CN114872308A - 热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法及聚合物毛细弯管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法，通过对聚合物毛细管进行预处理、模具设置、温度梯度处理、热拉伸处理以及冷却成型的步骤实现热拉伸聚合物毛细弯管的制备。本发明通过在目标加热位置的管路产生温度梯度，进而控制成型管道两侧的温差调节热拉伸管道冷却定型后自然弯曲的角度大小，可形成大角度的毛细弯管，且能够避免强制弯曲造成折痕影响管道流阻，实现了微流道三维管路设计的可行性，可广泛应用于液滴微流控技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及液滴微流控技术领域，尤其是热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法及聚合物毛细弯管。
背景技术
微流控技术：是指在尺寸为数十至数百微米的微管道中处理或操纵流体的技术，涉及物理、化学、生物、电子、新材料等多种学科领域，具有微型化、集成化等显著优势，在生物医学研领域包括体外诊断仪器和体外仿生模型方面具有非常大的发展潜力和广阔的应用前景。
聚合物毛细管在材料疏水性、结构灵活性、抗压强度、生产使用成本等方面具有天然优势，可作为微流道应用于微流控技术。例如市面上商业化的毛细管中，聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)及氟化乙烯丙烯(FEP)等，具有拒水、拒油、透光性好等优点，还可以进行二次加工塑性，具有不错的开发潜力。
但是现有技术中，热拉伸成型的聚合物毛细管只能进行小角度的弯曲，弯曲角度过大时易产生折痕，在微流道内形成不规则的褶皱结构，影响流阻稳定性。因此，现有技术不能满足微流道管路布局灵活的设计要求。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法及聚合物毛细弯管，能够实现大角度的毛细弯管，且避免强制弯曲造成折痕影响管道流阻。
第一方面，本发明实施例提供了一种热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法，包括：
预处理：对目标毛细管进行清洗处理和干燥处理；
模具设置：将目标模具设置于所述目标毛细管的目标加热位置，启动所述目标模具加热至成型温度；所述目标模具包括单模具和双模具；
温度梯度处理：设置所述单模具与所述目标毛细管的相对位置，在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度；或，设置所述双模具的模具温度差，在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度；
热拉伸处理：对形成温度梯度的所述目标毛细管进行热拉伸，所述目标加热位置发生颈缩；
冷却成型：对所述目标加热位置进行冷却处理，通过管路的温度梯度在所述目标加热位置产生的收缩率差异，完成毛细弯管成型。
可选地，所述模具设置这一步骤中，所述单模具为通孔模具，所述目标毛细管穿过所述通孔模具的通孔，所述通孔模具的通孔设置于所述目标加热位置。
可选地，所述模具设置这一步骤中，所述双模具沿所述目标毛细管的轴向设置于所述目标加热位置两侧。
可选地，所述模具设置这一步骤中，所述目标模具设置于电驱动加热管和温度传感器的加热模块外。
可选地，所述温度梯度处理这一步骤中，所述设置所述单模具与所述目标毛细管的相对位置，在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度，包括：
将所述目标毛细管与所述通孔模具的通孔保存同轴；
对所述目标毛细管进行拉直固定处理；
调整所述通孔模具沿所述目标加热位置的截面方向位移，对所述目标加热位置的管路一侧进行接触加热、另一侧进行辐射加热；
根据所述接触加热和所述辐射加热在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度。
可选地，所述温度梯度处理这一步骤中，所述设置所述双模具的模具温度差，在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度，包括：
对所述目标毛细管进行拉直固定处理；
将所述双模具直接接触于所述目标加热位置的管路两侧；
设置所述双模具的各模具温度，其中一侧温度高于另一侧温度；
根据双模具的模具温度差，在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度。
可选地，所述冷却成型这一步骤中，所述对所述目标加热位置进行冷却处理，通过管路的温度梯度在所述目标加热位置产生的收缩率差异，完成毛细弯管成型，包括：
将所述目标毛细管沿轴向移动，使目标加热位置移出所述目标模具；
通过低于成型温度的环境温度进行自然冷却，在形成温度梯度的管路的两侧产生收缩率差异；
根据收缩率差异形成两侧不同程度的收缩，完成毛细弯管成型；
其中，形成温度梯度的管路的温度较高一侧的收缩率大于温度较低另一侧的收缩率，所述目标毛细管向温度较高一侧弯曲。
第二方面，本发明实施例提供了一种聚合物毛细弯管，根据本发明第一方面所述的方法制备得到，所述聚合物毛细弯管为颈缩毛细管，所述聚合物毛细弯管在中间颈缩部位弯曲。
本发明实施例提出了一种热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法，通过在目标加热位置的管路产生温度梯度，进而控制成型管道两侧的温差调节热拉伸管道冷却定型后自然弯曲的角度大小，可形成大角度的毛细弯管，且能够避免强制弯曲造成折痕影响管道流阻，实现了微流道三维管路设计的可行性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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一种热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种聚合物毛细弯管的结构整体及局部示意图；
图3为本发明提供的一种毛细直管强制弯曲时产生折痕的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的双模具加热的原理示意图；
图5为本发明实施例提供的通孔模具加热的原理示意图；
图6为本发明实施例提供的通孔模具与毛细管相对位置的外观示意图
图7为本发明实施例提供的通孔模具与毛细管相对位置的截面示意图；
图8为本发明实施例提供的聚合物毛细弯管的实物对比图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
为了使本申请内容及技术方案更加清楚明白，对相关术语及含义进行说明：
曲率：曲线在某一点处密切圆半径的倒数，表示曲线弯曲的程度。
毛细管：凡内径很细的管子叫“毛细管”。通常指的是内径等于或小于1毫米的细管，因管径有的细如毛发故称毛细管。目前主要应用在医学和建筑材料上。
第一方面，参照图1，本发明实施例提供了一种热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法，包括：
预处理：对目标毛细管进行清洗处理和干燥处理；
模具设置：将目标模具设置于所述目标毛细管的目标加热位置，启动所述目标模具加热至成型温度；所述目标模具包括单模具和双模具；
温度梯度处理：设置所述单模具与所述目标毛细管的相对位置，在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度；或，设置所述双模具的模具温度差，在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度；
热拉伸处理：对形成温度梯度的所述目标毛细管进行热拉伸，所述目标加热位置发生颈缩；
冷却成型：对所述目标加热位置进行冷却处理，通过管路的温度梯度在所述目标加热位置产生的收缩率差异，完成毛细弯管成型。
可选地，所述模具设置这一步骤中，所述单模具为通孔模具，所述目标毛细管穿过所述通孔模具的通孔，所述通孔模具的通孔设置于所述目标加热位置。
可选地，所述模具设置这一步骤中，所述双模具沿所述目标毛细管的轴向设置于所述目标加热位置两侧。
可选地，所述模具设置这一步骤中，所述目标模具设置于电驱动加热管和温度传感器的加热模块外。
可选地，所述温度梯度处理这一步骤中，所述设置所述单模具与所述目标毛细管的相对位置，在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度，包括：
将所述目标毛细管与所述通孔模具的通孔保存同轴；
对所述目标毛细管进行拉直固定处理；
调整所述通孔模具沿所述目标加热位置的截面方向位移，对所述目标加热位置的管路一侧进行接触加热、另一侧进行辐射加热；
根据所述接触加热和所述辐射加热在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度。
可选地，所述温度梯度处理这一步骤中，所述设置所述双模具的模具温度差，在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度，包括：
对所述目标毛细管进行拉直固定处理；
将所述双模具直接接触于所述目标加热位置的管路两侧；
设置所述双模具的各模具温度，其中一侧温度高于另一侧温度；
根据双模具的模具温度差，在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度。
可选地，所述冷却成型这一步骤中，所述对所述目标加热位置进行冷却处理，通过管路的温度梯度在所述目标加热位置产生的收缩率差异，完成毛细弯管成型，包括：
将所述目标毛细管沿轴向移动，使目标加热位置移出所述目标模具；
通过低于成型温度的环境温度进行自然冷却，在形成温度梯度的管路的两侧产生收缩率差异；
根据收缩率差异形成两侧不同程度的收缩，完成毛细弯管成型；
其中，形成温度梯度的管路的温度较高一侧的收缩率大于温度较低另一侧的收缩率，所述目标毛细管向温度较高一侧弯曲。
第二方面，参照图2，本发明实施例提供了一种聚合物毛细弯管，根据本发明第一方面所述的方法制备得到，所述聚合物毛细弯管为颈缩毛细管，所述聚合物毛细弯管在中间颈缩部位弯曲。
可选地，所述聚合物毛细弯管的弯曲角度为0至100°。
可选地，所述聚合物毛细弯管的弯曲角度为90°至100°。
下面结合说明书附图，对本发明方法的实现原理进行详细说明：
首先需要说明的是，参照图3，对成型的直管进行强制弯曲时，易形成明显折痕，为了解决现有技术不能满足微流道管路布局灵活的设计要求，本发明提供热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法及聚合物毛细弯管，通过控制成型管道两侧的温差调节热拉伸管道冷却定型后自然弯曲的角度大小，可形成超过90°的毛细弯管，避免强制弯曲造成折痕影响管道流阻，同时实现了微流道三维管路设计的可行性。
热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法包括以下步骤：
步骤一：预拉伸的毛细管处理，清洗、干燥；
清洗可采取超声波清洗方式，干燥可采样真空干燥方式。
步骤二：设置和固定模具，模具设置于有电驱动的加热管和温度传感器的加热模块，加热模块与温度控制器连接，通过控制器控制模具温度，然后用模具对待加工毛细管进行传热；传热包括直接接触传热、不完全接触的辐射传热。
优选地，模具中间加工通孔，通孔直径大于待加工毛细管直径；
优选地，参照图4，也可以制备两个模具分别设置在待加工毛细管两侧，两个模具温度单独设置，可形成待加工毛细管两侧的温度差异。
步骤三：设置模具温度，并启动加热模具至成型温度；
步骤四：设置管道与模具相对位置
对于通孔模具方法，参照图5、6和7，其中，1为模具，2为待加工毛细管，先将待加工毛细管穿过模具通孔与模具通孔保持同轴，使毛细管拉直紧绷并固定两端，然后微调模具纵向或横向位移，利用加热模具与成型毛细管的相对位置变化而在管路横截面上产生的温度梯度，形成高低温两侧的粘度及流动性差异；
温度梯度产生过程：1.保持同轴；2模具横向(纵向)位移，使毛细管偏离轴心，其中一侧与模具直接接触，毛细管左侧为接触传热，热传导效率高，升温快；右侧为辐射传热，热传导效率偏低；3.在升温过程中左右侧形成温差(温度是逐渐过渡的，以上示意图只区分了左右两侧)，毛细管材质内部也会发生从左向右的热传导，但聚合物材质导热系数低，传热慢，可在温度完全达到平衡之前(即温差存在的时间内)完成热拉伸成型，本实施例中，毛细管移动至加热位置后，开始拉伸前的预热时间(即升温时间)是8秒。
对于双模具方法，参照图4，先将毛细管固定，两侧模具均与待加工毛细管直接接触，分别设置两侧模具温度，其中一侧温度高于另一侧温度。
步骤五：毛细管热拉伸成型
设置毛细管固定端沿毛细管轴向的移动速度和距离，毛细管受热部位在高温下粘度显著降低，故发生颈缩；
步骤六：完成拉伸后两个固定端同时向一侧移动，将成型的部分置于空气中自然冷却，环境温度远低于成型温度，管道快速冷却过程中高低温两侧发生不同程度的收缩(热胀冷缩)，温度较高的一侧温差变化大，收缩率略大，故毛细管向受热温度较高的一侧弯曲，形成毛细弯管。
需要说明的是，通过温差控制实现曲率调控，温差越大，冷却定型后，曲率越大，反之越小；通孔模具方式通过位移距离粗略调控，毛细管距离模具越近，升温越快，越容易形成大的温差；双模具可实现精准调控，直接设置毛细管两侧的加热温度。
具体地，下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定：
材料及规格：
聚四氟乙烯毛细管，初始外径0.76mm，初始内径0.3mm；
模具材料：铝，尺寸5*5*2mm，沿厚度(2mm)方向加工通孔，通孔直径1mm，深度2mm；
一种热拉伸聚合物毛细弯管制备：
步骤一：清洗、干燥
步骤二：设置和固定模具
步骤三：模具温度设置和预热
步骤四：设置管道与模具相对位置
将待加工聚四氟乙烯毛细管穿过模具通孔并校准为同轴，固定毛细管位置，然后微调模具向右侧位移0.2mm，使毛细管左侧与模具壁面紧密接触，如图5所示。
步骤五：毛细管热拉伸成型
毛细管一端固定，另一端沿毛细管轴向方向以50mm/s的速度拉伸7mm；
步骤六：两个固定端同时向一侧移动20mm，颈缩部位远离模具后在空气中(室温)自然冷却，可直接进入下一段的热拉伸成型工序；
基于以上方法，模具与聚四氟乙烯毛细保持同轴时，成型毛细管颈缩部位不发生弯曲(图8下)；模具相对轴心向一侧偏移0.2mm，成型毛细管颈缩部位弯曲约为90°(图8中)；模具相对轴心向一侧偏移0.4mm，成型毛细管颈缩部位弯曲约为100°(图8上)。
综上所述，本发明实施例通过控制成型管道两侧的温差调节热拉伸管道冷却定型后自然弯曲的角度大小，可形成超过90°的毛细弯管，解决了热拉伸毛细管进行三维流道布局时强制弯曲造成的折痕产生问题，提升了流道内流阻稳定性，以及样本输送时的流动稳定性。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (8)
1.一种热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法，其特征在于，包括：
预处理：对目标毛细管进行清洗处理和干燥处理；
模具设置：将目标模具设置于所述目标毛细管的目标加热位置，启动所述目标模具加热至成型温度；所述目标模具包括单模具和双模具；
温度梯度处理：设置所述单模具与所述目标毛细管的相对位置，在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度；或，设置所述双模具的模具温度差，在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度；
热拉伸处理：对形成温度梯度的所述目标毛细管进行热拉伸，所述目标加热位置发生颈缩；
冷却成型：对所述目标加热位置进行冷却处理，通过管路的温度梯度在所述目标加热位置产生的收缩率差异，完成毛细弯管成型。
2.根据权利要求1所述的一种热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法，其特征在于，所述模具设置这一步骤中，所述单模具为通孔模具，所述目标毛细管穿过所述通孔模具的通孔，所述通孔模具的通孔设置于所述目标加热位置。
3.根据权利要求1所述的一种热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法，其特征在于，所述模具设置这一步骤中，所述双模具沿所述目标毛细管的轴向设置于所述目标加热位置两侧。
4.根据权利要求1所述的一种热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法，其特征在于，所述模具设置这一步骤中，所述目标模具设置于电驱动加热管和温度传感器的加热模块外。
5.根据权利要求2所述的一种热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法，其特征在于，所述温度梯度处理这一步骤中，所述设置所述单模具与所述目标毛细管的相对位置，在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度，包括：
将所述目标毛细管与所述通孔模具的通孔保存同轴；
对所述目标毛细管进行拉直固定处理；
调整所述通孔模具沿所述目标加热位置的截面方向位移，对所述目标加热位置的管路一侧进行接触加热、另一侧进行辐射加热；
根据所述接触加热和所述辐射加热在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度。
6.根据权利要求3所述的一种热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法，其特征在于，所述温度梯度处理这一步骤中，所述设置所述双模具的模具温度差，在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度，包括：
对所述目标毛细管进行拉直固定处理；
将所述双模具直接接触于所述目标加热位置的管路两侧；
设置所述双模具的各模具温度，其中一侧温度高于另一侧温度；
根据双模具的模具温度差，在所述目标加热位置的管路上形成温度梯度。
7.根据权利要求1所述的一种热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法，其特征在于，所述冷却成型这一步骤中，所述对所述目标加热位置进行冷却处理，通过管路的温度梯度在所述目标加热位置产生的收缩率差异，完成毛细弯管成型，包括：
将所述目标毛细管沿轴向移动，使目标加热位置移出所述目标模具；
通过低于成型温度的环境温度进行自然冷却，在形成温度梯度的管路的两侧产生收缩率差异；
根据收缩率差异形成两侧不同程度的收缩，完成毛细弯管成型；
其中，形成温度梯度的管路的温度较高一侧的收缩率大于温度较低另一侧的收缩率，所述目标毛细管向温度较高一侧弯曲。
8.一种聚合物毛细弯管，其特征在于，根据权利要求1至7任一项所述的一种热拉伸聚合物毛细管的曲率调控方法制备得到，所述聚合物毛细弯管为颈缩毛细管，所述聚合物毛细弯管在中间颈缩部位弯曲。
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