CN106554511A - 聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵及制备方法与微泵 - Google Patents

聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵及制备方法与微泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵及制备方法与微泵，其包括：将水溶性模板浸入硅烷预聚体和固化剂的混合物中，真空脱气，形成硅氧烷‑水溶性模板混合材料；将硅氧烷‑水溶性模板混合材料加热固化，固化完全后切开表面，于水中超声加热使水溶性模板溶解，烘干后得到聚二甲基硅氧烷海绵；聚二甲基硅氧烷海绵采用等离子体处理，活化表面，然后以聚乙烯醇水溶液进行改性，得到聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵。本发明改性后的PDMS海绵可以不断地、大量地吸收水，可以将其组装在微流芯片上，作为微泵驱动流体。与现有的技术相比，本发明的PDMS海绵微泵能够长时间工作，吸收大量液体，性能远胜于真空微泵或者纸基微泵。

Description

聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵及制备方法与微泵
技术领域
本发明涉及微流体领域，尤其涉及一种聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵及制备方法与微泵。
背景技术
微流体技术，把复杂的实验系统微缩集成到一块小芯片上，有着简单方便、节约空间与资源、高效安全等特点。随着技术的发展，微流体技术正广泛应用于检测、合成、分析等领域，特别是POCT领域（Point-of-care test）。流体控制装置是这种微型全分析系统（μTAS）中的重要部分。其中，微流泵是一种在运输与控制微流系统中的流体起到至关重要的作用的流体控制装置。常见的微流泵包括注射泵、蠕动泵、真空泵等。这些微流泵大多需要外置电源，并且体积较大不方便移动。目前有许多研究组对便携的、无需外置电源的微流泵进行研究，开发了如利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）的气体溶解性与透过性而制作的真空微泵、利用滤纸等材料的液体吸收特性来驱动微流管道中流体的技术等。虽然做到了微型、便携，但现有的这些微泵依然有着性能不强、持续时间不久、使用需要前处理（如真空脱气）或者设计制造复杂等缺点。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵及制备方法与微泵，旨在解决现有微泵性能不强、持续时间不久、使用需要前处理或者设计制造复杂的问题。
本发明的技术方案如下：
一种聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法，其中，包括：
步骤A、将水溶性模板浸入硅烷预聚体和固化剂的混合物中，真空脱气，形成硅氧烷-水溶性模板混合材料；
步骤B、将硅氧烷-水溶性模板混合材料加热固化，固化完全后切开表面，于水中超声加热使水溶性模板溶解，烘干后得到聚二甲基硅氧烷海绵；
步骤C、聚二甲基硅氧烷海绵采用等离子体处理，活化表面，然后以聚乙烯醇水溶液进行改性，得到聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵。
所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法，其中，所述步骤A中，所述硅烷预聚体和固化剂的重量比为（9~11）:1。
所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法，其中，所述步骤A中，所述水溶性模板为方糖块、不同尺寸的糖颗粒、不同尺寸的氯化钠颗粒中的一种。
所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法，其中，所述步骤A中，所述真空脱气的时间为100 min ~140min。
所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法，其中，所述步骤B中，加热固化、加热溶解、烘干的温度均为60℃~70℃。
所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法，其中，所述步骤C中，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为1%~2%。
所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法，其中，所述步骤C具体包括：聚二甲基硅氧烷海绵先以空气等离子体处理，活化表面，然后浸泡在聚乙烯醇水溶液15min ~25min，挤干溶液并以60℃~70℃烘干，浸泡过程重复4次~6次，最后100℃~120℃加热使聚乙烯醇交联固化，得到聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵。
一种聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵，其中，采用如上任一所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法制备而成。
一种微泵，其中，将如上所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵组装在微流芯片上，形成微泵，以驱动流体。
所述的微泵，其中，具体组装的步骤如下：
（1）、微流芯片管道预先填满液体；
（2）、微流芯片管道进口处以毛细管连接需要运输的液体，出口处滴加启动液滴；
（3）、将聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵放置于出口处，与微流芯片紧密连接。
有益效果：本发明以水溶性模板法简单地制备出PDMS多孔海绵材料，并以聚乙烯醇（PVA）进行改性，使原来疏水的PDMS吸附上亲水的PVA层。改性后的PDMS海绵由于毛细管作用可以不断地、大量地吸收水，因而可以将其组装在微流芯片上，作为微泵驱动流体。
附图说明
图1为本发明的一种聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法较佳实施例的流程图。
图2为本发明实施例的微泵驱动流体的流量随时间变化的关系示意图。
具体实施方式
本发明提供一种聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵及制备方法与微泵，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明的一种聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法较佳实施例的流程图，如图所示，其包括：
步骤S100、将水溶性模板浸入硅烷预聚体和固化剂的混合物中，真空脱气，形成硅氧烷-水溶性模板混合材料；
所述步骤S100中，所述硅烷预聚体和固化剂的重量比可以为（9~11）:1，优选为10:1。所述水溶性模板可以为但不限于方糖块、不同尺寸的糖颗粒、不同尺寸的氯化钠颗粒中的一种，优选为方糖块。所述真空脱气的时间为100 min ~140min，优选为120 min，利于硅烷预聚体能充分渗入水溶性模板（如方糖模板）之中。
所述步骤S100具体为，将水溶性模板（如方糖块）浸入重量比（9~11）:1（如方10:1）的硅烷预聚体和固化剂的混合物中，真空脱气100 min ~140min（如120 min），使硅烷预聚体和固化剂的混合物渗入水溶性模板孔洞之中，形成硅氧烷-水溶性模板混合材料。
步骤S200、将硅氧烷-水溶性模板混合材料加热固化，固化完全后切开表面，于水中超声加热使水溶性模板溶解，烘干后得到聚二甲基硅氧烷海绵；
所述步骤S200具体为，将硅氧烷-水溶性模板混合材料在60℃~70℃（如65℃）温度下加热固化2.5 h ~3.5h（如3h），固化完全后切开表面，于水中超声60℃~70℃（如65℃）温度下加热，使水溶性模板溶解，60℃~70℃（如65℃）温度下烘干后，得到聚二甲基硅氧烷海绵。
步骤S300、聚二甲基硅氧烷海绵采用等离子体处理，活化表面，然后以聚乙烯醇水溶液进行改性，得到聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵。
所述步骤S300具体为，聚二甲基硅氧烷海绵先以空气等离子体处理，活化表面，然后浸泡在质量浓度为1%~2%（如1%）的聚乙烯醇水溶液15 min ~25min（如20min），挤干溶液并以60℃~70℃（如65℃）烘干，浸泡过程重复4次~6次（如5次），最后100℃~120℃（如110℃）加热使聚乙烯醇交联固化，得到稳定的亲水的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵。
基于上述方法，本发明提供一种聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵，其中，采用如上任一所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法制备而成。
本发明还提供一种微泵，其中，将如上所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵组装在微流芯片上，形成微泵，以驱动流体。
具体组装的步骤如下：
（1）、微流芯片管道预先填满液体；
（2）、微流芯片管道进口处以毛细管连接需要运输的液体，出口处滴加启动液滴；
（3）、将聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵放置于出口处，与微流芯片紧密连接。由于与微流芯片管道内液体相接触，在毛细管作用下，液体会不断地经由毛细管、微流芯片管道被吸收进聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵之中，形成稳定的流体。
本发明聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵由于毛细管作用可以不断地、大量地吸收水，将其组装在微流芯片上，可以作为微泵驱动流体。与现有技术相比，本发明聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵组装成的微泵（平均尺寸：20.0±0.5mm, 18.0±0.5mm,10.0±0.5mm）能够长时间工作（约350min），吸收大量液体（约2000μL），性能远胜于真空微泵或者纸基微泵。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
1、聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备：
1）、将方糖块浸入重量比为10:1的硅烷预聚体和固化剂的混合物中，真空脱气120min，形成硅氧烷-方糖混合材料；
2）、将硅氧烷-方糖混合材料在65℃下固化3h。固化完全后切开表面暴露方糖，于水中超声65℃下加热使方糖溶解，65℃下烘干得到聚二甲基硅氧烷海绵；
3）、聚二甲基硅氧烷海绵先以空气等离子体处理，活化表面。然后浸泡于1%聚乙烯醇水溶液（w/w）中20min，挤干溶液并以65℃烘干。浸泡过程重复5次，最后110℃加热使聚乙烯醇交联固化，得到稳定的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵。
2、聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵在微流芯片中的应用：
1）、微流芯片管道预先填满液体。
2）、进口处以毛细管连接需要运输的液体，出口处滴加一滴启动液滴。
3）、将聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵放置于出口处，与微流芯片紧密连接。由于与微流芯片管道的液体相接触，在毛细管作用下，液体会不断地经由毛细管、微流芯片管道被吸收进聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵之中，形成稳定的流体。
测试结果：图2为本发明实施例的微泵驱动流体的流量随时间变化的关系示意图。由图可知，本实施例的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵与微流芯片组装成的微泵（尺寸：20.0mm, 18.0mm, 10.0mm）能够长时间工作约350min，吸收液体约2000μL，性能远胜于真空微泵或者纸基微泵。
综上所述，本发明提供的一种聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵及制备方法与微泵，本发明以水溶性模板法简单地制备出PDMS多孔海绵材料，并以PVA进行改性，使原来疏水的PDMS吸附上亲水的PVA层。改性后的PDMS海绵由于毛细管作用可以不断地、大量地吸收水，因而可以将其组装在微流芯片上，作为微泵驱动流体。与现有的技术相比，本发明的PDMS海绵微泵（平均尺寸：20.0±0.5mm, 18.0±0.5mm, 10.0±0.5mm）能够长时间工作（约350min），吸收大量液体（约2000μL），性能远胜于真空微泵或者纸基微泵。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法，其特征在于，包括：
步骤A、将水溶性模板浸入硅烷预聚体和固化剂的混合物中，真空脱气，形成硅氧烷-水溶性模板混合材料；
步骤B、将硅氧烷-水溶性模板混合材料加热固化，固化完全后切开表面，于水中超声加热使水溶性模板溶解，烘干后得到聚二甲基硅氧烷海绵；
步骤C、聚二甲基硅氧烷海绵采用等离子体处理，活化表面，然后以聚乙烯醇水溶液进行改性，得到聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵。
2.根据权利要求1所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，所述硅烷预聚体和固化剂的重量比为（9~11）:1。
3.根据权利要求1所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，所述水溶性模板为方糖块、不同尺寸的糖颗粒、不同尺寸的氯化钠颗粒中的一种。
4.根据权利要求1所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，所述真空脱气的时间为100 min ~140min。
5.根据权利要求1所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤B中，加热固化、加热溶解、烘干的温度均为60℃~70℃。
6.根据权利要求1所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤C中，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为1%~2%。
7.根据权利要求1所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：聚二甲基硅氧烷海绵先以空气等离子体处理，活化表面，然后浸泡在聚乙烯醇水溶液15 min ~25min，挤干溶液并以60℃~70℃烘干，浸泡过程重复4次~6次，最后100℃~120℃加热使聚乙烯醇交联固化，得到聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵。
8.一种聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵，其特征在于，采用如权利要求1~7任一所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵的制备方法制备而成。
9.一种微泵，其特征在于，将如权利要求8所述的聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵组装在微流芯片上，形成微泵，以驱动流体。
10.根据权利要求9所述的微泵，其特征在于，具体组装的步骤如下：
（1）、微流芯片管道预先填满液体；
（2）、微流芯片管道进口处以毛细管连接需要运输的液体，出口处滴加启动液滴；
（3）、将聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵放置于出口处，与微流芯片紧密连接。
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