CN115091734B - 波形流道聚合物毛细管制备方法及波形流道聚合物毛细管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波形流道聚合物毛细管制备方法及波形流道聚合物毛细管，通过分段式的循环加工工序，制备出波形流道聚合物变径毛细管，大幅缩短了热拉伸后的变径部位长度，实现变径毛细管内径颈缩的同时，增加了外径的尺寸和均匀性，进而提升了变径毛细管的抗弯强度，可有效避免管道受到外力时产生褶皱，从而提升了热拉伸聚合物毛细管流阻的稳定性，可广泛应用于微流控技术领域。

Description

波形流道聚合物毛细管制备方法及波形流道聚合物毛细管

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，尤其是一种波形流道聚合物毛细管制备方法及波形流道聚合物毛细管。

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。

一些聚合物材质具有优异的延展性，进行热拉伸成型时，长度尺寸变化较大，且变径区域内径和外径同步大幅减小，故抗弯强度降低，易发生弯折，并在弯折部位形成不规则的褶皱结构，显著影响微流道内的流阻大小。因此，现有技术难以满足微流控技术对微流道流阻稳定性的设计要求。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种波形流道聚合物毛细管制备方法及波形流道聚合物毛细管，能够有效提升变径毛细管的抗弯强度，进而增微流道内流阻的稳定性。

第一方面，本发明实施例提供了一种波形流道聚合物毛细管制备方法，包括：

对目标毛细管进行预处理；

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；

对所述目标毛细管的目标加工位置进行分段式热拉伸处理，使所述目标加工位置发生内径与外径异步变径的多段颈缩，形成内径波形阶段式颈缩且外径尺寸均匀的波形流道；所述分段式热拉伸处理包括拉伸工序、定位工序和延时工序；

对所述分段式热拉伸处理后热拉伸成型的目标毛细管进行冷却处理，使波形流道聚合物毛细管冷却成型。

可选地，所述对目标毛细管进行预处理，包括：

对目标毛细管进行清洗处理；

和，对目标毛细管进行干燥处理。

可选地，所述将目标模具设置于所述目标毛细管的目标加热位置这一步骤中，所述目标模具为通孔模具，所述通孔模具的通孔直径大于所述目标毛细管直径。

可选地，所述所述将目标模具设置于所述目标毛细管的目标加热位置，包括：

将所述目标毛细管穿过所述通孔模具的通孔，使所述通孔模具的通孔设置于所述目标加热位置，并保持所述目标毛细管与所述通孔模具的通孔同轴。

可选地，所述将目标模具设置于所述目标毛细管的目标加热位置这一步骤中，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上。

可选地，所述拉伸工序包括：

将所述目标毛细管一端固定，另一端以预设速度进行拉伸，使所述目标加工位置发生颈缩，且目标颈缩区域移出所述目标模具的加热区域。

可选地，所述定位工序包括：

沿轴向移动所述目标模具或所述目标毛细管，使所述目标模具的加热区域定位至所述目标颈缩区域。

可选地，所述延时工序包括：

通过所述目标模具，根据预设时间对所述目标颈缩区域进行延时加热处理，使所述目标毛细管的目标颈缩区域的外径增大和内径减小。

可选地，所述对所述目标毛细管的目标加工位置进行分段式热拉伸处理这一步骤中，所述分段式热拉伸处理为‘拉伸-定位-延时’的循环式加工工序。

第二方面，本发明实施例提供了一种波形流道聚合物毛细管，根据本发明第一方面所述的方法制备得到，所述波形流道聚合物毛细管的内径呈波形阶段式颈缩，所述波形流道聚合物毛细管的外径尺寸均匀。

本发明实施例提出了一种波形流道聚合物毛细管制备方法，通过分段式加工工序使聚合物毛细管内径与外径发生异步变径，即内径呈阶段式大幅度减小，而外径小幅度减小并保持尺寸相对均匀，形成波形流道微流道聚合物毛细管，不仅可缩短毛细管热拉伸后的长度，也能有效提升变径毛细管的抗弯强度，进而增微流道内流阻的稳定性。

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波形流道聚合物毛细管制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的分段式热拉伸处理的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种波形流道聚合物毛细管的结构示意图；

图4为现有技术制备的热拉伸毛细管的结构示意图。

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：

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波形流道聚合物毛细管制备方法，包括：

对目标毛细管进行预处理；

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；

对所述目标毛细管的目标加工位置进行分段式热拉伸处理，使所述目标加工位置发生内径与外径异步变径的多段颈缩，形成内径波形阶段式颈缩且外径尺寸均匀的波形流道；所述分段式热拉伸处理包括拉伸工序、定位工序和延时工序；

对所述分段式热拉伸处理后热拉伸成型的目标毛细管进行冷却处理，使波形流道聚合物毛细管冷却成型。

在一些实施例中，所述对目标毛细管进行预处理，包括：

对目标毛细管进行清洗处理；

和，对目标毛细管进行干燥处理。

在一些实施例中，所述将目标模具设置于所述目标毛细管的目标加热位置这一步骤中，所述目标模具为通孔模具，所述通孔模具的通孔直径大于所述目标毛细管直径。

在一些实施例中，所述所述将目标模具设置于所述目标毛细管的目标加热位置，包括：

将所述目标毛细管穿过所述通孔模具的通孔，使所述通孔模具的通孔设置于所述目标加热位置，并保持所述目标毛细管与所述通孔模具的通孔同轴。

在一些实施例中，所述将目标模具设置于所述目标毛细管的目标加热位置这一步骤中，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上。

在一些实施例中，所述拉伸工序包括：

将所述目标毛细管一端固定，另一端以预设速度进行拉伸，使所述目标加工位置发生颈缩，且目标颈缩区域移出所述目标模具的加热区域。

在一些实施例中，所述定位工序包括：

沿轴向移动所述目标模具或所述目标毛细管，使所述目标模具的加热区域定位至所述目标颈缩区域。

在一些实施例中，所述延时工序包括：

通过所述目标模具，根据预设时间对所述目标颈缩区域进行延时加热处理，使所述目标毛细管的目标颈缩区域的外径增大和内径减小。

在一些实施例中，所述对所述目标毛细管的目标加工位置进行分段式热拉伸处理这一步骤中，所述分段式热拉伸处理为‘拉伸-定位-延时’的循环式加工工序。

需要说明的是，在一些实施例中，所述冷却处理通过将热拉伸成型的聚合物毛细管完全转移出受热区域，在冷却模具或空气中冷却，完成定型。

在一些实施例中，还通过冷却模具进行冷却处理，冷却模具设有通孔使热拉伸成型的聚合物毛细管穿过，通孔直径大于所述目标毛细管直径，所述冷却模具保持冷却温度，所述冷却温度低于目标聚合物材质的玻璃转化温度。

第二方面，本发明实施例提供了一种波形流道聚合物毛细管，根据本发明第一方面所述的方法制备得到，所述波形流道聚合物毛细管的内径呈波形阶段式颈缩，所述波形流道聚合物毛细管的外径尺寸均匀。

需要说明的是，波形流道聚合物毛细管为具有较高延展性和可塑性的柔性毛细管，包括聚四氟乙烯毛细管、氟化乙烯丙烯共聚物毛细管和硅胶毛细管。

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，聚合物毛细管进行热拉伸成型时，长度尺寸变化较大，且变径区域内径和外径同步大幅减小，故抗弯强度降低，易发生弯折，并在弯折部位形成不规则的褶皱结构，显著影响微流道内的流阻大小，为了解决现有技术不能满足微流控技术对微流道流阻稳定性的设计要求，本发明提供一种波形流道聚合物毛细管及其加工方法，通过分段式加工工序使聚合物毛细管内径与外径发生异步变径，即内径呈阶段式大幅度减小，而外径小幅度减小并保持尺寸相对均匀，形成波形流道微流道聚合物毛细管，不仅可缩短毛细管热拉伸后的长度，也能有效提升变径毛细管的抗弯强度，进而增微流道内流阻的稳定性。

波形流道聚合物毛细管制备方法包括以下步骤：

预处理：对目标毛细管进行清洗处理和干燥处理；

模具与毛细管设置：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；

其中，所述模具上设有通孔，通孔直径大于所述目标毛细管直径，所述目标毛细管穿过所述通孔并保持同轴。

分段式热拉伸处理：对局部受热后粘度降低的目标毛细管进行分段式热拉伸处理，所述受热区域发生颈缩；

需要说明的是，所述分段式热拉伸处理包括‘拉伸-定位-延时’的循环式加工工序；

所述拉伸工序用于使受热区域颈缩，目标毛细管受热区域的外径和内径同时减小；

所述重新定位工序用于对颈缩后变径的部位进行局部热处理，使其保持流动性，并准备下一轮的拉伸，其他颈缩后但未受热的区域粘度增大，进入冷却阶段；

所述延时工序用于使受到拉伸张力的聚合物释放残留应力并向温度最高的部位流动和聚集，进而达到管壁增厚、内径减小、外径增大的效果；

具体地，参照图2，拉伸-定位-延时的工序循环数次后即可形成所述波形流道：

1、预热：首先通过模具与毛细管设置这一步骤中的目标模具加热至成型温度实现预热，对毛细管进行局部加热，加热区域粘度降低，拉伸发生颈缩，外径和内径同时减小；2、拉伸：毛细管的一端固定，另一端以一定的速度进行拉伸，毛细管颈缩的同时，中心(最细的区域)向右移动；3、定位：向左移动毛细管或向右移动模具，使加热区域重新定位至颈缩后最细的地方；4、延时：静置一段时间，受热区域保持流动性，释放残留应力，向中间汇聚，因此外径增大，内径减小。然后进入下一步‘拉伸-定位-延时’的循环，形成波形流道的同时，毛细管内径逐步减小，外径保持均匀。

冷却定型：对所述热拉伸成型后的聚合物毛细管进行冷却处理，完成毛细弯管完全定型；

所述冷却定型通过将热拉伸成型的聚合物毛细管完全转移出受热区域，在冷却模具或空气中冷却，完成定型；

所述冷却模具设有通孔使热拉伸成型的聚合物毛细管穿过，通孔直径大于所述目标毛细管直径，所述冷却模具保持冷却温度，所述冷却温度低于目标聚合物材质的玻璃转化温度。

需要说明的是，本发明实施例还提供了一种波形流道聚合物变径毛细管，波形流道微流道聚合物毛细管为变径毛细管，中间部位直径小于两端直径。其中，变径区域通过上述方法实施例的热拉伸成型工艺制备所得。

在一些实施例中，变径毛细管的内径呈波形阶段式大幅度颈缩，变径毛细管的外径小幅度颈缩并保持相对均匀的尺寸。

在一些实施例中，聚合物毛细管为具有较高延展性和可塑性的柔性毛细管，包括聚四氟乙烯毛细管、氟化乙烯丙烯共聚物毛细管、硅胶毛细管。

下面结合附图以及具体实施例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：

实施例1：

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；

一种波形流道聚合物变径毛细管制备：

步骤一：预处理，清洗、干燥

步骤二：模具与毛细管设置，将目标毛细管穿过模具上的通孔并将两端固定，模具与目标毛细管保持同轴，使目标毛细管周向受热均匀；启动加热模块使模具达到350℃；

步骤三：分段式热拉伸处理

目标毛细管的一段固定，另一端沿毛细管轴向方向以50mm/s的速度拉伸2mm；

将目标毛细管的两端同时沿毛细管轴向移动1mm，并保持静止2s；

以上工序重复4次；

步骤四：冷却定型

将目标毛细管的两端同时移动离开加热模具，在空气中冷却10s；

基于以上分段式热拉伸工序制备出如图1所示的波形流道聚合物变径毛细管，毛细管变径部位的长度为9mm，最小内径0.1mm，最小外径0.35mm。

实施例2：

作为对比的一般热拉伸聚合物毛细管制备，

材料和模具相同；

步骤三：热拉伸处理

目标毛细管的一段固定，另一端沿毛细管轴向方向以50mm/s的速度拉伸30mm；

将目标毛细管的两端同时移动离开加热模具，在空气中冷却10s；

基于以上热拉伸工艺制备出的聚合物变径毛细管，变径区域长度32mm，最小内径0.1mm，最小外径0.18mm。

具体地，参照图3和图4，图3为本发明方法制备得到的波形流道聚合物变径毛细管，图3和图4的颈缩毛细管最小内径基本相同，但图4直接拉伸的方法需要很大的拉伸率才能达到较小的内径，图4所示为显微镜多个图像拼接；内径最小处，外径也比较小，抗弯强度降低，易发生弯折形成褶皱结构。

综上所述，本发明实施例通过通过分段式的循环加工工序，制备出波形流道聚合物变径毛细管，大幅缩短了热拉伸后的变径部位长度，实现变径毛细管内径颈缩的同时，增加了外径的尺寸和均匀性，进而提升了变径毛细管的抗弯强度，可有效避免管道受到外力时产生褶皱，从而提升了热拉伸聚合物毛细管流阻的稳定性。

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 (10)

1.一种波形流道聚合物毛细管制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

对目标毛细管进行预处理；

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；

对所述目标毛细管的目标加工位置进行分段式热拉伸处理，使所述目标加工位置发生内径与外径异步变径的多段颈缩，形成内径波形阶段式颈缩且外径尺寸均匀的波形流道；所述分段式热拉伸处理包括拉伸工序、定位工序和延时工序；

对所述分段式热拉伸处理后热拉伸成型的目标毛细管进行冷却处理，使波形流道聚合物毛细管冷却成型。

2.根据权利要求1所述的一种波形流道聚合物毛细管制备方法，其特征在于，所述对目标毛细管进行预处理，包括：

对目标毛细管进行清洗处理；

和，对目标毛细管进行干燥处理。

3.根据权利要求1所述的一种波形流道聚合物毛细管制备方法，其特征在于，所述将目标模具设置于所述目标毛细管的目标加热位置这一步骤中，所述目标模具为通孔模具，所述通孔模具的通孔直径大于所述目标毛细管直径。

4.根据权利要求3所述的一种波形流道聚合物毛细管制备方法，其特征在于，所述将目标模具设置于所述目标毛细管的目标加热位置，包括：

将所述目标毛细管穿过所述通孔模具的通孔，使所述通孔模具的通孔设置于所述目标加热位置，并保持所述目标毛细管与所述通孔模具的通孔同轴。

5.根据权利要求1所述的一种波形流道聚合物毛细管制备方法，其特征在于，所述将目标模具设置于所述目标毛细管的目标加热位置这一步骤中，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上。

6.根据权利要求1所述的一种波形流道聚合物毛细管制备方法，其特征在于，所述拉伸工序包括：

将所述目标毛细管一端固定，另一端以预设速度进行拉伸，使所述目标加工位置发生颈缩，且目标颈缩区域移出所述目标模具的加热区域。

7.根据权利要求6所述的一种波形流道聚合物毛细管制备方法，其特征在于，所述定位工序包括：

沿轴向移动所述目标模具或所述目标毛细管，使所述目标模具的加热区域定位至所述目标颈缩区域。

8.根据权利要求7所述的一种波形流道聚合物毛细管制备方法，其特征在于，所述延时工序包括：

通过所述目标模具，根据预设时间对所述目标颈缩区域进行延时加热处理，使所述目标毛细管的目标颈缩区域的外径增大和内径减小。

9.根据权利要求1所述的一种波形流道聚合物毛细管制备方法，其特征在于，所述对所述目标毛细管的目标加工位置进行分段式热拉伸处理这一步骤中，所述分段式热拉伸处理为‘拉伸-定位-延时’的循环式加工工序。

10.一种波形流道聚合物毛细管，其特征在于，根据权利要求1至9任一项所述的一种波形流道聚合物毛细管制备方法制备得到，所述波形流道聚合物毛细管的内径呈波形阶段式颈缩，所述波形流道聚合物毛细管的外径尺寸均匀。