CN106891459A - 一种微流控芯片弹性模具局部强化成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控芯片弹性模具局部强化成型装置以及方法，其中，装置包括设置在机床的加工槽，具有模具母版夹具的模具母版安装在加工槽内，电泳辅助系统的阴极与机床的主轴连接，电泳辅助系统的输出端与阴极、模具母版夹具连接，用于在模具母版与阴极之间形成辅助电场，使得颗粒胶体循环系统将强化颗粒胶体、填充物胶体混合产生的混合胶体在弹性模具待强化区沉积，真空温度控制系统用于将成形后的所述混合胶体进行加热处理固化成型。通过电泳辅助系统在模具母版与电泳阴极之间形成辅助电场，实现混合在胶体中的纳米粒子的定向沉积，在增强弹性模具机械强度的同时还可以控制纳米粒子在模具中的强化位置，达到加强特定区域机械强度的目的。

Description

一种微流控芯片弹性模具局部强化成型装置及方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片弹性模具技术领域，特别是涉及一种微流控芯片弹性模具局部强化成型装置及方法。

背景技术

当今社会，材料的应用涉及生活、生产的各个方面，不同材料各有其特点和应用范围，而且对于各种材料的数量和质量的要求越来越高。而非金属作为性能优异的材料，被广泛应用于产品加工的各个领域。根据非金属材料良好的韧性、弹性、塑性等性质，工业界常用来制造模具，但也因为这些性质导致其自身力学性能某些方面的缺陷，也限制了其在产品上的应用范围。为了提高非金属材料中弹性模具的强度、硬度、刚性、耐磨性、耐腐蚀等性能，需要对其进行后处理，以满足使用及性能要求。

微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。随着微流控芯片应用的显著增长，急需一种快速、简单、便宜并适合批量生产的方法去制备硬质聚合物微流体器件的方法。

鉴于硬质模具的种种缺点，常用弹性材料-聚二甲基硅氧烷(PDMS)来制作弹性模具，目前PDMS弹性模具压印多应用在纳米级压印中。将其应用在微米级压印中，其模具的弹性虽然会易于脱模，但其高深宽比结构会使得在热压时变形，而且在制作弹性模具时，高深宽比的结构容易在脱模时撕裂，所以需要在保持模具弹性的前提下，适当增加其硬度，以助于适应微米量级高深宽比结构的热压及脱模。

目前，现有技术中也有许多方法可以用来加强PDMS机械强度，比如在纯PDMS里边混合填充物，如无机纳米粒子，纳米粘土，碳纳米管等，然后固化成型。还有学者在PDMS里混合TEOS等硅醇盐，然后同时发生PDMS的固化和TEOS溶胶凝胶的水解和凝聚，以及形成PDMS的聚氨酯共聚物等共聚合反应等。虽然这些方法都可以在一定程度上将PDMS的强度提高，但是提高的幅度非常有限，远远不能满足目前的需求。

发明内容

本发明基于电泳辅助法提出一种微流控芯片弹性模具局部强化成型装置及方法，实现增强弹性模具机械强度的同时还可以控制纳米粒子在模具中局部区域的位置，达到加强特定区域机械强度的目的，从而实现高深宽比，高深度差，大面积结构的热压及无损脱模。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种微流控芯片弹性模具局部强化成型装置，包括机床、与所述机床连接的颗粒胶体循环系统、电泳辅助系统、模具母版、固定所述模具母版的模具母版夹具、加工槽、真空温度控制系统，所述加工槽设置在所述机床，所述模具母版夹具的模具母版安装在所述加工槽内，所述电泳辅助系统的阴极与所述机床的主轴连接，所述电泳辅助系统的输出端与所述阴极、所述模具母版夹具连接，用于在所述模具母版与所述阴极之间形成辅助电场，使得所述颗粒胶体循环系统将强化颗粒胶体、填充物胶体混合产生的混合胶体在所述模具母版上的弹性模具待加强区域定向沉积，所述真空温度控制系统用于将成形后的所述混合胶体进行加热处理固化成型。

其中，还包括安装在所述机床用于对所述模具母版表面的混合胶体进行实时监测的在线视频检测系统、

其中，所述在线视频检测系统为CCD视屏显微镜。

其中，还包括设置在所述加工槽的胶体辅助定型腔，用于限制所述模具母版表面的混合胶体的流动方向。

其中，还包括设置在所述机床的三维运动平台，所述加工槽安装在所述三维运动平台，所述三维运动平台用于精确控制所述加工槽的运动方向。

其中，还包括与所述机床主轴连接的吸引管夹具，所述吸引管夹具用于将所述颗粒胶体循环系统产生的混合胶体吸引至所述模具母版表面。

其中，所述颗粒胶体循环系统包括稀释模块、混合胶体吸引模块、溶液循环模块、超声振动模块、磁力搅拌模块和胶体循环模块，用于对需要的纳米颗粒或填充物与所述混合胶体之间进行稀释、充分混合以及对所述混合胶体进行过滤和循环利用。

其中，还包括集成控制柜，所述集成控制柜与所述机床、所述颗粒胶体混合循环系统、所述电泳辅助系统、真空温度控制系统连接，用于控制所述机床、所述颗粒胶体混合循环系统、所述电泳辅助系统、真空温度控制系统的工作状态。

除此之外，本发明实施例还提供了一种微流控芯片弹性模具局部强化成型方法，包括：

步骤1，将强化颗粒或填充物与胶体进行均匀混合形成混合胶体；

步骤2，将所述混合胶体在模具母版与电泳辅助系统的电泳阴极之间形成的辅助电场之间进行弹性模具定向沉积成形；

步骤3，对成形的所述弹性模具进行真空加热处理，固化成型。

其中，所述步骤2，包括：

所述混合胶体在辅助定型腔中进行弹性模具定向沉积成型。

本发明实施例所提供的微流控芯片弹性模具局部强化成型方法与装置，与现有技术相比，具有以下优点：

本发明实施例提供的微流控芯片弹性模具局部强化成型装置，包括机床、与所述机床连接的颗粒胶体循环系统、电泳辅助系统、模具母版、固定所述模具母版的模具母版夹具、加工槽、真空温度控制系统，所述加工槽设置在所述机床，所述模具母版夹具的模具母版安装在所述加工槽内，所述电泳辅助系统的阴极与所述机床的主轴连接，所述电泳辅助系统的输出端与所述阴极、所述模具母版夹具连接，用于在所述模具母版与所述阴极之间形成辅助电场，使得所述颗粒胶体循环系统将强化颗粒胶体、填充物胶体混合产生的混合胶体在所述模具母版上的弹性模具待加强区域定向沉积，所述真空温度控制系统用于将成形后的所述混合胶体进行加热处理固化成型。

本发明实施例提供的微流控芯片弹性模具局部强化成型方法，包括：

步骤1，将强化颗粒或填充物与胶体进行均匀混合形成混合胶体；

步骤2，将所述混合胶体在模具母版与电泳辅助系统的电泳阴极之间形成的辅助电场之间进行弹性模具定向沉积成形；

步骤3，对成形的所述弹性模具进行真空加热处理，固化成型。

其中，所述步骤2，包括：

所述混合胶体在辅助定型腔中进行弹性模具定向沉积成型。

所述电泳辅助微流控芯片弹性模具局部强化成型装置和方法，通过电泳辅助系统在模具母版与电泳阴极之间形成辅助电场，实现混合在弹性模具中的混合胶体的纳米粒子的定向沉积，在增强弹性模具机械强度的同时还可以控制纳米粒子在模具中的强化位置，即通过电泳系统将强化颗粒迁移到特定的强化区域，实现对特定区域机械强度进行加强的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的微流控芯片弹性模具局部强化成型装置的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的微流控芯片弹性模具局部强化成型方法的一种具体实施方式的步骤流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1～图2，图1为本发明实施例提供的微流控芯片弹性模具局部强化成型装置的一种具体实施方式的结构示意图；图2为本发明实施例提供的微流控芯片弹性模具局部强化成型方法的一种具体实施方式的步骤流程示意图。

在一种具体实施方式中，所述微流控芯片弹性模具局部强化成型装置，包括机床10、与所述机床10连接的颗粒胶体循环系统20、电泳辅助系统30、模具母版40、固定所述模具母版40的模具母版40夹具、加工槽50、真空温度控制系统60，所述加工槽50设置在所述机床10，所述模具母版40夹具的模具母版40安装在所述加工槽50内，所述电泳辅助系统30的阴极与所述机床10的主轴11连接，所述电泳辅助系统30的输出端与所述阴极、所述模具母版40夹具连接，用于在所述模具母版40与所述阴极之间形成辅助电场，使得所述颗粒胶体循环系统20将强化颗粒胶体、填充物胶体混合产生的混合胶体在所述模具母版40上的弹性模具待加强区域定向沉积，所述真空温度控制系统60用于将成形后的所述混合胶体进行加热处理固化成型。

本发明中的真空温度控制系统60的作用是在弹性模具待加强区域定向沉积的混合胶体成形之后，进行加热处理，对其所处的空间的真空度和温度进行调节，控制整个加工过程中所处的环境。

在本发明中，电泳辅助系统30可以使得加工槽50中的模具母版40与电泳阴极之间形成可控有效电场，并可以对加工中的正反交直流的电场进行切换。

通过电泳辅助系统30在模具母版40与电泳阴极之间形成辅助电场，实现混合在弹性模具中的混合胶体的纳米粒子的定向沉积，在增强弹性模具机械强度的同时还可以控制纳米粒子在模具中的强化位置，达到加强特定区域机械强度的目的。

需要指出的是，本发明对于局部强化的弹性模具不做具体限定，可以是PDMS弹性模具，也可以是其它的弹性模具。

在操作过程中，首先颗粒胶体循环系统20将强化颗粒胶体、填充物胶体进行混合，产生混合胶体，然后将混合胶体输出至加工槽50中的模具母版40，模具母版40通过模具母版40夹具固定，电泳辅助系统30的输出端与所述阴极、所述模具母版40夹具连接，用于在所述模具母版40与所述阴极之间形成辅助电场，使得混合胶体在弹性模具上进行定向沉积，可以对需要加强的区域进行定向沉积，在增强弹性模具机械强度的同时，还可以通过控制电泳辅助系统30的输出，控制其产生的辅助电场，控制混合胶体的纳米粒子在弹性模具中的强化位置，达到加强特定区域机械强度的目的。

为了进一步提高定向沉积的质量，实时获得混合胶体中的纳米粒子或填充物在弹性模具中的沉积情况以及颗粒分布，所述微流控芯片弹性模具局部强化成型装置还包括安装在所述机床10用于对所述模具母版40表面的混合胶体进行实时监测的在线视频检测系统70。

在一实施例中，所述在线视频检测系统70为CCD视屏显微镜。采用CCD视屏显微镜对弹性模具中的纳米粒子或其它填充物的沉积情况和颗粒分布进行监测时，分辨率高，检测精准。本发明对于所述在线视频检测系统70不做具体限定。

为了进一步提高沉积效率，所述微流控芯片弹性模具局部强化成型装置还包括设置在所述加工槽50的胶体辅助定型腔80，用于限制所述模具母版40表面的混合胶体的流动方向。通过胶体辅助定型腔80的作用，使得在加工过程中能够限制混合胶体的流动方向，使其能够以最快的速率流向指定的位置，提高沉积效率和沉积质量，降低工艺时间，使得可以加工出不同模具形状。在本发明中，机床10的主轴11可以上下运动，并装夹不同形状的电泳辅助系统30阴极，可实现在线切换，并可以使得该阴极对于胶体施加一定的压力，使得胶体均匀分布在辅助定型腔内。

在本发明中，固定模具母版40的模具母版夹具固定在加工槽50内，通过安装不同形状、尺寸的模具母版，实现对不同形状的弹性模具的加工。

由于在加工过程中，为了对沉积在弹性模具的混合胶体进行加工操作，加工槽50需要进行移动，为了使得加工槽50的移动更加精确，使得对混合胶体的定向沉积更加精准，所述微流控芯片弹性模具局部强化成型装置还包括设置在所述机床10的三维运动平台12，所述加工槽50安装在所述三维运动平台12，所述三维运动平台12用于精确控制所述加工槽50的运动方向，可以保证加工槽50与主轴11的相对位置，并使得加工前混合胶体准确到达特定的加强区域，减少系统误差，提高强化精确度。

在本发明中，所述颗粒胶体循环系统20的作用是将强化颗粒、填充物进行混合，形成混合胶体，为了使得混合胶体的强化颗粒分布均匀。在一实施例中，所述颗粒胶体循环系统20包括稀释模块、混合胶体吸引模块、溶液循环模块、超声振动模块、磁力搅拌模块和胶体循环模块，用于对需要的纳米颗粒或填充物与所述混合胶体之间进行稀释、充分混合以及对所述混合胶体进行过滤和循环利用。稀释模块的作用是将投入的强化颗粒、填充物的整体浓度进行稀释，毕竟在对弹性模具进行强化时，不可能将强化粒子直接对弹性模具强化，稀释模块的作用就是将需要的纳米颗粒或填充物与在颗粒胶体循环系统20中的溶液进行混合，形成混合胶体，超声振动模块、磁力搅拌模块的作用是在形成混合胶体的过程中进行搅拌，加快形成混合胶体效率、提高混合胶体的均匀性，缩短混合胶体的形成周期，使得不同种类的微粒或相同种类的微粒在胶体中充分融合，溶液循环模块的作用是在形成混合胶体的过程中，将多余的溶液再次利用起来，提高溶液的利用效率，胶体循环模块的作用是对胶体进行过滤和循环利用，提高胶体的利用效率，混合胶体吸引模块的作用是将混合好的胶体从颗粒胶体循环系统20中输出。

在本发明一实施例中，机床10主轴11与颗粒胶体混合循环系统组合，使得混合胶体通过与主轴11连接的吸引管夹具31将混合好的胶体从颗粒胶体混合循环系统吸引至模具母版40表面，可以一次也可以多次将混合好的胶体至于模具母版40的表面，与电泳辅助系统的阴极夹具相组合，并可在线切换不同阴极，与不同工件组成电泳辅助电场，实现电泳辅助沉积，因此所述还包括与所述机床10主轴11连接的吸引管夹具31，所述电泳辅助微流控芯片弹性模具局部强化成型装置还包括吸引管夹具31，吸引管夹具31用于将所述颗粒胶体循环系统20产生的混合胶体吸引至所述模具母版40表面。

为了实现统一管理，提高操作的方便性以及降低对空间的占用，所述微流控芯片弹性模具局部强化成型装置还包括集成控制柜90，所述集成控制柜90与所述机床10、所述颗粒胶体混合循环系统、所述电泳辅助系统30、真空温度控制系统60连接，用于控制所述机床10、所述颗粒胶体混合循环系统、所述电泳辅助系统30、真空温度控制系统60的工作状态，将集成控制柜90设置在机床10工作台，集成控制柜90中集成了所有系统的控制程序，保证所有工艺的顺利进行，操作人员可以通过集成控制柜90集中控制所有工艺过程中各个设备的运行参数，实时对所有的系统的工作状态进行监控。

除此之外，本发明实施例还提供了一种微流控芯片弹性模具局部强化成型方法，包括：

步骤1，将强化颗粒或填充物与胶体进行均匀混合形成混合胶体；通过将强化颗粒、填充物与胶体形成混合胶体，使得混合胶体中的强化颗粒达到预定的浓度，不会使得在加强后的区域的加强颗粒的浓度过高或过低，保证其机械强度的加强效果。

步骤2，将所述混合胶体在模具母版与电泳辅助系统的电泳阴极之间形成的辅助电场之间进行弹性模具定向沉积成形；通过混合胶体在弹性模具上进行定向沉积，控制混合胶体在需要强化的区域沉积，就使得强化颗粒到达预定的待强化的区域，便于对特定区域进行强化。

步骤3，对成形的所述弹性模具进行真空加热处理，固化成型，由于混合胶体在弹性模具的待加强区域进行沉积之后，只是成形，还没有完全固化，不能直接使用，需要通过对其进行加热处理，在高温下固化成型，本发明对于其加热处理的温度参数、真空度和时间不作具体限定。

为了进一步提高混合胶体的沉积效率，所述步骤2，包括：

所述混合胶体在辅助定型腔中进行弹性模具定向沉积成型，通过辅助定型腔在加工过程中限制胶体流动方向，可以快速加工出不同形状的弹性模具。

综上所述，本发明实施例提供的微流控芯片弹性模具局部强化成型装置和方法，通过电泳辅助系统在模具母版与电泳阴极之间形成辅助电场，牵引混合胶体中的强化颗粒到达需要强化的区域，实现混合在弹性模具中的混合胶体的纳米粒子的定向沉积，以实现弹性模具局部区域强化成型，在增强弹性模具机械强度的同时还可以控制纳米粒子在模具中的强化位置，达到可以对特定区域进行局部强化机械强度的目的。

以上对本发明所提供的微流控芯片弹性模具局部强化成型装置和方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微流控芯片弹性模具局部强化成型装置，其特征在于，包括机床、与所述机床连接的颗粒胶体循环系统、电泳辅助系统、模具母版、固定所述模具母版的模具母版夹具、加工槽、真空温度控制系统，所述加工槽设置在所述机床，所述模具母版夹具的模具母版安装在所述加工槽内，所述电泳辅助系统的阴极与所述机床的主轴连接，所述电泳辅助系统的输出端与所述阴极、所述模具母版夹具连接，用于在所述模具母版与所述阴极之间形成辅助电场，使得所述颗粒胶体循环系统将强化颗粒胶体、填充物胶体混合产生的混合胶体在所述模具母版上的弹性模具待加强区域定向沉积，所述真空温度控制系统用于将成形后的所述混合胶体进行加热处理固化成型。

2.如权利要求1所述微流控芯片弹性模具局部强化成型装置，其特征在于，还包括安装在所述机床用于对所述模具母版表面的混合胶体进行实时监测的在线视频检测系统。

3.如权利要求2所述微流控芯片弹性模具局部强化成型装置，其特征在于，所述在线视频检测系统为CCD视屏显微镜。

4.如权利要求3所述微流控芯片弹性模具局部强化成型装置，其特征在于，还包括设置在所述加工槽的胶体辅助定型腔，用于限制所述模具母版表面的混合胶体的流动方向。

5.如权利要求4所述微流控芯片弹性模具局部强化成型装置，其特征在于，还包括设置在所述机床的三维运动平台，所述加工槽安装在所述三维运动平台，所述三维运动平台用于精确控制所述加工槽的运动方向。

6.如权利要求5所述微流控芯片弹性模具局部强化成型装置，其特征在于，还包括与所述机床主轴连接的吸引管夹具，所述吸引管夹具用于将所述颗粒胶体循环系统产生的混合胶体吸引至所述模具母版表面。

7.如权利要求6所述微流控芯片弹性模具局部强化成型装置，其特征在于，所述颗粒胶体循环系统包括稀释模块、混合胶体吸引模块、溶液循环模块、超声振动模块、磁力搅拌模块和胶体循环模块，用于对需要的纳米颗粒或填充物与所述混合胶体之间进行稀释、充分混合以及对所述混合胶体进行过滤和循环利用。

8.如权利要求7所述微流控芯片弹性模具局部强化成型装置，其特征在于，还包括集成控制柜，所述集成控制柜与所述机床、所述颗粒胶体混合循环系统、所述电泳辅助系统、所述真空温度控制系统连接，用于控制所述机床、所述颗粒胶体混合循环系统、所述电泳辅助系统、真空温度控制系统的工作状态。

9.一种微流控芯片弹性模具局部强化成型方法，其特征在于，包括：

步骤1，将强化颗粒或填充物与胶体进行均匀混合形成混合胶体；

步骤2，将所述混合胶体在模具母版与电泳辅助系统的电泳阴极之间形成的辅助电场之间进行弹性模具定向沉积成形；

步骤3，对成形的所述弹性模具进行真空加热处理，固化成型。

10.如权利要求9所述微流控芯片弹性模具局部强化成型方法，其特征在于，所述步骤2，包括：

所述混合胶体在辅助定型腔中进行弹性模具定向沉积成型。