PL217098B1 - Sposób sklejania płyt poliwęglanowych z zachowaniem ich mikro-struktury powierzchniowej - Google Patents
Sposób sklejania płyt poliwęglanowych z zachowaniem ich mikro-struktury powierzchniowejInfo
- Publication number
- PL217098B1 PL217098B1 PL389750A PL38975009A PL217098B1 PL 217098 B1 PL217098 B1 PL 217098B1 PL 389750 A PL389750 A PL 389750A PL 38975009 A PL38975009 A PL 38975009A PL 217098 B1 PL217098 B1 PL 217098B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- polycarbonate
- vapors
- solvent
- gluing
- plates
- Prior art date
Links
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 title claims abstract description 66
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 title claims abstract description 66
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 54
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims abstract description 17
- 230000008961 swelling Effects 0.000 claims abstract description 9
- YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N Dichloromethane Chemical compound ClCCl YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 48
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 21
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 16
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 13
- ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 2-Butanone Chemical compound CCC(C)=O ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 claims description 9
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 7
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N Pyridine Chemical compound C1=CC=NC=C1 JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N chlorobenzene Chemical compound ClC1=CC=CC=C1 MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- JHIVVAPYMSGYDF-UHFFFAOYSA-N cyclohexanone Chemical compound O=C1CCCCC1 JHIVVAPYMSGYDF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RLSSMJSEOOYNOY-UHFFFAOYSA-N m-cresol Chemical compound CC1=CC=CC(O)=C1 RLSSMJSEOOYNOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- LQNUZADURLCDLV-UHFFFAOYSA-N nitrobenzene Chemical compound [O-][N+](=O)C1=CC=CC=C1 LQNUZADURLCDLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- QPFMBZIOSGYJDE-UHFFFAOYSA-N 1,1,2,2-tetrachloroethane Chemical compound ClC(Cl)C(Cl)Cl QPFMBZIOSGYJDE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 3
- SCYULBFZEHDVBN-UHFFFAOYSA-N 1,1-Dichloroethane Chemical compound CC(Cl)Cl SCYULBFZEHDVBN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- OCJBOOLMMGQPQU-UHFFFAOYSA-N 1,4-dichlorobenzene Chemical compound ClC1=CC=C(Cl)C=C1 OCJBOOLMMGQPQU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229940117389 dichlorobenzene Drugs 0.000 claims description 2
- 230000001376 precipitating effect Effects 0.000 claims description 2
- UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N pyridine Natural products COC1=CC=CN=C1 UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- QJRZPVGQQPEKNL-UHFFFAOYSA-N C=ClC(Cl)Cl.Cl Chemical compound C=ClC(Cl)Cl.Cl QJRZPVGQQPEKNL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 17
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 abstract description 4
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 abstract description 2
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 26
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 9
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 9
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 6
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 4
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 4
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N (3-aminopropyl)triethoxysilane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)CCCN WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N Chloroform Chemical compound ClC(Cl)Cl HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 2
- 229920004011 Macrolon® Polymers 0.000 description 2
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 description 2
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 2
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 125000003172 aldehyde group Chemical group 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000011953 bioanalysis Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 239000009719 polyimide resin Substances 0.000 description 1
- 238000003752 polymerase chain reaction Methods 0.000 description 1
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 125000002924 primary amino group Chemical group [H]N([H])* 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- QQQSFSZALRVCSZ-UHFFFAOYSA-N triethoxysilane Chemical compound CCO[SiH](OCC)OCC QQQSFSZALRVCSZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BPSIOYPQMFLKFR-UHFFFAOYSA-N trimethoxy-[3-(oxiran-2-ylmethoxy)propyl]silane Chemical compound CO[Si](OC)(OC)CCCOCC1CO1 BPSIOYPQMFLKFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09J—ADHESIVES; NON-MECHANICAL ASPECTS OF ADHESIVE PROCESSES IN GENERAL; ADHESIVE PROCESSES NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE; USE OF MATERIALS AS ADHESIVES
- C09J5/00—Adhesive processes in general; Adhesive processes not provided for elsewhere, e.g. relating to primers
- C09J5/02—Adhesive processes in general; Adhesive processes not provided for elsewhere, e.g. relating to primers involving pretreatment of the surfaces to be joined
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/12—Bonding of a preformed macromolecular material to the same or other solid material such as metal, glass, leather, e.g. using adhesives
- C08J5/122—Bonding of a preformed macromolecular material to the same or other solid material such as metal, glass, leather, e.g. using adhesives using low molecular chemically inert solvents, swelling or softening agents
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2369/00—Characterised by the use of polycarbonates; Derivatives of polycarbonates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09J—ADHESIVES; NON-MECHANICAL ASPECTS OF ADHESIVE PROCESSES IN GENERAL; ADHESIVE PROCESSES NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE; USE OF MATERIALS AS ADHESIVES
- C09J2469/00—Presence of polycarbonate
- C09J2469/006—Presence of polycarbonate in the substrate
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)
Description
Przedmiotem wynalazku jest sposób sklejania mikroukładów PC, charakteryzujący się prostotą, dużą powtarzalnością oraz tym, że nie powoduje zmiany chemii powierzchni czy geometrii mikrokanałów, z wykorzystaniem zjawiska pęcznienia wierzchniej warstwy polimeru, w kontakcie płyt poliwęglanowych z parami rozpuszczalników i następczej kompresji zmodyfikowanych elementów w temperaturze znacznie niższej niż temperatura przejścia szklistego Tg.
Miniaturyzacja to ważny trend w wielu dziedzinach nauki i techniki. Powszechne dążenie do miniaturyzacji ma na celu: oszczędność czasu, przestrzeni, kosztów i materiałów. Począwszy od ostatniego dziesięciolecia XX wieku obserwuje się szybki rozwój technik mikroprzepływowych. Układy mikroprzepływowe ^FLDs) to systemy miniaturowych kanałów o wymiarach poprzecznych od ułamków do wielokrotności milimetrów służące do prowadzenia przepływów płynów (cieczy czy gazów). Zastosowanie mikroskali w przepływach umożliwia ich łatwiejszą kontrolę. Przykładowo, przepływy charakteryzujące się małymi wartościami liczby Reynoldsa, tzn. takie dla których efekty lepkościowe są bardziej lub znacznie bardziej istotne od efektów bezwładnościowych, w dobrym przybliżeniu opisuje się równaniami, które liniowo wiążą przyłożone siły (np. gradienty ciśnień) z objętościowymi natężeniami przepływów. Wiele zastosowań układów mikroprzepływowych zakłada powtarzalne i miarodajne dozowanie czy poddawanie obróbce małych próbek płynów (np. w zastosowaniach analizy chemicznej lub tworzeniu monodyspesyjnych emulsji czy zawiesin). Najpopularniejszą geometrią układów mikroprzepływowych jest geometria planarna, co oznacza, że układy mikrokanałów znajdują się w/na jednej płaszczyźnie lub na kilku płaskich, równoległych warstwach, które są połączone portami. Tego typu układy często korzystnie jest wykonywać z materiałów polimerowych w procesie dwuetapowym. W pierwszym etapie przygotowuje się mikrowzory (mikrodrążenia lub mikroodciski) na płaskiej płytce polimerowej lub na wielu płytkach. Następnie płytki łączy się ze sobą (płytki z wzorami i płytki bez wzorów w dowolnej kombinacji) w celu zamknięcia światła mikrokanałów. Sklejanie płytek polimerowych często prowadzi do nadtopienia czy istotnego rozpuszczenia ich powierzchni, co przyczynia się do deformacji przekrojów mikrokanałów. W niniejszym wniosku przedstawiamy metodę łączenia płyt poliwęglanowych, która w powtarzalny sposób pozwala uzyskać trwałą spoinę bez naruszania geometrii przekrojów mikrokanałów.
Do konstrukcji miniaturowych systemów wykorzystuje się najnowsze osiągnięcia naukowe czy technologiczne oraz najnowocześniejsze materiały (głównie polimery). Polimery takie jak: PDMS (polidimetylosiloksan), PC (poliwęglan), PMMA (polimetakrylan metylu), COC (cykliczny kopolimer poliolefinowy), PEEK (polieteroeteroketon) czy PI (plastyczna poliimidowa żywica) znalazły szerokie zastosowanie jako surowce do produkcji miniaturowych systemów. O atrakcyjności polimerów decyduje ich wielka różnorodność, a wybór materiału konstrukcyjnego najczęściej podyktowany jest jego właściwościami (np. łatwość w obróbce, odporność chemiczna czy transparentność) [1-4]. Materiałem polimerowym ostatnio chętnie wykorzystywanym do konstrukcji mikroukładów zintegrowanych jest poliwęglan. Jego popularność wynika m.in. z dostępności rynkowej, niskiej ceny, łatwej obróbki, odporności mechanicznej czy transparentności w zakresie promieniowania widzialnego. Do wad PC zaliczyć można słabą odporność na rozpuszczalniki organiczne oraz absorpcję promieni UV. PC jest powszechnie wykorzystywany przy konstrukcji μFLDs stosowanych w badaniach medycznych czy bioanalizie (np. PCR- reakcja łańcuchowa polimerazy) [5,6]. Konstruowane mikrochipy to niejednokrotnie wieloelementowe układy, które wymagają integracji. Do łączenia komponentów z PC powszechnie wykorzystuje się termiczne sklejanie, które nie gwarantuje silnego spoiwa i często znacząco zmienia geometrię kanałów.
Tworzenie trwałych spoin między elementami układu, bez naruszania ich struktury, to jeden z kluczowych problemów w technikach mikroprzepływowych. Można wyszczególnić trzy metody sklejania μFLDs: termiczna, chemiczna i adhezyjna. Stosowanie termicznej techniki łączenia wiąże się z koniecznością podgrzania sklejanych elementów polimerowych do temperatury przejścia szklistego (Tg) [7-11] bądź wykorzystaniem dodatkowych materiałów np. cienkich foli (tzw. laminowanie) [12]. Metoda ta często stosowana jest do integracji komponentów szklanych [13] czy poliwęglanowych [9,14]. Ponadto, technika ta może być rozszerzana i przykładowo wspomagana sklejaniem rozpuszczalnikowym (np. przed termicznym łączeniem elementów PMMA, wystawia się je na działanie DMSO i metanolu w postaci cieczy) [15].
PL 217 098 B1
Termiczna metoda klejenia jest prosta, tania i nie wymaga stosowania złożonej aparatury. Podstawową wadą tej techniki jest konieczność prowadzenia kompresji w temperaturze bliskiej Tg, czyli około 145 - 150°C, co często prowadzi do zniekształcenia geometrii mikrokanałów.
Alternatywą sklejania termicznego jest łączenie chemiczne, które polega na zmianie chemii powierzchni integrowanych materiałów [15-18]. Taką modyfikację można wprowadzić przez zastosowanie UV/O3, plazmy czy wprowadzanie aktywnych grup funkcyjnych (hydroksylowa, karboksylowa, aminowa czy epoksydowa). UV/O3 czy plazma są powszechnie wykorzystywane do łączenia elementów z PDMS bądź szkła, polistyrenu, polietylenu czy PMMA [19,20]. Dla PDMS taka modyfikacja jest wyjątkowo nietrwała - pod wpływem powietrza powierzchnia ulega rekonstrukcji, co powoduje, iż etap procesu sklejania musi być niezmiernie szybki [21]. Inną możliwością integracji komponentów PDMS jest modyfikacja ich powierzchni przy użyciu (3-aminopropy!o)trietoksysilanu (APTES) i (3-glicydoksypropylo)trimetoksysilanu (GPTMS) [22]. Reakcja między grupą aminową (APTES na jednym elemencie) i epoksydową (GPTMS na drugim) prowadzi do wytworzenia silnego wiązania chemicznego (wiązanie kowalencyjne). Przedstawiony sposób sklejania znalazł również zastosowanie do łączenia dwóch różnych polimerów: PDMS i PC [23].
Trzecią, główną metodą sklejania jest łączenie adhezyjne. Do tego celu wykorzystuje się różnego rodzaju kleje. Najczęściej są to żywice czy materiały UV-utwardzalne, które umożliwiają integrację metali, szkła, ceramiki i polimerów [24,25]. Przykładowo, płytki PDMS można poddać modyfikacji i wytworzyć na ich powierzchni różne warstwy filmów, a następnie w wyniku reakcji chemicznej między grupami aminowymi i aldehydowymi trwale połączyć [26].
Podstawową wadą metod: chemicznej i adhezyjnej jest powstająca lub konieczna modyfikacja łączonych powierzchni. Wprowadzane zmiany struktury lub chemii kanałów jest w większości przypadków efektem niepożądanym.
Nieoczekiwanie, okazało się, że możliwe jest opracowanie metody sklejania płytek z poliwęglanu, charakteryzującą się wyjątkowo dużą powtarzalnością i w porównaniu z termicznym łączeniem PC umożliwia uzyskanie silnego spoiwa (wytrzymuje ciśnienie przekraczające 0,4 MPa) z jednoczesnym zachowaniem geometrii mikrokanałów.
Sposób łączenia płytek poliwęglanowych według wynalazku charakteryzuje się tym, że łączone powierzchnie poddaje się działaniu par związku organicznego będącego rozpuszczalnikiem lub wytrącalnikiem poliwęglanu, wybranego z grupy obejmującej: chlorek metylenu (DCM), 2-butanon (MEK), aceton (MMK), benzen, toluen, chlorobenzen, dichlorobenzen, nitrobenzen, chlorek metylenu, chloroform, cykloheksanon, czterochloroetan, dichloroetan, czterohydrofuran, dimetyloformamid, m-krezol oraz pirydynę, powodującego pęcznienie wierzchniej warstwy polimeru, po czym łączy się powierzchnie zmodyfikowanych elementów, w temperaturze od 125 do 135°C i przy ciśnieniu od 0,05 do 0,4 MPa.
W sposobie według wynalazku, korzystnie grubość warstwy pęczniejącej reguluje się regulując czas wystawienia powierzchni na działanie związku organicznego będącego rozpuszczalnikiem lub wytrącalnikiem poliwęglanu, w granicach od 1 minuty do 24 godzin.
Korzystnie, proces spęczniania warstwy powierzchniowej odbywa się w komorze próżniowej wypełnionej kontrolowaną ilością par związku organicznego będącego rozpuszczalnikiem lub wytrącalnikiem poliwęglanu lub mieszanin par takich związków.
Sposób według wynalazku charakteryzuje się prostotą, dużą powtarzalnością oraz tym, że nie powoduje zmiany chemii powierzchni czy geometrii mikrokanałów. W prezentowanej metodzie wykorzystuje się zjawisko pęcznienia wierzchniej warstwy polimeru, które jest wynikiem kontaktu PC z parami par związku organicznego będącego rozpuszczalnikiem lub wytrącalnikiem poliwęglanu oraz kompresji zmodyfikowanych elementów w temperaturze znacznie niższej niż Tg.
W metodzie wykorzystano następujące substancje organiczne: chlorek metylenu (DCM),
2-butanon (MEK) i aceton (MMK). DCM to powszechnie znany i stosowany rozpuszczalnik PC. Jego popularność wynika z jego dużej stabilności chemicznej czy niskiej temperatury wrzenia. W prezentowanej metodologii prócz rozpuszczalnika PC (DCM) znalazły również zastosowanie jego nierozpuszczalniki (MEK i MMK), które powodują pęcznienie, a nie roztwarzanie PC [27].
Urządzenie do sklejania mikroukładów poliwęglanowych, według wynalazku, składa się z ewentualnie chłodzonego zbiornika 2 zawierającego związek organiczny będący rozpuszczalnikiem lub wytrącalnikiem poliwęglanu 4, połączonego za pomocą zaworu trójdrożnego 6 z reaktorem 1, korzystnie szklanym, oraz próżniową pompą membranową 3. Dodatkowo, korzystnie, reaktor 1 wyposażony jest w zawór odcinający 7 oraz mieszadło 8 dla zapewnienia jednorodności składu atmosfery gazowej.
PL 217 098 B1
Schemat urządzenia według wynalazku został przedstawiony na fig. 1. Procedura sklejania obejmuje następujące etapy: i) umieszczenie elementów PC 5 w reaktorze 1, ii) wypompowanie powietrza z rektora do podciśnienia, korzystnie p = 0,001 MPa przy pomocy pompy 3, iii) połączenia rektora 1 ze zbiornikiem rozpuszczalnika 2 i wprowadzenia par związku do rektora 1. W czasie całego procesu w celu zapewnienia jednorodności par związek oraz gaz w rektorze miesza się za pomocą mieszadła 8. Po czym przeprowadza się jednorodne ściskanie (kompresję) sklejanych płytek.
Pary stosowanego związku powodują pęcznienie polimeru i wytworzenie widocznej pod mikroskopem zmodyfikowanej warstwy PC. Obserwowana grubość zmodyfikowanej warstwy d odzwierciedla kinetykę procesu dyfuzji, która ściśle zależy od czasu ekspozycji i objętości użytego związku.
Opracowana metoda sklejania płyt poliwęglanowych (PC) oparta jest o prosty zestaw aparatury, powszechnie dostępne i tanie reagenty. Metoda stanowi wyjątkowo atrakcyjne narzędzie do otrzymywania trwałych i wytrzymałych spoin między płytkami poliwęglanowymi zawierającymi wzory kanałów mikroprzepływowych. Obecny stan techniki pozwala na otrzymanie mocnych spoin za pomocą łączenia termicznego (prasowanie, spawanie) lub chemicznego (rozpuszczanie i łączenie). Jednakże wymienione procedury łączenia często powodują znaczącą lub całkowitą deformację mikrowzorów wyrytych na powierzchniach płyt. Procedura przedstawiona w niniejszym wniosku rozwiązuje ten problem techniczny. W szczególności sposób według wynalazku opiera się na kontrolowanej ekspozycji płyt poliwęglanowych na działanie par związków organicznych oraz jednorodnym ściskaniu (kompresja) w temperaturze znacząco niższej od cechującej użyty materiał polimerowy temperatury przejścia szklistego.
Sposób według wynalazku, dzięki wystawieniu płytek na działanie par związku, gwarantuje jednorodność nadtrawienia materiału i lepszą powtarzalność. Ale także jest dużo łatwiejsza w stosowaniu bo stosuje ekspozycję na pary związku, a nie na sam roztwór w fazie ciekłej.
Poniżej przedstawiono przykłady wykonania wynalazku.
P r z y k ł a d I
W urządzeniu przedstawionym na fig. 1, w reaktorze 1 umieszczono próbki z płytek poliwęglanowych Macroclear i Macrolon (Bayer), następnie wypompowano powietrze z rektora do podciśnienia, około 0,001 MPa przy pomocy pompy 3, po czym połączono rektor 1 ze zbiornikiem związku 2 zawierającym dichlorometan i wprowadzono pary związku do rektora 1. W czasie całego procesu w celu zapewnienia jednorodności par związek oraz gaz w rektorze mieszano. W następnej kolejności zmodyfikowane w/w sposobem płytki PC poddano zgrzewaniu, do którego wykorzystano prasę termiczną. Proces klejenia uwarunkowany był temperaturą (T), ciśnieniem (p) oraz czasem kompresji. Parametry: T i p były zmienne, natomiast czas klejenia ustalono na 30 minut. Ponadto określono minimalną głębokość penetracji PC (d) wymaganą do klejenia poliwęglanowych komponentów, którą wyznaczono na 20 μm niezależnie od T i p. Proces klejenia w prezentowanej metodzie opiera się na: i) konforemnym kontakcie między płytkami PC oraz ii) wzajemnej interdyfuzji łańcuchów polimerowych.
P r z y k ł a d II
W urządzeniu przedstawionym na fig. 1, w reaktorze 1 umieszczono próbki z płytek poliwęglanowych Macroclear oraz Macrolon (Bayer), następnie wypompowano powietrze z rektora do podciśnienia, około 0,001 MPa przy pomocy pompy 3, po czym połączono rektor 1 ze zbiornikiem związku 2 zawierającym aceton (lub 2-butanon) i wprowadzono pary związku do rektora 1. W czasie całego procesu w celu zapewnienia jednorodności par związek oraz gaz w rektorze mieszano. Po zakończeniu etapu rozmiękczania przeprowadzono jednorodne ściskanie (kompresję) sklejanych płytek do wytworzenia spoiny. W następnej kolejności zmodyfikowane w/w sposobem płytki PC poddano zgrzewaniu, do którego wykorzystano prasę termiczną. Proces klejenia uwarunkowany był temperaturą (T), ciśnieniem (p) oraz czasem kompresji. Parametry: T i p były zmienne, natomiast czas klejenia ustalono na 30 minut. Ponadto określono minimalną głębokość penetracji PC (d) wymaganą do klejenia poliwęglanowych komponentów, którą wyznaczono na 20 μm niezależnie od T i p. Proces klejenia w prezentowanej metodzie opiera się na: i) konforemnym kontakcie między płytkami PC oraz ii) wzajemnej interdyfuzji łańcuchów polimerowych.
Podsumowanie wyników.
Na fig. 2 przedstawiono zależność średniej grubości zmodyfikowanej warstwy d od czasu ekspozycji t MakroIon® PC (20x10x2 mm) na pary DCM (koła), MEK (trójkąty) i MMK (kwadraty) otrzymane w wyniku odparowania 1 mL odpowiedniego związku. Liczba n oznacza liczbę próbek, na podstawie której obliczono średnią grubość. Wydaje się, iż obserwowany profil d(t) to nie prosta dyfuzja,
1/2 w której (d) jest proporcjonalne do t1/2, lecz bardziej złożony proces [28]. Efekt wysycenia PC parami
PL 217 098 B1 jest wyraźny. Przedstawiony profil d(t) wykazuje możliwość łatwej regulacji grubości warstwy d przez zmianę czasu ekspozycji. W czasie eksperymentów dodatkowo zauważono, że powierzchnia płyt PC jest fabrycznie zmodyfikowana (fig. 2). Penetracja PC bez warstwy zabezpieczającej (100-mikrometrowa warstwa wierzchnia została usunięta) (okręgi na fig. 2) przez pary związku była większa (o grubość ok. 15 μm) niż dla PC z warstwą zabezpieczającą (koła na fig. 2). Niemniej jednak jakościowy profil d(t) w obu przypadkach był podobny. Obserwowany efekt może sugerować, iż prezentowana metoda będzie wymagała kalibracji w zależności od rodzaju i pochodzenia poliwęglanu.
Następnie zbadano wpływ ilości DCM na d, a wyniki zaprezentowano na fig. 3 i fig. 4. W eksperymencie wykorzystano płytki MakroIon® PC o grubości: 0,75 mm (kwadraty na fig. 4), 2 mm (koła na fig. 4) i 5 mm (trójkąty na fig. 4). Czas ekspozycji był stały i równy 30 minut. Uzyskane rezultaty pokazują, że objętość DCM ma istotny wpływ na grubość penetrowanej warstwy. Jednakże użycie DCM w ilości od 1 do 4 mL gwarantuje uzyskanie powtarzalnej warstwy o stałej grubości rzędu 20 μm (fig. 4). Dodatkowo sprawdzono, że przy ustalonej ilości związku d jest niezależne od modyfikowanej powierzchni płytki.
Wykorzystywany do modyfikacji PC proces parowania jest wysoce endoenergetyczny - w czasie przeprowadzania eksperymentu kolba ze związkiem ulega znacznemu ochłodzeniu. Obserwowany efekt można tłumaczyć występowaniem zjawiska kawitacji, które polega na gwałtownej przemianie fazowej z fazy ciekłej w fazę gazową pod wpływem zmiany ciśnienia. Zbadano, iż zmiana temperatury łaźni wodnej (w której zanurzona jest kolba z rozpuszczalnikiem) w zakresie od 22 do 30°C nie wpływa znacząco na grubość modyfikowanej warstwy PC.
W następnej kolejności zmodyfikowane w/w sposobem płytki PC poddano zgrzewaniu, do którego wykorzystano prasę termiczną. Proces klejenia uwarunkowany jest temperaturą (T), ciśnieniem (p) czy czasem kompresji. Parametry: T i p były zmienne, natomiast czas klejenia ustalono na 30 minut. Ponadto określono minimalną głębokość penetracji PC (d) wymaganą do klejenia poliwęglanowych komponentów, którą wyznaczono na 20 μm niezależnie od Ti p. Proces klejenia w prezentowanej metodzie opiera się na: i) konforemnym kontakcie między płytkami PC oraz ii) wzajemnej interdyfuzji łańcuchów polimerowych. Ponieważ dyfuzja polimeru przebiega właściwie w skali długości znacząco mniejszej niż 20 μm, założono teoretycznie, że trudności z uzyskaniem powtarzalnej spoiny dla d < 20 μm wynikały z braku konforemnego kontaktu między płytkami.
W celu uzyskania mniejszej grubości spoiny (d < 20 μm), konieczne byłoby wykorzystanie płytek z wcześniej specjalnie przygotowaną - bardzo gładką powierzchnią, umożliwiającą dobry kontakt w wybranej temperaturze i ciśnieniu kompresji. Inaczej mówiąc, do sklejenia płytek spoiną o mniejszej grubości wymagana będzie mniejsza głębokość penetracji płytek przez pary związku, a co za tym idzie możliwość dysponowania płytkami bardziej płaskimi (dokładniej wykonanymi), wtedy prawdopodobnie do ich połączenia wystarczyłaby mniejsza głębokość spęcznienia. Co istotne, wykazano, iż penetracja i pęcznienie PC na głębokości nieznacznie powyżej/przekraczającej 20 μm istotnie nie przekłada się na deformację mikrokanałów. Prezentowana metoda jest szczególnie atrakcyjna, ponieważ umożliwia sklejanie płytek PC wykonanych w stosunkowo prostym standardzie branży budowlanej, dzięki czemu mogą one być relatywnie tanie. Prezentowana metoda pozwala na uzyskanie trwałej spoiny przy jednoczesnym zachowaniu geometrii układu z dokładnością do pojedynczych mikrometrów lub rozmiarów mniejszych niż 10 do 20 mikrometrów.
Parametry sklejania p i T testowano dla związku, dichlorometanu (DCM), odpowiednio w zakresach: 0,05 - 0,4 MPa i 125-135°C < Tg. W tym celu przygotowano układy o wymiarach 20x20 mm, wyposażone w zestaw mikrokanałów oraz otwór wlotowy prowadzący do komory o średnicy 10 mm, znajdującej się w centralnej części chipu. Wyniki sklejania otrzymane w/w warunkach potwierdziły możliwość powtarzalnego uzyskiwania silnego wiązania przy jednoczesnym zachowaniu geometrii mikrokanałów (Rys. 5). Stopień deformacji kanałów oszacowano na podstawie wzoru: S/S0 x 100%, gdzie S0 i S - to pola powierzchni przekroju poprzecznego kanałów odpowiednio przed i po sklejaniu 2 wyrażone w μm . Minimalne deformacje obserwowano jedynie dla najwyższych wartości T i p (135°C i 0,4 MPa). Podstawą ustalenia siły uzyskanych wiązań były rezultaty przeprowadzonych prób ciśnieniowych. Wykazano, iż otrzymane spoiwa są stosunkowo mocne i odporne na ciśnienie powyżej 0,4 MPa. Najmocniejsze spoiwo (~ 0,6 MPa) uzyskano w przypadku największej wartości T i p (135°C i 0,4 MPa).
Podobne wyniki, czyli uzyskanie silnego spoiwa przy pomijalnej deformacji geometrii kanałów otrzymano w przypadku dwóch nie-rozpuszczalników (wytrącalników) poliwęglanu, zwłaszcza
PL 217 098 B1
2-butanon (MEK) i aceton (MMK). Na fig. 6 przedstawiono przekroje poprzeczne kanałów przed oraz po klejeniu PC z użyciem związków: DCM, MEK i MMK.
Literatura:
H. Becker and L. E. Locascio, Talanta, 2002, 56, 267.
J. M. Margolis, Engineering Thermoplastic: Properties and Aplications, Marcel Dekker, USA,
1985.
O. Olabisi, Handbook of thermoplastics, Marcel Dekker, USA, 1997.
J. Brandrup, E. H. Immergut, E. A. Grulke, A. Eric and A. Abe, Polymer Handbook, J. Wiley &
Son, 1999.
Y. Liu, D. Ganser, A. Scheider, R. Liu, Piotr Grodzinski, N Kroutchinina, Anal. Chem., 2001,
73, 4196.
C. H. Chan, J. K. Chen and F. C. Chang, Sens. Actuators B, 2008, 133, 327.
Y. J. Liu, C. B. Rauch, R. Lenigk, J. Yang, D. B. Rhine and P. Grodzinski, Anal. Chem., 2002,
74, 3063.
K. S. Hong, J. Wang, A. Sharonov, D. Chandra, J. Aizenberg and S. Yang, J. Micromech.
Microeng., 2006, 16, 1660.
J. Yang, Y. Liu, C. B. Rauch, R. L. Stevens, R. H. Liu, R. Lenigk, P. Grodzinski, Lab Chip,
2002, 2, 179.
M. H. Sorouraddin, M. Amjadi and M. Safi-Shalamazari, Anal. Chim. Acta, 2007, 589, 84.
H. Shadpour, M. L. Hupert, D. Patterson, C. G. Liu, M. Galloway, W. Stryjewski, J. Goettert and S. A. Soper, Anal. Chem., 2007, 79, 870.
R. M. McCormick, R. J. Nelson, M. G. Alonso-Amigo, D. J. Benvegnu and H. H. Hooper,
Anal. Chem., 1997, 69, 2626.
T. McCreedy, Anal. Chim. Acta, 2001, 427, 39.
J. Chen, M. Wabuyele, H. Chen, D. Patterson, M. Hupert, H. Shadpour, D. Nikitopoulos and
S. A. Soper, Anal. Chem., 2005, 77, 658.
L. Brown, T. Koerner, J. H. Horton and R. D. Oleschuk, Lab Chip, 2006, 6, 66.
Y. Zhang, V. Bailey, C. M. Puleo, H. Easwaran, E. Griffiths, J. G. Herman, S. B. Baylinb and
T. H. Wang, Lab Chip, 2009, 9, 1059.
C. J. Easley, R. K. P. Benninger, J. H. Shaver, W. S. Heada and D. W. Piston, Lab Chip,
2009, 9, 1119.
S. G. Im, K. W. Bong, C. H. Lee, P. S. Doylea and K. K. Gleason, Lab Chip, 2009, 9, 411.
J. C. McDonald and G. W. Whitesides, Acc. Chem. Res., 2002, 35, 491.
W. Zhang, S. Lin, C. Wang, J. Hu, C. Li, Z. Zhuang, Y. Zhou, R. A. Mathies and C. J. Yang,
Lab Chip, 2009, 9, 3088.
J. Kim, M. K. Chaudhury and M. J. Owen, J. Colloid Interface Sci., 2000, 226, 231.
N. Y. Lee and B. H. Chung, Langmuir, 2009, 25, 3861.
K. S. Lee and R. J. Ram, Lab Chip, 2009, 9, 1618.
A. Gerlach, H. Lambach and D. Seidel, Microsystem Technologies, 1999, 6, 19.
D. Maas, B. Bustgens, J. Fahrenberg, W. Keller, P. Ruther, D. Seidel, IEEE Xplore, 1996, 331.
H. Y. Chen, A. A. McClelland, Z. Chen and J. Lahann, Anal. Chem., 2008, 80, 4119.
J. Borkowski, Z. Dobkowski, B. Krajewski, S. Maczenski, Z. Wielgosz, Poliwęglany, WNT,
W-wa, 1971.
M. Fialkowski, C. J. Campbell, I. T. Bensemann and B. A. Grzybowski, Langmuir, 2004, 20,
Claims (3)
1. Sposób łączenia płytek poliwęglanowych, znamienny tym, że łączone powierzchnie poddaje się działaniu par związku organicznego będącego rozpuszczalnikiem lub wytrącalnikiem poliwęglanu, wybranego z grupy obejmującej: chlorek metylenu, 2-butanon, aceton, benzen, toluen, chlorobenzen, dichlorobenzen, nitrobenzen, chlorek metylenu, chloroform, cykloheksanon, czterochloroetan, dichloroetan, czterohydrofuran, dimetyloformamid, m-krezol oraz pirydynę, powodującego pęcznienie
PL 217 098 B1 wierzchniej warstwy polimeru, po czym łączy się powierzchnie zmodyfikowanych elementów, w temperaturze od 125 do 135°C i przy ciśnieniu od 0,05 do 0,4 MPa.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że grubość warstwy pęczniejącej reguluje się regulując czas wystawienia powierzchni na działanie związku organicznego będącego rozpuszczalnikiem lub wytrącalnikiem poliwęglanu, w granicach od 1 minuty do 24 godzin.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces spęczniania warstwy powierzchniowej odbywa się w komorze próżniowej wypełnionej kontrolowaną ilością par związku organicznego będącego rozpuszczalnikiem lub wytrącalnikiem poliwęglanu lub mieszanin par takich związków.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL389750A PL217098B1 (pl) | 2009-12-03 | 2009-12-03 | Sposób sklejania płyt poliwęglanowych z zachowaniem ich mikro-struktury powierzchniowej |
| CH19572010A CH702369B1 (de) | 2009-12-03 | 2010-11-23 | Verfahren zum Verkleben von Polycarbonatplatten unter Aufrechterhaltung ihrer Oberflächen-Mikrostruktur. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL389750A PL217098B1 (pl) | 2009-12-03 | 2009-12-03 | Sposób sklejania płyt poliwęglanowych z zachowaniem ich mikro-struktury powierzchniowej |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL389750A1 PL389750A1 (pl) | 2011-06-06 |
| PL217098B1 true PL217098B1 (pl) | 2014-06-30 |
Family
ID=44201502
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL389750A PL217098B1 (pl) | 2009-12-03 | 2009-12-03 | Sposób sklejania płyt poliwęglanowych z zachowaniem ich mikro-struktury powierzchniowej |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CH (1) | CH702369B1 (pl) |
| PL (1) | PL217098B1 (pl) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102013102653A1 (de) | 2013-03-14 | 2014-09-18 | Finatec Holding Ag | Vorrichtung und Verfahren zum Transport und zur Untersuchung von schnelllaufenden Behandlungsgütern |
-
2009
- 2009-12-03 PL PL389750A patent/PL217098B1/pl unknown
-
2010
- 2010-11-23 CH CH19572010A patent/CH702369B1/de not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CH702369A2 (de) | 2011-07-15 |
| PL389750A1 (pl) | 2011-06-06 |
| CH702369B1 (de) | 2013-12-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hassanpour-Tamrin et al. | A simple and low-cost approach for irreversible bonding of polymethylmethacrylate and polydimethylsiloxane at room temperature for high-pressure hybrid microfluidics | |
| Vlachopoulou et al. | A low temperature surface modification assisted method for bonding plastic substrates | |
| Kitsara et al. | Integration of functional materials and surface modification for polymeric microfluidic systems | |
| Hamad et al. | Inkjet printing of UV-curable adhesive and dielectric inks for microfluidic devices | |
| Burdallo et al. | Integration of microelectronic chips in microfluidic systems on printed circuit board | |
| US20100104480A1 (en) | Method for improving the bonding properties of microstructured substrates, and devices prepared with this method | |
| Vo et al. | Maximizing interfacial bonding strength between PDMS and PMMA substrates for manufacturing hybrid microfluidic devices withstanding extremely high flow rate and high operation pressure | |
| Wouters et al. | Prototyping of thermoplastic microfluidic chips and their application in high-performance liquid chromatography separations of small molecules | |
| JP5700189B2 (ja) | 三次元シースフロー形成構造及び微粒子集束方法 | |
| Miserere et al. | Fabrication of thermoplastics chips through lamination based techniques | |
| Jung et al. | Surface functionalization and bonding of chemically inert parylene microfluidics using parylene-A adhesive layer | |
| Huang et al. | A microfluidic system with integrated molecular imprinting polymer films for surface plasmon resonance detection | |
| KR20170068805A (ko) | 분자각인고분자를 이용한 단백질 검출용 미세유체채널 시스템, 이의 제조방법 및 이를 이용한 단백질 검출용 바이오센서 | |
| Liu et al. | Restraining non-specific adsorption of protein using Parylene C-caulked polydimethylsiloxane | |
| US20070116594A1 (en) | Analytical microchip | |
| PL217098B1 (pl) | Sposób sklejania płyt poliwęglanowych z zachowaniem ich mikro-struktury powierzchniowej | |
| Song et al. | Polymers for microfluidic chips | |
| Saitoh et al. | Preparation of poly (N-isopropylacrylamide)-modified glass surface for flow control in microfluidics | |
| Pashayev et al. | Quantifying the performances of SU-8 microfluidic devices: high liquid water tightness, long-term stability, and vacuum compatibility | |
| KR101151221B1 (ko) | 마이크로 채널을 가진 구조물의 제조 방법 및 그 구조물 | |
| Tsougeni et al. | A microfabricated cyclo-olefin polymer microcolumn used for reversed-phase chromatography | |
| Jeon et al. | Fluorescent detection of bovine serum albumin using surface imprinted films formed on PDMS microfluidic channels | |
| JP2005274405A (ja) | マイクロ流体デバイス及び微量試料の導入方法 | |
| JP2010247056A (ja) | マイクロチップ | |
| JP2008157644A (ja) | プラスチック製マイクロチップ、及びそれを利用したバイオチップ又はマイクロ分析チップ。 |