陶瓷先驱体制备微流控芯片及其化学应用

发布时间：2018-05-08 23:24

  本文选题：陶瓷先驱体 + 超疏水疏油硅纳米线阵列　； 参考：《国防科学技术大学》2015年博士论文

【摘要】：微流控技术作为一门新兴交叉学科,吸引了不同领域研究人员的关注,并且在生物、化学、材料等领域获得成功应用。针对微流控中存在的材料化学稳定性不足、制备方法重复性一般、制备过程复杂以及微通道表面润湿性不容易控制等问题,本文将“陶瓷先驱体”、“超疏水疏油硅纳米线阵列”与“微流控”相结合,制备出了三种类型的新型微反应器:整体类陶瓷微反应器、耐压聚合物微反应器以及无隔膜双通道微反应器,并分别应用于高温高压化学合成、快速化学合成以及气液两相化学合成等方面。采用低聚倍半硅氧烷(POSS)和聚乙烯基硅氮烷(PVSZ)两种陶瓷先驱体为材料体系,通过桁架模板法制备出了整体类陶瓷微反应器,并应用于高温或高温高压化学合成。POSS和PVSZ具有良好的成型性能,分别在300℃和500℃热处理后,得到的产物仍保持透明性,同时还具有优异的热稳定性和化学稳定性,其中化学稳定性与陶瓷相当,可用于制备性能优异的微反应器。本文以低表面能的全氟烃基氧(PFA)微管为模板制备出PFA/POSS复合材料,再通过物理拔出PFA微管和300℃热处理得到整体类陶瓷POSS微反应器。以激光切割好的聚苯乙烯(PS)薄膜为模板制备出PS/PVSZ复合材料,再通过500℃热处理使PS模板分解掉并且使PVSZ基体转化为类陶瓷材料,制备出PVSZ整体类陶瓷微反应器。所得微反应器在各种有机溶剂中的溶胀率均为1.00,显示出优异的化学稳定性。在微反应器中成功地进行了Michaelis-Arbuzov重排反应(150~170℃)、Wolff-Kishner还原反应(200℃)、超顺磁性四氧化三铁纳米粒子的合成(320℃)和烯丙基苯基醚异构化的Claisen重排反应(250℃和450 psi(3.1 MPa))等高温或高温高压化学合成。这类微反应器的性能优于任何已知的有机聚合物微反应器,与制备过程复杂又昂贵的玻璃和金属微反应器性能相当。在石蜡牺牲模板的辅助下,通过设计聚合物和玻璃基底之间的界面化学,聚合物微通道的固化和封接在紫外光照或温和加热的条件下(低于200℃且无需压力)同时完成。采用这种新技术制备出了具有优异封接强度的耐压聚合物微反应器,解决了聚合物微流控装置中长期存在的封接难题。具体制备过程包括:在玻璃基底上制备石蜡牺牲模板图案、对玻璃基底的表面进行化学改性、聚合物微通道的固化和与玻璃基底的封接同时完成以及石蜡牺牲模板的去除。该技术对多种具有不同活性基团的液态或粘稠状聚合物均适用,本论文成功制备出PVSZ、氟聚合物、负性环氧光刻胶、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、NOA 81胶黏剂和Duralco4525环氧基树脂等微反应器,验证了该技术的通用性。同时,各微反应器的破坏压力均大于1000 psi(6.89 MPa),表明该技术制备的微反应器具有良好的耐压性能。其中,氟聚合物微反应器的耐压性能比传统方法提高了两个数量级。与传统方法相对比,该方法可以通过Auto CAD软件任意设计微通道的形状,不存在贴合不紧密的问题,还可以制备内含微混合器的微反应器、亲水-疏水双面微反应器以及曲面上的微反应器。在耐压PVSZ微反应器中进行了高压条件下的快速化学应用,合成了一种天然产物色胺酮(合成产率:90%;液体流速:10.5 mL/min;反应时间:14 ms)。这种透明的耐压微反应器可以实时观察系统内部的颜色变化情况,有希望用于研究快速化学的反应机理以及高压条件下的微全分析系统。将超疏水疏油功能表面引入微反应器中得到了一种无隔膜双通道微反应器,并应用于气液两相化学合成。超疏水疏油功能表面通过对硅片进行化学刻蚀、二氧化硅纳米颗粒表面修饰以及氟化处理得到,优化的制备条件为银催化剂附载5min、化学刻蚀4 h、正硅酸乙酯处理液的浓度为24 mM,此时水和二甲基亚砜在所得硅纳米线阵列表面的接触角分别为164o和155o,表明该表面具有超疏水疏油性能。该方法可制备出大尺寸图案化的样品,所得超疏水疏油硅纳米线阵列具有良好的热、化学和力学稳定性,还具有独特的气体操控能力,可漂浮在水和油的表面不沉入底部,还可在水下收集气体形成水下的气体图案。通过胶黏剂封接法将聚二甲基硅氧烷(PDMS)微通道与超疏水疏油硅纳米线阵列图案封接起来,制备出无隔膜双通道微反应器。在这种新型微反应器中进行了赫克氧化反应等气液两相有机合成,气体在硅纳米线之间的空隙流动,液体在PDMS微通道内流动,形成了直接的气液接触界面,与隔膜双通道微反应器相比,气体无需穿过隔膜,反应的转化率由隔膜微反应中的56%提高到了无隔膜微反应器中的79%(停留时间:5 min)。这种硅纳米线微反应器具有较高的气液接触面积和较低的气体传输阻力,有望成为用于气液两相化学合成的新平台。
[Abstract]:As a new cross - discipline , micro - fluidic technology has attracted the attention of researchers in different fields , and has been successfully applied in the fields of biology , chemistry , material and so on . In view of the shortage of chemical stability of materials in micro - flow control , the repeatability of the preparation method is general , the preparation process is complicated and the wettability of the micro - channel surface is not easy to control , etc . , the ceramic precursor is used in this paper . A new type of micro - reactor with high temperature or high temperature and high pressure has been prepared by heat treatment at 300 鈩，

本文编号：1863550