【摘 要】
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随着微分析系统的迅速发展,微流控芯片逐渐成为该系统的重要分支之一。在微流控芯片的制备中,我们通常以一定的手段先制备出芯片内的微流道,以这些微流道构建出用于流体控制和处理的微网络,最后将可控流体通过整个微流道网络运输至各个功能单元以实现各种功能。因此,微流道的制造是微流控芯片制备的重要工序之一。而静电纺丝中的近场直写技术由于其加工成本低、精度高及工艺简单的优点,在增材制造领域中被认为是最具潜力的微纳
【基金项目】
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季华实验室项目(广东省科技重大专项,编号:X190071UZ190):“面向微纳结构功能器件制造的高效直写三维打印装备研制与产业化”;
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随着微分析系统的迅速发展,微流控芯片逐渐成为该系统的重要分支之一。在微流控芯片的制备中,我们通常以一定的手段先制备出芯片内的微流道,以这些微流道构建出用于流体控制和处理的微网络,最后将可控流体通过整个微流道网络运输至各个功能单元以实现各种功能。因此,微流道的制造是微流控芯片制备的重要工序之一。而静电纺丝中的近场直写技术由于其加工成本低、精度高及工艺简单的优点,在增材制造领域中被认为是最具潜力的微纳结构制造技术之一。因符合制备微流控芯片的质量和产能需求(高效、高品质),近场直写技术为微流控芯片的制备提供了一个极具潜力的发展方向,但基于近场直写技术的微流控芯片制备方法仍面临着纤维模板在后续微流控芯片制备过程中会出现模板变形、不易脱模等技术难题。本学位论文针对基于近场直写制备微流控芯片过程的关键问题,围绕光固化树脂混合聚己内酯材料的力学性能、近场直写纤维沉积的电场影响机制和纤维模板用于微流控芯片制备等方面开展系统而深入的研究,主要研究工作和创新点为:1、针对用于纤维模板制备的材料,将近场直写常用材料(聚己内酯)与一定比例的光固化树脂进行混合,通过力学拉伸性能和基底结合力测试,表明其混合材料打印的纤维成功获得了紫外响应能力,并通过一定波段的紫外光照处理明确了光固化树脂混合聚己内酯纤维在力学拉伸性能和基底结合力的紫外响应特性,且是有效地提高了纤维的力学拉伸性能及基底结合力。2、针对光固化树脂混合聚己内酯材料的近场直写工艺,通过进行光固化树脂混合聚己内酯在近场直写中的多领域单因素实验,揭示了多领域单因素对光固化树脂混合聚己内酯材料在近场直写取向纤维中纤维沉积直径的影响规律,确定纤维沉积直径与各因素的关系,并得到初步的关系拟合曲线。然后,根据单因素实验所得的结果筛选出合适的因素及水平,以此设计后续的正交实验方案。根据正交实验中获取的纤维直径分布情况,我们进行多因素的极差和变异数分析(方差分析),甄选出多领域因素中的核心因素,并对纤维沉积直径对应各因素的敏感度进行顺序排列。3、通过COMSOL Multiphysics仿真软件构建近场直写纤维层叠后的电场仿真分析模型,通过探究纤维层叠形成的纤维墙对近场直写中电势分布和电场强度分布的影响,明确了纤维墙对后续纤维沉积的电场引导作用,并利用参数化扫描研究了相邻纤维墙上方的辅助线上电场强度随着极间电压的升高和极间距的降低而增大,但在线上的电场强度分布趋势仍然呈现出三个电场强度峰,并且正对针头的纤维墙引起的电场强度峰值均为三个峰值的最大值,揭示了在近场直写中纤维能顺利层叠的电场影响机制。4、针对光固化树脂混合聚己内酯材料近场直写制备的纤维模板,通过光固化树脂混合聚己内酯纤维的热变形处理和结构转印实验,表明光固化树脂的添加及其对紫外光照的响应有助于提高纤维模板的热稳定性和纤维与基底的结合力,并实现了基于光固化树脂混合聚己内酯纤维模板的微流控芯片制备,验证了微流控芯片的适用性。
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