Lösungsmittelbindung für die Herstellung von PMMA und COP Mikrofluidiksysteme

Zusammenfassung

Lösungsmittelbindung ist ein einfaches und vielseitiges Verfahren für thermoplastische Mikrofluidik-Vorrichtungen mit hoher Qualität Bindungen hergestellt wird. Wir beschreiben ein Protokoll zu erreichen, stark, optisch klare Bindungen in PMMA und COP mikrofluidischen Vorrichtungen, die Mikrostrukturdetails, durch eine sinnvolle Kombination von Druck, Temperatur, einem geeigneten Lösungsmittel und Bauteilgeometrie zu erhalten.

Zusammenfassung

Thermoplastisches mikrofluidischen Geräte bieten viele Vorteile gegenüber denen aus Silikon-Elastomeren, aber Bondverfahren müssen für jedes Thermoplast Interesse entwickelt werden. Lösungsmittelbonden ist ein einfaches und vielseitiges Verfahren, die verwendet werden können Geräte aus einer Vielzahl von Kunststoffen herzustellen. Ein geeignetes Lösungsmittel befindet sich zwischen zwei Vorrichtungsschichten zugesetzt werden, gebunden ist, und Wärme und Druck werden auf die Vorrichtung aufgebracht, um die Bindung zu erleichtern. Durch die Verwendung einer geeigneten Kombination von Lösungsmittel, Kunststoff, Hitze und Druck kann das Gerät mit einem hochwertigen Bindung abgedichtet werden, gekennzeichnet als hohe Bindung Abdeckung mit, Haftfestigkeit, optische Klarheit, Haltbarkeit im Laufe der Zeit und eine geringe Verformung oder Beschädigung von Mikrostruktur Geometrie. Wir beschreiben das Verfahren zum Verkleben von Vorrichtungen aus zwei populäre Thermoplasten, Poly (methyl-methacrylat) (PMMA) und Cycloolefin-Polymer (COP) sowie eine Vielzahl von Methoden, um die Qualität der resultierenden Bindungen zu charakterisieren und Strategien Troubleshoot niedrige Qualität Anleihen. Diese Verfahren können verwendet werden, um neue Lösungsmittelbindungsprotokolle für andere Kunststoff-Lösungsmittelsysteme zu entwickeln.

Einleitung

Mikrofluidik hat sich in den letzten zwanzig Jahren als Technologie gut geeignet für das Studium der Chemie und Physik an der mikroskaligen ^1, und mit wachsendem Versprechen entstanden deutlich zu Forschung Biologie beitragen ^2-4. Die Mehrheit der Mikrofluidik - Vorrichtungen aus Poly (dimethylsiloxan) (PDMS), ein Silikon - Elastomer , das einfach zu bedienen, preiswert ist, historisch und bietet hohe Qualitätsmerkmal Replikation ^5. Allerdings hat PDMS gut dokumentierte Nachteile und ist nicht mit hochvolumigen Herstellungs ^6,7 verarbeitet und als solches besteht ein wachsender Trend zur Herstellung von mikrofluidischen Vorrichtungen aus thermoplastische Materialien, die aufgrund ihrer potentiellen Massenherstellung und damit Vermarktung gewesen.

Eines der wichtigsten Hindernisse für den verstärkten Einsatz von Kunststoff-Mikro wurde das Erreichen einfache, qualitativ hochwertige Verklebung von Kunststoff-Geräte. Aktuelle Strategien beschäftigen thermal, Klebstoff und Lösungsmittel Bindungstechniken, aber viele leiden an großen Herausforderungen. Die thermische Bindung erhöht Autofluoreszenz ⁸ und oft verformt Mikrokanalgeometrien ^{9 bis 11,} während Klebetechniken erfordern Schablonen, eine sorgfältige Ausrichtung und schließlich die Dicke der auf dem Mikrokanal ¹⁰ freiliegenden Klebstoff lassen. Lösungsmittelbonden ist attraktiv wegen ihrer Einfachheit, Abstimmbarkeit und niedrige Kosten ^{10,12 - 14.} Insbesondere ermöglicht seine Einstellbarkeit Optimierung für eine Vielzahl von Kunststoffen, die gleichbleibend hohe Qualität Bindung ergeben können , die ¹⁴ Verformung von Mikrostrukturen minimiert.

Während der Lösungsmittelbonden, erhöht die Lösungsmittelexposition, die Mobilität der Polymerketten in der Nähe der Oberfläche des Kunststoff, die Interdiffusion der Ketten über die Verbindungsgrenzfläche ermöglicht. Dies verursacht Verschlingung über mechanische Verriegelung der diffundierenden Ketten und führt in aphysical Bindung ^10. Wärmebindungs ​​arbeitet in ähnlicher Weise, sondern stützt sich auf erhöhter Temperatur allein Kettenbeweglichkeit zu erhöhen. Somit thermische Verfahren erfordern Temperaturen nahe oder oberhalb der Glasübergang des Polymers, während die Verwendung von Lösemitteln signifikant die Temperatur zum Bonden benötigt reduzieren kann und somit unerwünschte Deformierung reduzieren.

Wir stellen ein spezifisches Protokoll für beide PMMA und COP-Geräte verbunden wird. Jedoch beschreibt dieses Protokoll und Verfahren eine einfache, generischen Ansatz zur Lösungsmittel Verkleben von thermoplastischen Mikrofluidik-Vorrichtungen, die für andere Kunststoffmaterialien, Lösungsmitteln und erhältlicher Ausrüstung zugeschnitten werden können. Wir beschreiben eine Vielzahl von Methoden zur Bewertung der Qualität von Anleihen der Bewertung (zB Briefdeckung, Klebkraft, Bindung Haltbarkeit und Deformation von Mikrostrukturgeometrien) und Fehlerbehebung Ansätze bieten diese gemeinsamen Herausforderungen zu begegnen.

Protokoll

Man beachte, dass alle unten wurden in einem nicht-Reinraumumgebung beschriebenen Schritte entwickelt und durchgeführt. Die Lösungsmittelbindungsschritte können sicherlich in einem Reinraum durchgeführt werden, wenn verfügbar, aber dies ist nicht erforderlich.

1. Herstellung von Thermoplastischer Mikrofluidikvorrichtung Schichten

1. Design und Herstellung Mikrofluidikvorrichtung Schichten aus dem thermoplastischen der Wahl eines geeigneten Herstellungsverfahren unter Verwendung von (beispielsweise ¹⁵ Mikrofräsen, Prägung ^{16 bis 18,} Spritzgießen).
2. Sichtprüfung Bauteilschichten um sicherzustellen , dass Kanten "saubere" (dh keine Grate oder Rippen von übrig gebliebenen Material aus dem Herstellungsprozess) ist. Die besten Ergebnisse erzielen, überprüfen Sie alle bearbeiteten Mikromerkmalskanten zusätzlich zu den Außenkanten der Vorrichtung unter einem optischen Mikroskop.
3. Wenn die Restmaterial bei der visuellen Inspektion gefunden wird, verwenden Sie eine Rasierklinge oder einem Skalpell vorsichtig jede Matte entfernenerial, die die Geräte Schichten von flach liegenden gegeneinander, so dass die Grenzflächen der Schichten kommen in einen konformen Kontakt verhindert.
4. Saubere Geräteoberflächen mit Labor Seife und Wasser und mit Druckluft trocknen. Versenken Vorrichtungsschichten in 2-Propanol für 2 min und mit Druckluft trocknen.

2. Lösungsmittelbindung

1. Bereiten beheizten Presse (für PMMA) oder Heizplatte (für COP).
   1. Für PMMA (gegossenes Acrylglas, Glasübergangstemperatur von ~ 100-110 ° C) ¹⁸ vorwärmen Presse auf 70 ° C und ermöglichen Temperatur zu stabilisieren.
   2. Für COP (Glasübergangstemperatur von 102 ° C, vom Hersteller) vorheizen Heizplatte auf 25 ° C und ermöglichen Temperatur zu stabilisieren.
2. Bereiten Lösungsmittel für Bonding - Prozess.
   1. Für PMMA, messen 0,5 ml Ethanol pro Quadratzoll Klebefläche.
   2. Für COP, bereiten ein 65:35 Gemisch aus 2-Propanol und Cyclohexan, Witzha Gesamtvolumen von 0,5 ml der Mischung pro Quadratinch der Bindungsfläche.
      HINWEIS: Bei COP verwenden Glaspipetten und Behälter, wie Cyclohexan gemeinsame Polypropylen labware auflösen. Führen Sie alle Misch- und Bindung in einem Abzug, wie Cyclohexan giftig ist.
3. Dispense 0,1 ml Lösungsmittel pro Quadratzoll Bindungsfläche zwischen gereinigten Kunststoff - Schichten und bringen die Schichten zusammen. Sichtprüfung auf Luftblasen an der Verbindungsschnittstelle, die gemeinsam sind, und sollten so weit wie möglich entfernt werden.
   HINWEIS: Es ist von Vorteil, schnell zu arbeiten, sobald das Lösungsmittel verzichtet wurde, als flüchtige Lösungsmittel beginnt zu verdampfen (und damit auch Lösungsmittelgemische werden in der Zusammensetzung ändern).
   1. Wenn Blasen vorhanden sind, schieben Sie die zwei Kunststoffschichten entlang der Verbindungsgrenzfläche, so dass sie fast auseinander kommen (aber in Kontakt bleiben), und sie dann zusammen nach hinten schieben.
4. Ausrichten der Schichten der Vorrichtung mit Ausrichtungsstiften,eine benutzerdefinierte jig, oder einfach von Hand (siehe Diskussion Abschnitt für weitere Details).
   1. Wenn Passstifte verwenden, richten Sie die Löcher für die Stifte, und setzen Sie die Stifte in die Gerätestapel.
   2. Wenn Sie eine benutzerdefinierte jig verwenden, legen Sie das Gerät Stapel in die Spannvorrichtung und ziehen Sie um das Gerät herum.
   3. Wenn Ausrichten von Hand, verwenden die Finger die äußeren Kanten der Vorrichtung auszurichten.
5. Stellen Sie das Gerät mit Lösungsmittel in den vorgeheizten Presse (zum PMMA) oder auf den vorgeheizten Heizplatte (für COP).
   1. Für PMMA, gelten 2.300 kPa Druck für 2 min.
   2. Für COP gelten 350 kPa Druck. Erhöhen Sie die Temperatur von 25 ° C bis 70 ° C mit einer Rate von 5 ° C / min. Nach 70 ° C erreicht (nach 9 min), Bindung für weitere 15 min.
6. Verwenden einer Pinzette, um sicher das heiße Gerät zur Überprüfung entfernen. Kleben ist nun abgeschlossen.
7. Entfernen Sie alle verbleibenden Flüssigkeit in das Gerät (in Mikrokanälen oder anderen featurn).
   1. Für PMMA, entfernen Sie mit Druckluft, um Restflüssigkeiten. Für COP, klebt Gerät auf Heizplatte und backen bei 45 ° C für 24 Stunden alle verbleibenden Cyclohexan zu entfernen.

Ergebnisse

Eine schematische Darstellung des allgemeinen Lösungsmittelklebeverfahren ist in Abbildung 1 dargestellt. Der einfachste Weg, Bindungsqualität zu beurteilen, ist die visuelle Bindung Abdeckung inspizieren, da schlechte Bindung Abdeckung gut sichtbar als Regionen von unverbundenen Kunststoff ist, und ist ein Hinweis auf eine schwache Bindung. Solche Bereiche sind in der Regel in der Nähe von freien Kanten (zB Peripherie - Gerät oder in der Nähe von offenen P...

Diskussion

Die Machbarkeit von möglichen Bindungsstrategien abhängig von verfügbaren Geräten. Während Platten relativ häufig und Gewichten sind kostengünstig, Hochdruck-Strategien erworben werden, um die Verwendung einer beheizten Presse erfordern. Zum Beispiel erfordert unser optimales PMMA Verklebung Rezept Hochdruck mit Ethanol zu verbinden (siehe Tabelle 1) und der erforderliche Druck ist nicht erreichbar für typische Gerätegrößen mit freien Gewichten. Wenn also nur einer Heizplatte und Gewichte vor...

Materialien

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.