CN101863104A - 塑料微流控芯片的注塑成型工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够成型表面具有微通道结构的微流控芯片注塑成型工艺，属于注塑成型技术领域。成型的微流控芯片，外形为平板结构，厚度一般为1.2～1.5mm，其上有十字形微通道，微通道截面形状为深度50μm左右、宽度在30～100μm之间的矩形。选用PMMA原料，模具温度85～90℃，熔体温度230～250℃。注射速度采用慢-快-慢的控制形式，其中高速段取140mm/s左右。注射压力100～130MPa，保压压力50～70MPa，保压时间2～5s，冷却时间30～40s。冷却结束后开模取出制品完成整个成型过程。本发明的益处是：采用该注塑成型工艺可以高效率大批量成型塑料微流控芯片，有效解决了成型过程中微通道复制不完全等技术难题，促进注塑成型技术在微机械***领域的应用。
Description
技术领域
本发明属于注塑成型技术领域，涉及到一种能够成型表面具有微通道结构的微流控芯片注塑成型工艺。
背景技术
微流控芯片，又称芯片实验室，其功能是把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、反应、分离和检测等基本操作单元集成到一块数十平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个***，用以替代常规生物或化学试验室的各种功能，广泛用于生物化学、临床、医药和环境等领域。用于成型微流控芯片的传统材料有硅、玻璃和石英等，主要采用刻蚀加工。近年来塑料由于成本低、种类多、可大批量加工、工艺简单以及具有良好的生物相容性等优点，正日益成为微流控芯片的主要材料。微流控芯片常用塑料种类有PMMA、PC、PDMS、PS和COC等。
塑料微流控芯片较为成熟和常用的方法是热压成型。与热压成型相比，注塑成型效率更高，更适合大批量生产，越来越受到人们的关注。由于微流控芯片的基体结构是平板形状，在其上分布有尺寸为数十微米的结构——微通道，故其尺度可能跨越几个数量级；在注塑成型中，宏观和微观效应同时存在，芯片可能会出现多种成型缺陷，其中如何用注塑的方式精确完整地复制出微通道是芯片成型质量好坏的关键，也是塑料微流控芯片注塑成型的难点。
在实践中发现，为解决塑料微流控芯片注塑成型时微通道复制不完全的技术难题，首先要在模具方面采用有利于提高微通道复制度的设计与制造方案，这方面工作申请人已另申请专利；而在成型工艺方面，并不能靠简单地调整工艺参数就可获得良好的成型质量，必须通过理论分析、数值模拟和实验等方法和手段来研究各种工艺参数(注射速度、模具温度、熔体温度、注射压力、保压压力和保压时间等)对微结构复制不完全的影响，从而得到最佳的成型工艺参数组合，形成塑料微流控芯片的注塑成型工艺。
发明内容
本发明提出一种塑料微流控芯片的注塑成型工艺，解决了微通道宽度在30～100μm的塑料微流控芯片成型问题。
为达到上述目的，一种塑料微流控芯片的注塑成型工艺，包括以下步骤：
(A)塑料原料选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)预置在干燥机中，干燥温度90℃，时间6小时。
(B)模具预热至85～90℃，注射机料筒塑料熔体温度区间设定为230～250℃。
(C)塑料原料从注射机的料斗进入料筒，经加热熔融及螺杆转动塑化成黏流态熔体，后由螺杆的推动在一定压力下通过喷嘴注入模具型腔。
(D)注射时，注射速度采用慢-快-慢形式，注射速度设定为：第一段80-100mm/s，第二段110-140mm/s，第三段48-80mm/s；先较低速度注射，保证料流前锋全部进入型腔，然后以高速填充型腔，最后慢速保证模具排气。注射压力在100～130MPa；保压压力为50～70MPa，保压时间为2～5s，冷却时间在30～40s。
(E)冷却结束，模具开模，推杆推出制品，完成成型的全过程。
本发明的效果和益处是：采用该注塑成型工艺可以高效率大批量成型塑料微流控芯片，有效解决了微流控芯片注塑成型过程中微通道复制不完全等技术难题，将进一步提高微流控芯片的制造水平，促进注塑成型技术在微机械***领域的应用。
附图说明
图1为本发明微流控芯片结构示意图。
图2(A)为芯片、浇口及流道示意图主视图。
图2(B)为芯片、浇口及流道示意图俯视图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
本发明用于成型图1(A)所示微流控芯片，外形为平板结构，厚度一般为1.2～1.5mm，其上有十字形微通道，微通道截面形状为如图1(B)所示的深度为50μm左右、宽度在30～100μm的矩形。注塑成型过程主要分为注射阶段、保压阶段和冷却阶段。针对选用的PMMA原料，熔体温度设定为230～250℃。根据不同成型面积控制注射压力在100～130MPa，把熔体射入模具型腔，***切换到保压阶段，经冷却后完成成型过程。
对微通道成型复制度的影响，实验结果表明模具温度对提高微通道复制度起决定性作用；注射速度和熔体温度是次要因素，而注射压力相对其他因素影响力较差，但必须保持在一个较高的水平。模具温度设定在85～90℃之间，模具温度过低，微通道复制度难以提高，而模具温度过高，易使微流控芯片产生表面缩痕和翘曲变形等缺陷。注射时，注射速度采用慢-快-慢的控制形式，先较低速度注射，保证料流前锋平稳地进入型腔，然后再以高速填充型腔，在熔体温度下降前结束对微通道处的充填，最后慢速填充以使型腔中的气体顺利排出；其中高速段取140mm/s左右，以提高微通道复制度。注射压力设定在100～130MPa，在高速高压下完成微通道处的充填；但注射压力亦不宜过高，过高的注射压力易使微流控芯片产生翘曲变形。保压压力为50～70MPa，保压时间为2～5s；与注射压力影响相似的情况，保压压力和保压时间也不宜过高和过长。冷却时间在30～40s。冷却结束后开模取出制品完成整个成型过程。
实施例1：
单十字微流控芯片，制品长80mm，宽30mm，厚度为1.2mm，一模2腔，微通道截面深度为50μm、宽度为70μm，材料选用PMMA。
(A)将干燥好的PMMA放入注塑机料斗，料筒设定温度：喷嘴230℃、一区250℃、二区245℃、三区220℃；
(B)模具温度设定为89℃；
(C)模具闭合，进入注射阶段，注射压力为：一段100MPa、二段110MPa、三段110MPa，注射时间为2.6s，注射速度采用慢-快-慢形式，注射速度设定为：第一段90mm/s，第二段140mm/s，第三段60mm/s；
(D)进入保压阶段，保压压力为70MPa，保压时间为4s；
(E)进入冷却阶段，冷却时间在30s；
(F)冷却结束，模具开模，取出制品。
制品尺寸检测：检验样本为6个，选取微流控芯片长度方向3处不同位置的3个微通道截面进行测量，经中国一航北京长城计量测试技术研究所测定，微通道宽度方向不同片间平均值为69μm，最大绝对误差2.5μm，满足槽宽精度为±3～6μm的设计和使用要求。
实施例2：
双十字微流控芯片(每片上有两个十字微通道)，制品长62mm，宽60mm，厚度为1.2mm，一模2腔，微通道截面深度为50μm、宽度为50μm，材料选用PMMA。
(G)将干燥好的PMMA放入注塑机料斗，料筒设定温度：喷嘴230℃、一区250℃、二区245℃、三区220℃；
(H)模具温度设定为89℃；
(I)模具闭合，进入注射阶段，注射压力为：一段100MPa、二段110MPa、三段120MPa，注射时间为2.6s，注射速度采用慢-快-慢形式，注射速度设定为：第一段90mm/s，第二段140mm/s，第三段60mm/s；
(J)进入保压阶段，保压压力为70MPa，保压时间为4s；
(K)进入冷却阶段，冷却时间在30s；
(L)冷却结束，模具开模，取出制品。
制品尺寸检测：检验样本为6个，选取微流控芯片长度方向3处不同位置的6个微通道截面进行测量，经中国一航北京长城计量测试技术研究所测定，微通道宽度方向不同片间平均值为48μm，最大绝对误差在5.9μm，满足槽宽精度为±3～6μm的设计和使用要求。
Claims (2)
1.一种塑料微流控芯片的注塑成型工艺，其特征在于包括以下步骤：
(A)塑料原料选用聚甲基丙烯酸甲酯预置在干燥机中，干燥温度90℃，时间6小时；
(B)模具加热至85～90℃。注射机料筒塑料熔体温度区间设定为230～250℃；
(C)模具合模，塑料原料从注射机的料斗进入料筒，经加热熔融及螺杆转动塑化成黏流态熔体，后由螺杆的推动下通过喷嘴注入模具型腔；
(D)注射时，注射速度采用慢-快-慢形式，注射速度设定为：第一段80-100mm/s，第二段110-140mm/s，第三段48-80mm/s；先较低速度注射，保证料流前锋全部进入型腔，然后以高速填充型腔，最后慢速保证模具排气；注射压力在100～130MPa，保压压力为50～70MPa，保压时间为2～5s，冷却时间在30～40s；
(E)冷却结束，模具开模，推杆推出制品，完成成型的全过程。
2.根据权利要求1所述的塑料微流控芯片的注塑成型工艺，其特征在于：在所述步骤(D)中，注射速度采用慢-快-慢形式，注射速度设定为：第一段90mm/s，第二段140mm/s，第三段60mm/s。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20101020 |