外，使用需要一个通风柜还可能限制?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
COP	Zeonor	604Z1020R080	20 kg COP Pellets - 1020R. Multiple suppliers can be used, but may affect bonding characteristics.
PMMA	McMaster Carr	8560K173	1.5 mm sheet thickness for our typical applications. Multiple suppliers can be used, but may affect bonding characteristics.
Cyclohexane	Sigma-Aldrich	227048	Cyclohexane, anhydrous, 99.5%. Multiple suppliers can be used. Toxic, requires fumehood.
Ethanol	Sigma-Aldrich	24102	Ethanol, absolute, ≥99.8% (GC). Multiple suppliers can be used.
Acetone	Sigma-Aldrich	179124	Acetone, ACS reagent, ≥99.5%. Multiple suppliers can be used.
2-Propanol	Sigma-Aldrich	278475	2-Propanol, anhydrous, 99.5%. Multiple suppliers can be used.
Hot plate(s)	Torrey Pines Scientific	HP60	Fully programmable digital hotplate. Multiple suppliers can be used.
Free weights	Cap Barbell	RPG#2	Standard cast iron plate. Multiple suppliers and different weights can be used.
Heated press	Carver	Auto CH	Auto series heated hydraulic press. Multiple suppliers can be used. A press that fits in a fumehood would allow the most flexibility (this model does not).
CNC Milling Machine	Tormach	PCNC 770	3 Axis CNC mill. Multiple suppliers can be used.
Endmills	Various	Various	Required sizes depend on designs. Multiple suppliers can be used.