CN106358357B - 一种制备pdms大气压超细等离子体射流的装置与方法 - Google Patents

一种制备pdms大气压超细等离子体射流的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的装置与方法，包括：金属细丝插入PDMS模具内；金属毛细管插入PDMS模具内；金属细丝插入金属毛细管内一段距离，并使得金属细丝、金属毛细管与PDMS模具三者的轴线在一条直线上；当金属细丝与金属毛细管全部插入PDMS模具内后，灌入PDMS；待PDMS固化后拔出金属细丝，并取下PDMS模具；金属毛细管可同时作为高压电极与工作气体流通通道，产生等离子体，并经从金属细丝在PDMS上留下的通道内射向大气，产生大气压超细等离子体射流。本发明可选择不同形状和尺寸的PDMS模具以及不同直径的金属细丝，形成具有不同形状和尺寸的PDMS大气压超细等离子体射流装置。

Description

一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的装置与方法
技术领域
本发明涉及大气压低温等离子体射流加工技术领域，具体地，涉及一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的装置与方法。
背景技术
大气压等离子体射流由于其温度低、活性高、杀菌能力强且不需要复杂的真空系统等优势广泛应用于材料处理和生物医学应用领域。当大气压等离子体射流束斑直径在微米甚至纳米量级时，可以利用其进行超精细的材料处理，如刻蚀或材料改性；以及利用其进行超精细的靶向单细胞处理，如对单个癌细胞进行杀灭等。因此，大气压超细等离子体射流受到极大的关注。
但是，如何制备大气压超细等离子体射流装置是一大难题。现有的主要方法是采用毛细玻璃管激光拉制法以及基于硅基材料的深硅刻蚀法。Tomy Abuzairi et al.在“Maskless functionalization of a carbon nanotube dot array biosensor using anultrafine atmospheric pressure plasma jet”，Carbon,89,208-216(2014)中描述了采用CO2激光拉制石英玻璃管，产生100纳米到5微米出口直径的毛细玻璃管，并利用其产生的超细等离子体射流对单个碳纳米管进行改性处理。Ryota Kakei et al.同样在“Production of ultrafine atmospheric pressure plasma jet with nano-capillary”,Thin Solid Films,518,3457-3460(2010)中同样利用该方法制备出出口直径为5微米的毛细玻璃管，并用其产生的超细等离子体射流刻蚀光刻胶。但是利用激光拉制法不仅需要价格昂贵的激光拉制器，而且很难精确拉制出需要的直径。R.Shimane et al.在“Minimising plasma irradiation area by micronozzle device towards single-celltreatment”,Micro Nano Letters,7(12),1210-1212(2012)中在硅片上利用深硅刻蚀工艺刻蚀出直径5微米的微孔，并利用其产生的超细等离子体射流对洋葱组织细胞进行精细处理。该方法虽然可以精确控制加工出的孔径直径，但是需要超洁净空间以及昂贵的加工设备，而且制备周期长，且失败率高。
因此，尽管上述两种方法都可以制备出大气压超细等离子体射流装置，但是不管是激光拉制法还是深硅刻蚀法，不仅需要昂贵加工设备，而且制备周期长，且不能快速准确的制备出需要束斑直径的超细等离子体射流。从而限制了大气压超细等离子体射流在材料处理和生物医学领域的应用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的装置与方法，解决了现有大气压超细等离子体射流装置制备中存在的成本高，周期长且灵活性差等问题，能够实现快速、低廉的制备出大气压超细等离子体射流装置，且能根据需要灵活地制备出不同束斑直径的超细等离子体射流装置。
根据本发明的一个方面，提供一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的装置，包括：PDMS模具、金属细丝、PDMS以及金属毛细管，其中：
所述金属细丝插入于所述PDMS模具内；
所述金属毛细管插入于所述PDMS模具内；
所述金属细丝插入于所述金属毛细管内；
所述PDMS灌入于插有所述金属细丝与所述金属毛细管的所述PDMS模具内，并待所述PDMS固化后拔出所述金属细丝并取下所述PDMS模具；
所述金属毛细管作为高压电极与高压电源连接，并同时作为工作气体的流通通道，当所述金属毛细管通入工作气体并接通高压电源时，所述金属毛细管内产生等离子体，并经从所述金属细丝在所述PDMS上留下的通道内射向大气，产生大气压超细等离子体射流。
优选地，所述金属细丝、所述金属毛细管、所述PDMS模具三者的轴线在一条直线上，从而保证以后工作气体流动在一条轴线上，便于等离子体射流产生与射出。
优选地，所述金属细丝直径在几十纳米至几百微米之间，以制备出具有纳米或微米量级的微等离子体射流，当然，采用其他范围也是可以实现的，只不过装置产生的等离子体射流直径也会相应增大。
优选地，所述金属毛细管内径在几十微米至几毫米之间，以与上述优选金属细丝的直径相匹配，同时，采用该内径能更容易产生等离子体射流。当然，采用其他范围也是可以的，只不过装置产生的等离子体射流直径也会相应增大。
优选地，所述PDMS模具采用聚四氟乙烯材料制作，并根据需要制作不同形状和尺寸的中空结构。本发明采用聚四氟乙烯材料使得成本低，加工方便，后期PDMS与聚四氟乙烯脱模会比较方便。
优选地，所述PDMS为PDMS预聚体与固化剂按质量比10:1制得。
根据本发明的另一个方面，提供一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的方法，所述方法包括：
第一步、将金属细丝与金属毛细管插入PDMS模具中，并使金属细丝与金属毛细管的轴线同时与PDMS模具的轴线在一条直线上；
第二步、用PDMS预聚体与固化剂按10:1的比例制得PDMS，并将PDMS灌入第一步的插有金属细丝、金属毛细管的PDMS模具内；
第三步、抽真空去除PDMS中的气泡，并在烘箱中固化；
第四步、待固化后，移除PDMS模具，并拔出金属细丝；
第五步、将金属毛细管作为高压电极与高压电源连接，并同时作为工作气体的流通通道；当通入工作气体并接通高压电源时，金属毛细管内产生等离子体，等离子体经从金属细丝在PDMS上留下的通道内射向大气，产生大气压超细等离子体射流。
优选地，第一步中，为防止PDMS注入PDMS模具时堵塞金属毛细管，将金属细丝插入金属毛细管内一段距离。
优选地，第二步中，所述PDMS由PDMS预聚体与固化剂按质量比10:1的比例制备得到。
优选地，第三步中，烘箱的温度为70-75摄氏度，固化的时间为45分钟至1小时。
优选地，第四步中，为降低从PDMS拔出金属细丝的难度，将移除PDMS模具后的PDMS置于酒精中浸泡并用超声波进行超声处理。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明解决了现有大气压超细等离子体射流装置制备中存在的成本高，周期长且灵活性差等问题，能够实现快速、低廉的制备出大气压超细等离子体射流装置，且能根据需要灵活地制备出不同束斑直径的超细等离子体射流装置。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的装置示意图；
图2为本发明一实施例的金属毛细管与金属细丝装配示意图；
图3为本发明一实施例的PDMS模具结构示意图，其中：(a)为主视图，(b)为右视图；
图4为本发明一实施例的拔出金属细丝和去除PDMS模具后放电产生超细等离子体射流示意图；
图5为本发明一实施例的金属毛细管、金属细丝以及固化后的PDMS组成的结构实物图；
图6为本发明一实施例的拔出金属细丝和去除PDMS模具后放电产生超细等离子体射流实物图；
图中：
PDMS模具1，金属细丝2，PDMS 3，金属毛细管4，超细等离子体射流5，高压电源6。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1-图6所示，一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的装置，包括：PDMS模具1、金属细丝2、PDMS 3、金属毛细管4、超细等离子体射流5、高压电源6；其中：
所述金属细丝2插入所述PDMS模具1内，并使得所述金属细丝2与所述PDMS模具1的轴线在一条直线上；
所述金属毛细管4插入所述PDMS模具1内，并使得所述金属毛细管4与所述PDMS模具1的轴线在一条直线上；
所述金属细丝2插入所述金属毛细管4内一段距离，以防止注入的PDMS 3堵塞所述金属毛细管4，并使得所述金属细丝2与所述金属毛细管4的轴线在一条直线上；
当所述金属细丝2与所述金属毛细管4全部插入所述PDMS模具1内后，往所述PDMS模具1内灌入所述PDMS 3，待所述PDMS 3固化后拔出所述金属细丝2，并取下所述PDMS模具1；
所述金属毛细管4作为高压电极与高压电源6连接，并同时作为工作气体流通通道以产生等离子体，等离子体经从所述金属细丝2在所述PDMS 3上留下的通道内射向大气，产生超细等离子体射流5(如图4-图6所示)。
作为一优选的实施方式，所述金属细丝2采用直径为20微米的钨丝。
作为一优选的实施方式，所述金属毛细管4采用内径100微米、外径200微米的毛细铜管。
如图3中(a)、(b)所示，作为一优选的实施方式，所述PDMS模具1采用聚四氟乙烯材料制作成的、内径为7mm的圆柱形中空结构。
作为一优选的实施方式，所述PDMS 3为PDMS预聚体与固化剂按10:1的比例制得。
在另一实施例中，制备PDMS大气压超细等离子体射流的方法包括如下操作：
在往PDMS模具1内浇铸PDMS 3之前，将金属细丝2与金属毛细管4插入PDMS模具1中，并使得金属细丝2与金属毛细管4的轴线同时与PDMS模具1的轴线在一条直线上(如图1所示)；其中为防止注入的PDMS 3堵塞金属毛细管4，金属细丝2插入金属毛细管4内一段距离(如图2所示)；
用PDMS预聚体与固化剂按10:1的比例制得PDMS 3，并将PDMS 3灌入PDMS模具1内；
之后，抽真空去除PDMS 3中的气泡，并在70摄氏度烘箱中固化1小时(如图5所示)；
待固化后，移除PDMS模具1，并拔出金属细丝2；若金属细丝2难以拔出，可以将PDMS3在酒精中浸泡并用超声波进行超声处理，之后便可减小金属细丝2拔出难度；
将金属毛细管4作为高压电极与高压电源6连接，并同时作为工作气体流通通道；当通入工作气体并接通高压电源6时，金属毛细管4内产生等离子体，等离子体经从金属细丝2在PDMS 3上留下的通道内射向大气，产生超细等离子体射流5(如图4、图6所示)。
在其他实施例里，可以通过选择不同形状和尺寸的PDMS模具，以及不同直径的金属细丝，制备具有不同形状和尺寸的PDMS大气压超细等离子体射流装置，从而产生具有不同束斑直径的大气压超细等离子体射流。
本发明所述装置和方法，解决了现有大气压超细等离子体射流装置制备中存在的成本高、周期长且灵活性差等局限性，能够实现快速、低廉的制备出大气压超细等离子体射流装置，并且，本发明采用具有不同形状和尺寸的PDMS大气压超细等离子体射流装置根据需要灵活地制备出不同束斑直径的超细等离子体射流，适应范围广。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的装置，其特征在于，包括：PDMS模具、金属细丝、PDMS以及金属毛细管，其中：
所述金属细丝插入于所述PDMS模具内；
所述金属毛细管插入于所述PDMS模具内；
所述金属细丝插入于所述金属毛细管内；
所述PDMS灌入于插有所述金属细丝与所述金属毛细管的所述PDMS模具内，并待所述PDMS固化后拔出所述金属细丝并取下所述PDMS模具；
所述金属毛细管作为高压电极与高压电源连接，并同时作为工作气体的流通通道，当所述金属毛细管通入工作气体并接通高压电源时，所述金属毛细管内产生等离子体，并经从所述金属细丝在所述PDMS上留下的通道内射向大气，产生大气压超细等离子体射流。
2.根据权利要求1所述的一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的装置，其特征在于，所述金属细丝、所述金属毛细管、所述PDMS模具三者的轴线在一条直线上。
3.根据权利要求1所述的一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的装置，其特征在于，所述金属细丝直径在几十纳米至几百微米之间，所述金属毛细管内径在几十微米至几毫米之间。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的装置，其特征在于，所述PDMS模具为采用聚四氟乙烯材料制作的中空结构。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的装置，其特征在于，所述PDMS为PDMS预聚体与固化剂按质量比10:1制得。
6.一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的方法，其特征在于，所述方法包括：
第一步、将金属细丝与金属毛细管插入PDMS模具中，并使金属细丝与金属毛细管的轴线同时与PDMS模具的轴线在一条直线上；
第二步、用PDMS预聚体与固化剂制得PDMS，并将PDMS灌入第一步的插有金属细丝、金属毛细管的PDMS模具内；
第三步、抽真空去除PDMS中的气泡，并在烘箱中固化；
第四步、待固化后，移除PDMS模具，并拔出金属细丝；
第五步、将金属毛细管作为高压电极与高压电源连接，并同时作为工作气体的流通通道；当通入工作气体并接通高压电源时，金属毛细管内产生等离子体，等离子体经从金属细丝在PDMS上留下的通道内射向大气，产生大气压超细等离子体射流。
7.根据权利要求6所述的一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的方法，其特征在于，第一步中，将金属细丝插入金属毛细管内一段距离，以防止PDMS注入PDMS模具时堵塞金属毛细管。
8.根据权利要求6所述的一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的方法，其特征在于，第二步中，所述PDMS由PDMS预聚体与固化剂按质量比10:1的比例制备得到。
9.根据权利要求6所述的一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的方法，其特征在于，第三步中，烘箱的温度为70-75摄氏度，固化的时间为45分钟至1小时。
10.根据权利要求6所述的一种制备PDMS大气压超细等离子体射流的方法，其特征在于，第四步中，将移除PDMS模具后的PDMS置于酒精中浸泡并用超声波进行超声处理，以降低从PDMS拔出金属细丝的难度。
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