【摘 要】
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近年微流道器件在生物芯片、微机电系统、光学应用等方面都展现出强大的市场潜能。传统的微流道器件主要通过光刻和3D打印等方法制备,存在耗时、成本高或分辨率低的问题,而高精度微流道器件的制造又存在工艺复杂、成本与实验环境要求高等难题,限制了该器件在产业及科研领域的深入推广。所以本论文提出了一种简单且经济的微流道器件制备方法,主要通过静电纺丝近场直写纤维主模制备PDMS微流道器件。围绕熔融近场直写取向纤维
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近年微流道器件在生物芯片、微机电系统、光学应用等方面都展现出强大的市场潜能。传统的微流道器件主要通过光刻和3D打印等方法制备,存在耗时、成本高或分辨率低的问题,而高精度微流道器件的制造又存在工艺复杂、成本与实验环境要求高等难题,限制了该器件在产业及科研领域的深入推广。所以本论文提出了一种简单且经济的微流道器件制备方法,主要通过静电纺丝近场直写纤维主模制备PDMS微流道器件。围绕熔融近场直写取向纤维的关键工艺、阵列针头结构参数对近场直写过程电场干扰的评估机理、双针/单针溶液近场稳定直写取向纤维主模的制备工艺、熔融/溶液近场直写制备微流道器件及其功能表征等四个方面开展深入研究,主要研究工作和创新点如下:(1)利用控制变量法研究熔融近场直写的针头直径、针头加热温度、收集板牵引速度对单根纤维沉积表面形貌及不同层数纤维墙堆叠效果的影响机理,揭示各工艺参数对射流沉积行为及纤维形貌的作用规律,用于实现不同深宽比微流道器件的制造。通过对比试验发现增加收集板辅助加热装置有效加强根部纤维的黏着力。经过以上工艺探究成功制备多种复杂图案的纤维墙结构,为后续的微流道器件制作提供稳定的工艺制备基础。(2)探究阵列多针头的电场干扰对溶液近场直写过程的影响与评估,通过三种方法从宏观上证明了阵列多针头之间存在电场干扰,然后分析带电微元在射流过程的受力情况解释其电场干扰存在的原因。结合COMSOL仿真,建立多针近场直写的电场分布模型,分析针头几何结构参数对电场的分布及强度影响,并提出一种阵列多针头电场干扰量的评定方式,可甄选出合适的阵列针头结构用于后续微流道器件的制备。(3)进行双针/单针溶液近场直写取向纤维的制备工艺探究。利用正交实验甄选影响双针溶液近场纺丝质量的关键参数,探究其对纤维直径的映射关系,然后结合双针平行排布的近场直写方法,有效地降低针头间电场干扰对纤维沉积的影响。同时通过控制变量法甄选出单针头稳定制备亚微米纤维主模的合适工艺参数,为后续高分辨率的微流道器件制备提供工艺基础。(4)基于熔融近场直写PCL主模工艺,分别开展在PDMS的微流道器件的制备和T形、十字形微流道器件的层流和微液滴生成的应用研究。通过对比实验确定PDMS微流道器件制作的核心步骤和层流、液滴生成实验的关键工艺。然后通过溶液单针与双针平行排布近场直写PEO纤维主模在PDMS上制备出更高分辨率的微流道器件。进一步证明了静电纺丝近场直写技术在微流道器件制造中的适用性和潜力。
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