一种微通道阵列及其制备方法与流程

本发明涉及一种微通道，特别是涉及一种微通道阵列及其制备方法。

背景技术：

随着微细加工和纳米科学与技术的发展，以形状尺寸、操作尺寸小为特征的微通道加工已成为人们在微观领域认识世界和改造客观世界的一种高新技术。

在航空航天、电子、仪器、原子能、化纤、光导纤维以及办公自动化设备、图像显示器、医疗器械、计量等工业领域，以微通道为关键结构的零部件的使用越来越频繁，微通道尺寸越来越小，精度要求越来越高，甚至微通道达到微米级，孔型精度达到0.1微米。

随着微流控技术在生物、机械、化工、药物等多个领域的应用和发展，通过微通道阵列对微量液体或样品在微观尺寸上进行控制和处理的技术受到国内外的普遍重视。利用微通道技术不仅可制备出单分散性好、粒径和形态可控的生物分离介质、亚微米催化剂颗粒及生物能源转化用固定载体等。

微米级微通道加工一般采用微细电火花加工、电解加工、超声加工，激光加工、电子束加工等。

理论上上述各种方法都能够加工微米级的微通道阵列，但不同方法存在不同应用领域中存在优势和局限性。

微细电火花加工的基本原理是基于工具和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀出多余金属，以达到对零件的尺寸、形状的加工要求。其特点是可加工的微通道直径小，精度高；其局限性是加工速度慢且只能加工导电材料。

电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学反应原理对金属材料进行成型加工的一种工艺方法。其特点是可加工复杂的工件形状，适于批量加工，加工质量好；其局限性加工精度和稳定性差，只能加工金属材料。

超声加工是利用超声波发生器激励的换能器驱动加工工具作超声振动，冲击工件表面上的磨料，将磨料挤入脆性材料的表面，使材料表面产生微裂纹，再使裂纹扩展形成小碎屑而剥离，从而达到去除材料的目的。其特点可加工各种硬脆材料，加工后工件表面质量好，无残余应力；其局限性不容易加工出精确高微通道。

激光加工是利用高能量密度的激光作为热源，使被加工材料在被加工点产生局部的瞬时高温，使材料熔化或气化而被去除。其特点是工件要求低，加工速度快；其局限性加工出的微通道精度低，容易形成喇叭或者纺锤形，且设备昂贵。

电子束加工时在真空条件下，利用聚焦能量密度极高的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短时间内，其能量大部分转化成热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部气化，被真空系统抽走。其特点可以加工任何金属和非金属材料，可加工微细弯孔，但设备昂贵。

CN01109003.2(陆祖宏、何农跃，化合物微通道阵列芯片及制备方法)公开的微通道阵列芯片及制备方法，是预先在排列好的微小通孔或毛细管内表面裱涂上所需的特定化学成分，通过纵向切割形成一块薄片来造成二维方向的短通道排列，其特征在于把若干微小通孔或者毛细管粘合成束，在制作难度较大，同时微通道尺寸在100微米以上，很难制作小于10微米的微通道阵列。

200710093246.8(蒋家欢、贾月飞等人微通道内微点阵列构建方法)公开的微通道内微点阵列通过排布、浇筑等主要步骤将布交叉接触的微丝阵列固化在聚合物中，然后通过脱模、除丝等步骤一体化形成微通道内微点或者阵列。其仅能制作1毫米，间距50毫米左右的微通道阵列。

上述微通道阵列制备方法在尺寸精度，或者通道均匀性，或不容易实现规模制作，或小批量制作成本高等问题限制，存在一定局限性

微通道板是以玻璃薄片为基地，在玻璃薄片上形成上百万微通道，微通道板直径一般在数微米到几十微米，孔间距比微孔直径略大。

上述微通道板制作方法在孔径尺寸精度等存在一定优点，但孔间距和微通道直径相关，不能进行微通道阵列设计。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于，提供一种微通道阵列及其制备方法，所要解决的技术问题是按照实际需要控制微通道阵列的孔间距和微通道，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

依据本发明提出的一种微通道阵列的制备方法，包括，制备玻璃棒：将第一材料制成第一玻璃棒，将第二材料制成第二玻璃棒和玻璃管，所述的第一材料为酸溶性材料，所述的第二材料为耐酸性材料；所述的玻璃管的内径比所述的第一玻璃棒的直径大0.1-0.5mm；一次拉丝：将所述的第一玻璃棒加入所述的玻璃管中，拉丝，得第一单丝，将所述的第二玻璃棒拉丝，得第二单丝，所述的第一单丝与第二单丝的直径相同，均为Y₁；一次排棒：将上述单丝排成正六边形，得第一复丝棒和第二复丝棒，所述的第一复丝棒和第二复丝棒的边由M根单丝组成，对边距均为(1.732×(M-1)-1)*Y₁，由3M²-3M 1根单丝组成；所述的第一复丝棒的中心为一根第一单丝，其他为第二单丝；所述的第二复丝棒均由第二单丝组成；二次拉丝：将所述的第一复丝棒和第二复丝棒拉丝，分别得到第一复丝和第二复丝，所述的第一复丝和第二复丝均为对边距为Y₂的正六边形；二次排棒：将所述的第一复丝和/或第二复丝排列在正六边形的模具中，得到第三复丝棒；三次拉丝：将所述的第三复丝棒拉丝，制得微通道阵列坯体；将所述的微通道阵列坯体切割，抛光、酸溶，制得所需的微通道阵列。

优选的，根据前述的一种微通道阵列的制备方法，其中所述的孔间距为d₁的微通道阵列的制备方法为：根据第三次拉丝的缩小倍数Z₂，计算第三复丝棒中第一复丝和第二复丝的排列顺序，所述的计算的方法为，第三次拉丝的缩小倍数为Z₂，则所述的微通道阵列坯体中每个正六边形的对边距Y₃等于Y₂/Z₂，所述的孔间距d₁为Y₃的X倍，则所述的第三复丝棒中的相邻两个第一复丝由X-1个第二复丝隔开，所述的X为正整数，包括整数部分和小数部分，所述的X-1为X的整数部分减1得到的自然数。

优选的，前述的一种微通道阵列的制备方法，其中所述的第一材料与所述的第二材料的热力学性能相匹配。

本发明所述的相匹配的的具体含义为：因为本发明同时将耐酸性材料和酸溶性材料进行拉丝，其在拉丝过程中二者粘度应大致接近，这样有利于纤维直径的稳定；酸溶性材料的线性膨胀系数要比耐酸性材料稍高2～5×10^-71/℃，有利于玻璃纤维的强度和韧性提高，利于拉丝工艺的进行。酸溶性玻璃材料的软化点比耐酸性材料高(约30～100℃)，有利于微通道阵列圆整度和拉丝过程中空隙的填充。

优选的，前述的一种微通道阵列的制备方法，调节所述的第一玻璃棒的直径与所述的玻璃管管壁厚度的比值，以使得所述的X为正整数。

本发明所述的X为正整数时，才能符合设计要求，本发明通过调节第一玻璃棒的直径与所述的玻璃管管壁厚度的比值，以使得所述的X为正整数。

优选的，前述的一种微通道阵列的制备方法，其中所述的第二玻璃棒的直径为20-30mm。

优选的，前述的一种微通道阵列的制备方法，其中所述的第一复丝棒或第二复丝棒的直径为20-50mm。

优选的，前述的一种微通道阵列的制备方法，其中所述的第三复丝的直径为20-70mm。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。

依据本发明提出的一种微通道阵列，由上述方法制备而成。

借由上述技术方案，本发明一种微通道阵列及其制备方法至少具有下列优点：

1、本发明提供了一种孔间距可调节的微通道阵列的制备方法。

根据本发明提出的微通道阵列的制备方法，同时制备微孔与孔间距，利用拉丝和排列，控制复丝棒的对边距，同时通过不同的排列规律，控制相邻两微孔的距离。因此，本发明可以根据需要，制备不同孔间距的微通道阵列，并且，本发明所述的微通道阵列的制备方法，适于工业化规模生产，更加具有实际生产价值。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是实施例1二次排棒示意图。

图2是实施例2二次排棒示意图。

图3是实施例3二次排棒示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种微通道阵列及其制备方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

实施例1

本实施例提出直径5mm，厚度1mm，孔间距500μm(d₁)，孔直径5μm微孔个数为19的微通道阵列的制备方法，制造步骤具体如下：

1、采用两种玻璃材料，其中一种耐酸性，制作成壁厚3.1mm，内径27.7mm的玻璃管；采用相同材料制作直径30mm玻璃棒。第二种玻璃材料为具有良好的酸溶速率玻璃棒，棒外径27.3mm。

2、一次拉丝：分别拉制两种单丝，其中第一种单丝(单丝A)采用将具有良好酸溶速率玻璃棒放入玻璃管中，再把这种组合体装夹在拉丝机上拉制，拉制成直径Y₁＝0.6mm的单丝(单丝A)；第二种单丝(单丝B)，直径将耐酸性玻璃棒装夹在拉丝机上拉制，拉制成0.6mm单丝B。

3、一次排棒：以每边M₁＝24根将单丝排列在正六方形横截面的模具里，除最中心单丝采用单丝A(直径0.6mm)以外，其余全部排入单丝B。然后用棉线以一定的间距把它捆扎起来，两端头用不易烧坏的铜线捆扎，排列成正六方形一次复丝棒C；另以24根单丝B(0.6mm)排列成一次复丝棒D。

4、二次拉丝：在高精度拉丝机拉制，将正六方形一次复丝棒C和D分别拉制成Y₂＝0.95mm的一次复丝E和F，本工艺中Y₂＝Z₂×d₁/X。

5、二次排棒：以每边M₂＝15根将一次复丝按图1进行排列在正六方形横截面的模具里，然后用棉线以一定的间距把它捆扎起来，两端头用不易烧坏的铜线捆扎，排列成正六方形一次复丝棒，本工艺中(1.732×(M₂-1)-1)*Y₁＝d₂×Z₂。

6、拉丝成型：在高精度拉丝机上拉制，将二次棒拉制成d₂＝6.35mm(比直径为5mm内接圆尺寸略大正六方对比)的坯体，然后滚圆切割成直径为5mm，厚度为1mm半成品，抛光后在稀硝酸溶液中处理，得到直径5mm，厚度1mm，孔间距500μm，孔直径5μm微通道阵列。

实施例2

本实施例提出直径5mm，厚度1mm，孔间距750μm，孔直径5μm微通道阵列，微孔个数为37孔的制备方法，与实施例1相比，本实施例的制备方法除了将排二次棒按图2进行排列与实施例1不同之外，其他步骤操作方式完全相同。

实施例3

本实施例提出直径5mm，厚度1mm，孔间距400μm，孔直径3.4μm微通道阵列，微孔个数为7孔的制备方法，与实施例1相比，排一次棒的单丝根数由24根改为28根；排二次棒的根数由15根改为19根，并按照图3进行排列；将二次棒拉制成6.45mm的坯体不同之外，其他步骤操作方式完全相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。