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等離子體處理提高PP聚丙烯微流控芯片粘接強度

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2023-02-20
微流控芯片技術(shù)（Micro fluidics）其實質(zhì)是利用微機電加工技術(shù)（MEMS）將通道、反應池等用于采樣、分離、反應、檢測等功能模塊集成在微米尺度的微流體操作平臺，在此芯片上進行不同的反應過程并對反應產(chǎn)物進行分析，從而實現(xiàn)生物化學實驗的功能。微流控技術(shù)被廣泛應用于化學成分、微生物、疾病等的體外診斷領(lǐng)域、環(huán)境檢測、食品衛(wèi)生監(jiān)督領(lǐng)域。通過近年的飛速發(fā)展，微流控技術(shù)已從理論方法研究逐漸走向了實際的產(chǎn)品化應用。
等離子體處理儀
在微流控芯片技術(shù)發(fā)展早期，由于硅和玻璃機械性能良好并且制作工藝成熟，因此成為了微流控芯片制作的常用材料。但由于半導體制造工藝相對復雜，導致生產(chǎn)制造成本較高。同時，為避免重復使用存在的污染風險，微流控芯片原則上屬于一次性耗材，與硅和玻璃相比，高分子聚合物材料具有材料種類豐富，易于批量生產(chǎn)加工等優(yōu)點，因此聚合物更加適合應用于微流控芯片的加工制造。目前，用于微流控芯片加工制造的常用聚合物主要包括：聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚丙烯（PP）、環(huán)烯烴聚合物（COP）、聚苯乙烯（PS）等。

其中，聚丙烯（Polypropylene，PP）材料是一種熱塑性聚合物。具有價格低、易于加工成型以及生物兼容性良好等優(yōu)點。并且PP是一種半結(jié)晶聚合物，內(nèi)部即有晶態(tài)也有非晶態(tài)，可以采用熱壓成型、滾壓成型、吸塑成型等工藝進行薄膜上曲面薄壁結(jié)構(gòu)的制作，也可以采用注塑成型等工藝進行復雜結(jié)構(gòu)的批量制作。因此PP也逐漸成為微流控芯片的一種常用加工材料。
PP 微流控芯片示意圖
PP 微流控芯片示意圖

鍵合是微流控芯片制作的最后一道工序，利用鍵合工藝可以將芯片的基片和蓋片緊密封接到一起，從而在芯片內(nèi)部形成密閉的微通道網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。目前，微流控芯片常用的鍵合方法包括：熱鍵合、陽極鍵合、膠粘接鍵合、超聲鍵合等。

聚合物微流控芯片的粘接
粘接是通過膠粘劑實現(xiàn)微流控芯片密封封裝的方法?？梢栽谑覝叵率┘訅毫χ苯油瓿伞Ｕ辰涌墒褂媚z膜和雙面膠兩種形式，第一種是在芯片無結(jié)構(gòu)側(cè)上固化形成一層粘膠劑層，該方法利用膠層作為中間層；第二種是使用雙面膠帶進行粘接，將雙面膠帶直接作為中間層以實現(xiàn)鍵合。在微流控芯片領(lǐng)域，粘接可以有效簡化鍵合的流程，提高生產(chǎn)效率，是微流控芯片鍵合最簡便易行的方法之一。因此，粘接方法有著廣闊的應用前景。但是，由于PP材料表面非極性，表面能低，導致膠粘劑與PP的粘接性能較差，使得膠粘接鍵合方法難以用于PP材料的微流控芯片鍵合。

等離子體處理
等離子體處理是利用等離子體中的高能態(tài)粒子打斷聚合物表面的共價鍵，等離子體中的自由基則與斷開的共價鍵結(jié)合形成極性基團，從而提高了聚合物表面活性。于此同時，等離子體對高分子聚合物表面存在物理刻蝕作用，導致聚合物表面的納米尺度的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。等離子體表面改性可以發(fā)生在反應性氣體或非反應氣體中；如圖1所示，當氣體為O2、N2等反應性氣體時，聚合物與等離子體發(fā)生氧化反應生成大量含氧基團，例如羧基、羰基、羥基等。當氣體為He、Ar等非反應氣體時，惰性氣體不能與聚合物反應，其主要利用等離子體的轟擊作用使得聚合物表面生成大量自由基和交聯(lián)結(jié)構(gòu)。
聚合物等離子體改性機理
聚合物等離子體改性機理
 
等離子體處理對于聚丙烯PP表面接觸角的影響
如圖2（a）所示，PP表面經(jīng)等離子體處理后，去離子水和二碘甲烷的接觸角均有較明顯的下降。當射頻功率超過120W時，接觸角下降趨勢緩慢，此時去離子水的接觸角由99.08°降到了79.25°，二碘甲烷的接觸角則由69.31°降到了59.39°。當射頻功率達到300W時，去離子水的接觸角為74.88°，二碘甲烷的接觸角為55.88°。去離子水屬于極性溶液，它的接觸角越小表明PP表面潤濕性越好，PP與膠粘劑的粘接強度將越高。

接觸角與射頻功率的關(guān)系
 
聚丙烯（PP）是微流控芯片常用的加工材料，但由于PP表面非極性，表面能低，使得PP材料的微流控芯片膠粘接強度較差，難以滿足使用要求。等離子體處理是聚合物表面改性的一種常用方法，一方面等離子體中的高能態(tài)粒子通過轟擊作用打斷聚合物表面的化學鍵，等離子體中的自由基則與斷開的化學鍵結(jié)合形成極性基團，從而提高了聚合物表面活性；另一方面，高能態(tài)粒子的轟擊作用也會使聚合物表面微觀形貌發(fā)生改變。等離子體處理可以有效改善PP表面的活性。利用等離子體改性處理的方法可以提高PP材料表面的粘接性能。
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