CN103990406B - 基于形状记忆聚合物的流体混合器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于形状记忆聚合物的流体混合器，所述流体混合器以形状记忆聚合物为基体，所述基体表面具有至少两个储液区、至少一个混液区、至少两个第一通道区，所述第一通道区连接在所述储液区与混液区之间，所述储液区为预变形前为平面、预变形后为凹陷形状、形状可恢复的预变形区域，所述混液区的容积大于储液区的容积和第一通道区的容积之和，所述形状可恢复的预变形区域连接有能够为所述基体恢复形状提供驱动的驱动装置。本发明所述流体混合器，是基于聚合物材料自身的形状记忆功能，利用其形状恢复行为对于温度、电、磁等驱动条件的敏感特性来实现混合溶液的功能，无需电路、结构简单、形状和大小可调、易于制作和集成、成本低廉。

Description

基于形状记忆聚合物的流体混合器

技术领域

本发明涉及一种流体混合器，具体是一种基于形状记忆聚合物的流体混合器。

背景技术

目前流体混合器领域的研究焦点主要集中于微型流体混合器。微流体混合器的独特之处在于：体积小，能耗低，反应物消耗低，分析时间短，效率高，主要用于生物及化学反应前各种液态试剂的充分混合，在化学分析、生物及化学传感、分子分离、核酸排序及分析、环境监测等领域有着广泛的应用前景。例如，微全分析系统具备独特的优越性，如较短的响应时间、较少的试剂和试样消耗量、易于小型化和自动化、效率高等。而微混合器正是一种可以实现上述优越性的微器件，但是目前被研究开发出的此类微混合器较少。

现已研究开发的微混合器大概可以分为两类：主动混合器与被动混合器。被动混合器主要是利用分割与再结合的层压原理，例如利用通道结构制造混乱层流等方法。这一类混合器由于不需要外部能源来加速混合，因此便于集成，可靠性也更高，但要取得较好的混合效果往往需要较复杂的通道结构，所以一般混合效果很难达到最佳。主动混合器利用声、电、磁等外部能量对微通道内的流体进行扰动进而加速混合，混合效果一般比较突出，而且溶液混合时间较短，混合距离短，可选择性更大，适于雷诺数较低的溶液。但现有的主动微混合器不易集成，成本较高，制作也相对困难，对于材质的要求也相对于被动混合器更加严格，而且某些特殊情况下需要被混合的流体具有一定的性质，这些局限性给其应用带来一定的困难。因此，开发一种新型的主动微流体混合器已成为当前混合器领域极为迫切的需要。

发明内容

为了解决现有微混合器存在的问题，本发明利用热致形状记忆聚合物材料自身的传感和驱动功能，提供一种结构简单的基于形状记忆聚合物的流体混合器，通过温度来控制不同流体相互混合。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

基于形状记忆聚合物的流体混合器，其特征在于，所述流体混合器以形状记忆聚合物为基体，所述基体表面具有至少两个储液区、至少一个混液区、至少两个第一通道区，所述第一通道区连接在所述储液区与混液区之间，所述储液区为预变形前为平面、预变形后为凹陷形状、形状可恢复的预变形区域。

进一步地，基于形状记忆聚合物的流体混合器还包括所述形状可恢复的预变形区域连接有能够为所述基体恢复形状提供驱动的驱动装置，所述驱动装置为加热装置、电源、磁场发生装置、光源驱动装置中的一种或多种。

进一步地，所述形状记忆聚合物材料为纯聚合物或者聚合物基复合材料。

进一步地，所述混液区和第一通道区是永久的凹陷形状。

进一步地，所述混液区和/或第一通道区是预变形前为凹陷形状、预变形后为平面的形状可恢复的预变形区域。

进一步地，所述混液区是预变形前为平面、预变形后为凹陷形状的形状可恢复的预变形区域。

进一步地，所有形状可恢复的预变形区域的形状恢复的驱动条件相同。

进一步地，所述混液区与储液区的形状恢复的驱动条件不同。

进一步地，多个所述储液区的形状恢复的驱动条件不同。

进一步地，所述混液区与部分储液区的形状恢复的驱动条件相同或者所述混液区与所有储液区的形状恢复的驱动条件不同。

进一步地，所述储液区与基体边缘之间和/或者混液区与基体边缘之间也设置有第二通道区，所述第二通道区是预变形前为凹陷形状、预变形后为平面的形状可恢复的预变形区域，所述混液区和/或第二通道区是预变形前为平面、预变形后为凹陷形状的预变形区域，所述第二通道区与混液区的形状恢复的驱动条件不同。

进一步地，所述混液区的容积大于所有储液区的容积之和。

聚合物具有显著的形状记忆效应，能够感知环境的变化，并以形貌变化(恢复初始状态)的方式做出响应。目前，形状记忆聚合物的驱动方式有多种，例如热、电、磁、溶液或者光驱动等。其中，热驱动是聚合物形状记忆效应最为普遍的一种驱动方式，其原理是利用形状记忆聚合物对于温度的敏感特性来诱发形状恢复。

近期的研究发现，通过适当的预变形处理，热致形状记忆聚合物可以在一次或多次加热中变形逐步恢复，相应的形貌逐步发生变化。其基本的预变形处理方法为：将一定尺寸和形状的聚合物经一次或多次加热到其玻璃化转变(或熔融转变)的起始温度以上，在不同温度下使其形状发生一系列的变化后，再冷却至玻璃化转变的起始温度以下或凝固转变的结束温度以下(即预变形过程)。在之后的加热形状恢复中，在特定的温度下，聚合物相应的预变形会逐步恢复，从而形状相应地逐步发生变化。在生化操作中，有效控制样品溶液间的混合次序至关重要。

本发明与现有技术相比，具有如下优点效果：

1.本发明所提供的流体混合器，是基于聚合物材料自身的形状记忆功能，利用其形状恢复行为对于温度、电、磁等驱动条件的敏感特性来实现混合溶液的功能，无需电路、结构简单、形状和大小可调、易于制作和集成、成本低廉。

2.本发明所提供的流体混合器，不仅能够实现多种溶液同步混合，而且通过不同区域采用不同恢复形状驱动条件预变形，在使用中对所述混合器施加不同的驱动条件，能够实现多种溶液按次序的混合，具有较好的可控性。在生化操作中，有效控制样品溶液间的混合次序至关重要。

3.本发明所提供的流体混合器的基体，能够根据需要，从现有的聚合物中选择，从而调整溶液混合驱动温度、力学及耐腐蚀性能。

4.本发明所提供的流体混合器的基体采用形状记忆聚合物材料耐腐蚀，抗老化性能好，不易老化，能够在较长时间内保持稳定的混合质量。

附图说明

图1为本发明所述基于形状记忆聚合物的流体混合器第一实施例的结构图。

图2为本发明所述基于形状记忆聚合物的流体混合器第二实施例的结构图。

图3是本发明所述基于形状记忆聚合物的流体混合器第三实施例的结构图。

图4是本发明所述基于形状记忆聚合物的流体混合器第四实施例的结构图。

附图标记说明如下：

1-基体，2-储液区，3-第一通道区，4-混液区，5-第二通道区5。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1：

图1所示为两种溶液同步混合的流体混合器。基体1材料采用聚氨酯形状记忆聚合物，其玻璃化转变温度约为35℃，基体1尺寸为60mm×60mm×4mm，基体1下方附带一个加热板。如图1所示，基体1表面具有两个储液区2、一个混液区4，两个储液区2、一个混液区4均为对基体1的初始平面进行压痕预变形处理后所得的圆柱形凹槽的预变形区域，储液区2与混液区4的形状恢复的温度不同，分别为35℃、45℃。储液区2的凹槽的半径为5mm、深度为2mm，混液区4的凹槽的半径为7mm、深度为3mm，混液区4凹槽的底部排布有直径为0.3mm、深度为0.5mm的小圆柱形压痕预变形。两个储液区2与一个混液区4之间分别有第一通道区3连接，混液区4与基体1的边缘之间设有第二通道区5，第一通道区3、第二通道区5均为在基体1表面提供机械加工所得的永久条形凹槽形状，第一通道区3的条形凹槽的长度为10mm、截面为半径为0.15mm的半圆形，第二通道区5的条形凹槽的长度为20mm、截面半径为0.3mm的半圆形。

使用时，分别在两个储液区2的凹槽里放入两种不同的待混合液体。基体1下方的加热板加热后，当混合器的温度上升到35℃时，两个储液区2的凹槽同时开始发生形状恢复为平面，两种溶液分别逐渐沿着第一通道区3的条形凹槽流入混液区4的凹槽中。待两个储液区2的凹槽中的溶液全部流入混液区4的凹槽后，继续加热混合器至45℃，此时，混液区4的凹槽发生形状恢复，逐渐变为平面，混液区4的凹槽中的混合溶液沿第二通道区5的条形凹槽流出基体1。

实施例二：

图2为一种三种溶液逐步混合的流体混合器。基体1材料为环氧聚合物，其玻璃化转变温度约为45℃。基体1尺寸为40mm×40mm×4mm，基体1下方附带一个加热板。如图2所示，基体1表面具有三个储液区2，一个混液区4。三个储液区2和一个混液区4均为对基体1的初始平面进行压痕预变形处理后所得的圆柱形凹槽的预变形区域。三个储液区2中的两个储液区2的形状恢复温度为45℃、一个储液区2的形状恢复温度为55℃，一个混液区4的形状恢复温度为65℃。三个储液区2的凹槽的截面半径为3mm、深度为1.5mm；一个混液区4的凹槽的截面半径为8mm、深度为2.5mm。连接三个储液区2和一个混液区4的三个第一通道区3、混液区4与基体1的边缘之间的一个第二通道区5均是在基体1表面机械加工的永久条形凹槽，三个第一通道区3的条形凹槽的长度为6mm、截面是边长为0.5mm的等边三角形；一个第二通道区5的条形凹槽的长度为40mm、截面为边长为0.8mm的等边三角形。

分别在三个储液区2的凹槽里放入三种不同的待混合液体，并在基体1结构上表面粘结一层厚度为0.5mm、形状与基体1相同的PMMA薄板，将微流体混合器进行密封处理。加热板加热后，当混合器的温度上升到45℃时，形状恢复温度为45℃两个储液区2凹槽发生形状恢复，凹槽逐渐变为平面，其中的溶液分别沿着两个第一通道区3同时流入混液区4的凹槽中，完成两种溶液的混合。当加热到55℃时，形状恢复温度为55℃的储液区2的凹槽发生形状恢复变为平面，其中的溶液逐渐沿着第一通道区3流入混液区4的凹槽中，完成三种溶液的混合。当温度自动升高到65℃以上时，混液区4的凹槽发生形状恢复变为平面，混合溶液逐渐沿着第二通道区5流出混合器。

需要说明的是，混合液达到发生形状恢复的温度的热量来源，也可以是混合溶液时溶液产生的热量。

实施例三：

与实施例二不同的是，混液区4为是在基体表面的初始凹槽形状预变形所形成的平面，形状恢复温度为45℃；连接混液区4与基体1的边缘之间的一个第二通道区5是由初始的条形凹槽形状经预变形所得的平面，形状恢复的温度为65℃。在使用时与实施例2不同的是，当加热到45℃时，形状恢复温度为45℃两个储液区2凹槽发生形状恢复逐渐变为平面，同时混液区4由平面逐渐恢复为初始的凹槽形状，两种液体流入混液区4，当加热到55℃时，形状恢复温度为55℃的储液区2的凹槽发生形状恢复变为平面，其中的溶液逐渐沿着第一通道区3流入混液区4的凹槽中，完成三种溶液的混合。当加热到65℃时，第二通道区5发生形状恢复，由平面恢复到凹槽形状，混液区4中的混合溶液沿着第二通道区5流出混合器。

实施例四：

图3为三种溶液同步混合的流体混合器。基体1材料为环氧聚合物，其玻璃化转变温度约为45℃。如图3所示，基体1表面具有三个储液区2、一个混液区4，基体1下方附带一个加热板。三个储液区2是由基体1初始平面经预变形所形成的凹槽，一个混液区4是在基体1表面加工的永久的凹槽形状。分别连接在三个储液区2与一个混液区4之间三个第一通道区3，分别连接在三个储液区2、一个混液区4与基体1边缘之间的四个第二通道区5。其中，三个第一通道区为永久条形凹槽形状，连接在三个储液区2与基体1边缘的三个第二通道区5为由初始平面经预变形所得的条形凹槽，连接混液区4与基体1边缘之间的第二通道区5为由初始的条形凹槽经预变形所得的平面，并且连接混液区4与基体1边缘之间的第二通道区5的初始凹槽深度大于连接在三个储液区2与基体1边缘的三个第二通道区5的深度。

三个储液区2中的两个储液区2、连接这两个储液区2与基体1边缘的两个第二通道区5的形状恢复温度均为45℃，另一个储液区2、连接这个储液区2与基体1边缘的第二通道区5的形状恢复温度均为50℃，连接混液区4与基体1边缘的第二通道区5的形状恢复温度均为65℃。

首先，通过连接在三个储液区2与基体1边缘的三个第二通道区5将三种不同的待混合溶液分别输入三个储液区2的凹槽里。加热基体1，当温度上升到45℃时，形状恢复温度均为45℃的两个储液区2凹槽、两个第二通道区5条形凹槽同时发生形状恢复，逐渐恢复到初始的平面形状。形状恢复温度均为45℃的两个储液区2凹槽中的溶液分别沿着两个第一通道区3流入混液区4。当加热到50℃时，形状恢复温度均为50℃的储液区2凹槽和第二通道区5同时开始发生形状恢复，逐渐恢复到平面，形状恢复温度均为50℃的储液区2凹槽中的溶液逐渐沿着第一通道区3流入混液区4中。当加热到65℃时，连接混液区4与基体1边缘的第二通道区5发生形状恢复，由平面逐渐恢复为条形凹槽形状，混液区4中的混合溶液逐渐沿着第二通道区5流出混合器。

实施例五：

图4为四种溶液分级混合的流体混合器。基体1材料为苯乙烯聚合物，其玻璃化转变温度约为40℃。如图4所示，基体1表面具有四个储液区2、三个混液区4，四个储液区2、三个混液区4均是由基体1初始平面经预变形所形成的凹槽；均为基体1下方附带一个加热板。四个储液区2的形状恢复温度为40℃，三个混液区4中，两个混液区4的形状恢复温度为50℃，一个混液区4的形状恢复温度为60℃。两个形状恢复温度为50℃的混液区4分别与两个储液区2、形状恢复温度为60℃的混液区4均通过第一通道区3相连，形状恢复温度为60℃的混液区4通过第二通道与基体1的边缘相连。所有第一通道区3、第二通道均为永久的条形凹槽。

所述实施例为本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在本发明的基础上，本领域技术人员所做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于形状记忆聚合物的流体混合器，其特征在于，所述流体混合器以形状记忆聚合物为基体(1)，所述基体(1)表面具有至少两个储液区(2)、至少一个混液区(4)、至少两个第一通道区(3)，所述第一通道区(3)连接在所述储液区(2)与混液区(4)之间，所述储液区(2)、混液区、第一通道区均为预变形区域，所述储液区(2)为预变形前为平面、预变形后为凹陷形状、形状可恢复的预变形区域。

2.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚合物的流体混合器，其特征在于，还包括能够为所述基体(1)恢复形状提供驱动的驱动装置，所述驱动装置为加热装置、电源、磁场发生装置、光源驱动装置中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚合物的流体混合器，其特征在于，所述形状记忆聚合物材料为纯聚合物或者聚合物基复合材料。

4.根据权利要求3所述的基于形状记忆聚合物的流体混合器，其特征在于，所述混液区(4)和/或第一通道区(3)是预变形前为凹陷形状、预变形后为平面的形状可恢复的预变形区域。

5.根据权利要求3所述的基于形状记忆聚合物的流体混合器，其特征在于，所述混液区(4)是预变形前为平面、预变形后为凹陷形状的形状可恢复的预变形区域。

6.根据权利要求4或5所述的基于形状记忆聚合物的流体混合器，其特征在于，所有形状可恢复的预变形区域的形状恢复的驱动条件相同。

7.根据权利要求4或5所述的基于形状记忆聚合物的流体混合器，其特征在于，所述混液区(4)与储液区(2)的形状恢复的驱动条件不同。

8.根据权利要求1、4或5所述的基于形状记忆聚合物的流体混合器，其特征在于，多个所述储液区(2)的形状恢复的驱动条件不同。

9.根据权利要求8所述的基于形状记忆聚合物的流体混合器，其特征在于，所述混液区(4)与部分储液区(2)的形状恢复的驱动条件相同或者所述混液区(4)与所有储液区(2)的形状恢复的驱动条件不同。

10.根据权利要求3所述的基于形状记忆聚合物的流体混合器，其特征在于，所述储液区(2)与基体(1)边缘之间和/或者混液区(4)与基体(1)边缘之间也设置有第二通道区(5)，所述第二通道区(5)是预变形前为凹陷形状、预变形后为平面的形状可恢复的预变形区域，所述混液区(4)和/或第二通道区(5)是预变形前为平面、预变形后为凹陷形状的预变形区域，所述第二通道区(5)与混液区(4)的形状恢复的驱动条件不同。

11.根据权利要求2中所述的基于形状记忆聚合物的流体混合器，其特征在于，所述混液区(4)的容积大于所有储液区(2)的容积之和。