PMMA의 제조 및 COP 미세 유체 장치에 대한 솔벤트 본딩

요약

솔벤트 본딩 고품질 결합을 갖는 열가소성 마이크로 유체 장치를 제조하기위한 간단하고 다양한 방법이다. 우리는 압력, 온도, 적당한 용매, 및 소자 기하의 현명한 조합에 의해 마이크로 상세 보존 PMMA 강한 광학적으로 투명한 결합 및 COP 미세 유동 장치를 달성하기위한 프로토콜을 기술한다.

초록

열가소성 마이크로 유체 소자는 실리콘 탄성 중합체로 만들어진 것들에 비해 많은 장점을 제공하지만, 본딩 절차는 관심있는 각각의 열가소성 위해 개발되어야한다. 솔벤트 본딩 플라스틱의 다양한 디바이스를 제조하는데 사용될 수있는 간단하고 다양한 방법이다. 적당한 용매는 두 개의 장치 층 사이에 추가 결합되도록하고, 열 및 압력은 본딩을 용이하게 소자에 적용된다. 용매, 플라스틱, 열 및 압력의 적절한 조합을 사용함으로써, 장치는 고품질의 접합에 의해 밀봉 될 수 있고, 마이크로 높은 결합에 따르면, 접착 강도, 광학 투명도, 시간이 지남에 따라 내구성 및 낮은 변형이나 손상을 갖는 특징 기하학. 우리는 본딩 결과 결합의 품질을 특성화하는 인기있는 두 열가소성 수지, 폴리 (메틸 메타 크릴 레이트) (PMMA), 및 사이클로 올레핀 폴리머 (COP)뿐만 아니라, 다양한 방법으로 만든 장치 및 전략에 대한 절차를 설명 덮지에품질이 낮은 채권를 해결하십시오. 이러한 방법은 다른 수지 - 용매 시스템을위한 새로운 용매 본딩 프로토콜을 개발하는데 사용될 수있다.

서문

^{4 -} 마이크로 유체 잘 마이크로 ¹ 화학 및 물리학을 공부 적합, 크게 생물학 연구 ^2에 기여할 수있는 성장 약속 기술로 지난 20 년 동안 등장했다. 미세 유체 장치의 대부분은 역사적 (PDMS), 폴리 (디메틸 실록산)으로부터, 사용하기 쉽고 저렴한 실리콘 엘라스토머를 제조하고, 고품질의 복제 기능 ^(5)를 구비하고있다. 그러나, PDMS는 단점을 잘 문서화 및 ^6,7를 처리 대량 제조와 호환이며, 같은 때문에 대량 생산함으로써 상용화를위한 그들의 잠재력, 열가소성 물질로부터 미세 유체 장치를 제조 향해 성장 추세가 있었다있다.

플라스틱 미세 가공 넓은 채택 주요 장애물 중 하나는 플라스틱 장치로 쉽게 고품질의 결합을 달성하고있다. 현재 전략은 t 채용열 전, 접착제 및 용매를 본딩 기술하지만, 많은 상당한 어려움 겪는다. 열 접합은 형광도 ⁸ 증가 종종 미세 형상 ⁹ 변형 ^- 접착 기술 스텐실 조심 정렬이 필요하지만, ^11, 궁극적으로 마이크로 채널 ^(10)에 노출 된 접착제의 두께를 떠난다. ^{14 -} 용매 결합으로 인해 단순, 조정 기능, 저렴한 비용 ^{(10, 12)에} 매력적이다. 특히, 그 조정 기능은 마이크로 피처 ^(14)의 변형을 최소화 일관된 고품질의 접착을 수득 할 수있는 다양한 플라스틱에 대한 최적화를 가능하게한다.

솔벤트 본딩 중에 용매 노출은 접합 계면에 걸쳐 쇄의 상호 확산을 가능하게하는 플라스틱의 표면 근처의 중합체 사슬의 유동성을 증가시킨다. 이것은 확산 사슬의 얽힘 기계적 연동을 통해 발생하며 AP 초래A. 물리적 결합 ^10. 열 결합은 유사한 방식으로 동작하지만, 연쇄 이동성을 증가 형 고온에 의존한다. 따라서, 열적 방법은 용매의 사용이 크게 본딩에 필요한 온도를 감소시키고, 따라서 불필요한 변형을 감소시킬 수있는 반면, 근처 또는 중합체의 유리 전이 온도 이상으로 필요로한다.

우리는 PMMA와 COP 장치 모두를 접합하기위한 특정 프로토콜을 제공한다. 그러나,이 프로토콜 및 방법은 다른 플라스틱 재료, 용제 및 사용 가능한 장비 맞출 수 열가소성 미세 유체 장치의 용매 결합에 대한 간단하고 일반적인 방법을 설명합니다. 우리는 채권의 품질을 평가하기위한 다양한 방법을 설명합니다 (예를 들어, 채권 범위, 결합 강도, 결합 내구성 및 마이크로 형상의 변형), 이러한 공통의 과제를 해결하는 문제 해결 방법을 제공합니다.

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프로토콜

아래 설명 된 모든 단계가 개발 및 비 - 클린 룸 환경에서 수행되어 있습니다. 용매 본딩 단계는 가능하면 확실 클린 룸에서 수행 될 수 있지만, 이것은 필요하지 않다.

열가소성 미세 유체 장치 레이어 1. 준비

1. 설계 및 적절한 제조 방법을 사용하여, 선택한 열가소성로부터 미세 유체 소자를 제작 층 (예, ¹⁶ 엠보싱 micromilling ^{15 - 18,} 사출 성형).
2. 시각 에지 "클린"되도록 디바이스 층을 검사 (즉, 제조 공정에서 아니오 버 또는 남은 물질의 융기 부분). 최상의 결과를 광학 현미경으로 상기 장치의 외부 가장자리에 더하여 모든 가공 마이크로 피처 에지를 확인한다.
3. 남은 물질은 육안 검사 중에 발견 된 경우, 면도날을 사용하거나 메스 조심스럽게 제거 매트한 평면에 대하여 서로 누워에서 디바이스 층 방지 erial가되도록 층의 인터페이스는 컨 포멀 접촉.
4. 청소 장치는 실험실 비누와 물과 압축 공기 건조로 표면. 2 분 동안 2- 프로판올에 장치 층 잠수함과 압축 공기를 건조.

2. 솔벤트 본딩

1. 가열 (PMMA의 경우)를 누르거나 (COP에 대한) 핫 플레이트를 준비합니다.
   1. PMMA (캐스팅 아크릴, ~ 100-110 ° C의 유리 전이 온도) ^{18 예열} 프레스 70 ° C, 그리고 들어 온도가 안정 될 수 있습니다.
   2. (제조에서 102 ° C의 유리 전이 온도) COP를 들어, 25 ° C로, 핫 플레이트를 예열하고, 온도가 안정 할 수있다.
2. 접합 공정에 대한 용매 준비합니다.
   1. PMMA를 들어, 접합 면적 제곱 인치당 에탄올 0.5ml를 측정한다.
   2. COP를 들어, 2- 프로판올 및 시클로 헥산, 기지의 65:35 혼합물을 제조본딩 영역의 제곱 인치당 혼합물 0.5 ml를 하 전량.
      참고 : 사이클로 헥산은 일반적인 폴리 프로필렌 실험 실용을 용해하므로 COP를 들어, 유리 피펫 및 컨테이너를 사용합니다. 시클로 헥산은 독성 등의 흄 후드의 모든 혼합 및 결합을 수행합니다.
3. 세정 플라스틱 층 사이의 접착 면적의 제곱 인치당 0.1 ㎖의 용매를 분배하고 층들을 함께 가져온다. 시각 공통이며, 최대한 제거되어야하는 접합 계면에서의 기포에 대한 검사.
   참고 : 빠르게 작업을 용매 분배 된 후, 같은 휘발성 용매가 증발하기 시작합니다 (따라서, 용매 혼합물 조성 변경됩니다) 도움이됩니다.
   1. 거품이있는 경우가 거의 떨어져 올 수 있도록, 접합 계면을 따라 두 개의 플라스틱 층을 밀어 넣습니다 (그러나 접촉을 유지)하고 함께 다시 밀어 넣습니다.
4. 정렬 핀 장치의 층을 맞 춥니 다,사용자 정의 지그, 또는 단순히 손으로 (자세한 내용은 토론 섹션을 참조).
   1. 맞춤 핀을 사용하는 경우, 핀 구멍을 정렬하고, 장치 스택에 핀을 삽입합니다.
   2. 사용자 정의 지그를 사용하는 경우, 지그에 장치 스택을 삽입하고 장치의 주위에 조입니다.
   3. 손으로 정렬하는 경우 단말기의 외부 에지를 정렬하기 위해 손가락을 사용한다.
5. (PMMA) 또는 (COP에 대한) 사전 가열 된 핫 플레이트 상에 예열을 눌러로 용매 장치를 놓습니다.
   1. PMMA를 들어, 2 분 동안 압력 2,300 kPa로 적용 할 수 있습니다.
   2. COP를 들어, 압력 350 kPa로 적용 할 수 있습니다. 5 ℃ / 분의 속도로 70 ° C 내지 25 ° C의 온도를 증가시킨다. 추가로 15 분 동안 70 ℃에서 (9 분 후) C, 결합에 도달 한 후.
6. 안전 검사를 위해 뜨거운 장치를 제거 핀셋을 사용합니다. 결합이 완료되었습니다.
7. 마이크로 또는 다른 featur에 (장치에 남아있는 액체를 제거들).
   1. PMMA를 들어, 압축 공기에 남아있는 액체를 제거합니다. COP를 들어, 남아있는 시클로 헥산을 제거하기 위해 24 시간 동안 45 ° C에서 핫 플레이트와 빵에 결합 장치를 배치합니다.

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결과

일반 솔벤트 본딩 절차의 개략도가도 1에 도시되어있다. 채권 품질을 평가하는 가장 쉬운 방법은 불량 채권의 범위가 결합되지 않은 플라스틱의 영역을 쉽게 볼 수 있기 때문에 시각적으로 채권 범위를 검사하고, 약한 결합을 나타낸다. 이러한 영역은 일반적으로 근처의 자유 변 (예를 들어, 장치의 주변, 또는 열린 포트 또는 마이크로 근처)이며, 또한 ...

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토론

잠재적 인 결합 전략의 타당성을 사용할 장비에 따라 달라집니다. 핫 플레이트 비교적 공통이며 웨이트 저렴하게 구입할 수 있지만, 고압 전략 가열 프레스의 사용을 필요로한다. 예를 들어, 우리의 최적 PMMA 본딩 레시피 에탄올 (표 1 참조)와 결합하는 높은 압력을 필요로하고, 요구되는 압력은 웨이트를 사용하는 전형적인 장치 크기에 도달 할 수 없습니다. 전용 핫 플레이트와 무게?...

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자료

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.