基于形狀記憶聚合物的流體混合器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種基于形狀記憶聚合物的流體混合器，所述流體混合器以形狀記憶聚合物為基體，所述基體表面具有至少兩個儲液區、至少一個混液區、至少兩個第一通道區，所述第一通道區連接在所述儲液區與混液區之間，所述儲液區為預變形前為平面、預變形后為凹陷形狀、形狀可恢復的預變形區域，所述混液區的容積大于儲液區的容積和第一通道區的容積之和，所述形狀可恢復的預變形區域連接有能夠為所述基體恢復形狀提供驅動的驅動裝置。本實用新型所述流體混合器，是基于聚合物材料自身的形狀記憶功能，利用其形狀恢復行為對于溫度、電、磁等驅動條件的敏感特性來實現混合溶液的功能，無需電路、結構簡單、形狀和大小可調、易于制作和集成、成本低廉。
【專利說明】基于形狀記憶聚合物的流體混合器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種流體混合器，具體是一種基于形狀記憶聚合物的流體混合器。
【背景技術】
[0002]目前流體混合器領域的研究焦點主要集中于微型流體混合器。微流體混合器的獨特之處在于:體積小，能耗低，反應物消耗低，分析時間短，效率高，主要用于生物及化學反應前各種液態試劑的充分混合，在化學分析、生物及化學傳感、分子分離、核酸排序及分析、環境監測等領域有著廣泛的應用前景。例如，微全分析系統具備獨特的優越性，如較短的響應時間、較少的試劑和試樣消耗量、易于小型化和自動化、效率高等。而微混合器正是一種可以實現上述優越性的微器件，但是目前被研究開發出的此類微混合器較少。
[0003]現已研究開發的微混合器大概可以分為兩類:主動混合器與被動混合器。被動混合器主要是利用分割與再結合的層壓原理，例如利用通道結構制造混亂層流等方法。這一類混合器由于不需要外部能源來加速混合，因此便于集成，可靠性也更高，但要取得較好的混合效果往往需要較復雜的通道結構，所以一般混合效果很難達到最佳。主動混合器利用聲、電、磁等外部能量對微通道內的流體進行擾動進而加速混合，混合效果一般比較突出，而且溶液混合時間較短，混合距離短，可選擇性更大，適于雷諾數較低的溶液。但現有的主動微混合器不易集成，成本較高，制作也相對困難，對于材質的要求也相對于被動混合器更加嚴格，而且某些特殊情況下需要被混合的流體具有一定的性質，這些局限性給其應用帶來一定的困難。因此，開發一種新型的主動微流體混合器已成為當前混合器領域極為迫切的需要。
實用新型內容
[0004]為了解決現有微混合器存在的問題，本實用新型利用熱致形狀記憶聚合物材料自身的傳感和驅動功能，提供一種結構簡單的基于形狀記憶聚合物的流體混合器，通過溫度來控制不同流體相互混合。
[0005]本實用新型是通過以下技術手段實現上述技術目的的。
[0006]基于形狀記憶聚合物的流體混合器，其特征在于，所述流體混合器以形狀記憶聚合物為基體，所述基體表面具有至少兩個儲液區、至少一個混液區、至少兩個第一通道區，所述第一通道區連接在所述儲液區與混液區之間，所述儲液區為預變形前為平面、預變形后為凹陷形狀、形狀可恢復的預變形區域。
[0007]進一步地，基于形狀記憶聚合物的流體混合器還包括所述形狀可恢復的預變形區域連接有能夠為所述基體恢復形狀提供驅動的驅動裝置，所述驅動裝置為加熱裝置、電源、磁場發生裝置、光源驅動裝置中的一種或多種。
[0008]進一步地，所述形狀記憶聚合物材料為純聚合物或者聚合物基復合材料。
[0009]進一步地，所述混液區和第一通道區是永久的凹陷形狀。
[0010]進一步地，所述混液區和/或第一通道區是預變形前為凹陷形狀、預變形后為平面的形狀可恢復的預變形區域。
[0011]進一步地，所述混液區是預變形前為平面、預變形后為凹陷形狀的形狀可恢復的預變形區域。
[0012]進一步地，所有形狀可恢復的預變形區域的形狀恢復的驅動條件相同。
[0013]進一步地，所述混液區與儲液區的形狀恢復的驅動條件不同。
[0014]進一步地，多個所述儲液區的形狀恢復的驅動條件不同。
[0015]進一步地，所述混液區與部分儲液區的形狀恢復的驅動條件相同或者所述混液區與所有儲液區的形狀恢復的驅動條件不同。
[0016]進一步地，所述儲液區與基體邊緣之間和/或者混液區與基體邊緣之間也設置有第二通道區，所述第二通道區是預變形前為凹陷形狀、預變形后為平面的形狀可恢復的預變形區域，所述混液區和/或第二通道區是預變形前為平面、預變形后為凹陷形狀的預變形區域，所述第二通道區與混液區的形狀恢復的驅動條件不同。
[0017]進一步地，所述混液區的容積大于所有儲液區的容積之和。
[0018]聚合物具有顯著的形狀記憶效應，能夠感知環境的變化，并以形貌變化(恢復初始狀態)的方式做出響應。目前，形狀記憶聚合物的驅動方式有多種，例如熱、電、磁、溶液或者光驅動等。其中，熱驅動是聚合物形狀記憶效應最為普遍的一種驅動方式，其原理是利用形狀記憶聚合物對于溫度的敏感特性來誘發形狀恢復。
[0019]近期的研究發現，通過適當的預變形處理，熱致形狀記憶聚合物可以在一次或多次加熱中變形逐步恢復，相應的形貌逐步發生變化。其基本的預變形處理方法為:將一定尺寸和形狀的聚合物經一次或多次加熱到其玻璃化轉變(或熔融轉變)的起始溫度以上，在不同溫度下使其形狀發生一系列的變化后，再冷卻至玻璃化轉變的起始溫度以下或凝固轉變的結束溫度以下(即預變形過程)。在之后的加熱形狀恢復中，在特定的溫度下，聚合物相應的預變形會逐步恢復，從而形狀相應地逐步發生變化。在生化操作中，有效控制樣品溶液間的混合次序至關重要。
[0020]本實用新型與現有技術相比，具有如下優點效果:
[0021]1.本實用新型所提供的流體混合器，是基于聚合物材料自身的形狀記憶功能，利用其形狀恢復行為對于溫度、電、磁等驅動條件的敏感特性來實現混合溶液的功能，無需電路、結構簡單、形狀和大小可調、易于制作和集成、成本低廉。
[0022]2.本實用新型所提供的流體混合器，不僅能夠實現多種溶液同步混合，而且通過不同區域采用不同恢復形狀驅動條件預變形，在使用中對所述混合器施加不同的驅動條件，能夠實現多種溶液按次序的混合，具有較好的可控性。在生化操作中，有效控制樣品溶液間的混合次序至關重要。
[0023]3.本實用新型所提供的流體混合器的基體，能夠根據需要，從現有的聚合物中選擇，從而調整溶液混合驅動溫度、力學及耐腐蝕性能。
[0024]4.本實用新型所提供的流體混合器的基體采用形狀記憶聚合物材料耐腐蝕，抗老化性能好，不易老化，能夠在較長時間內保持穩定的混合質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本實用新型所述基于形狀記憶聚合物的流體混合器第一實施例的結構圖。
[0026]圖2為本實用新型所述基于形狀記憶聚合物的流體混合器第二實施例的結構圖。
[0027]圖3是本實用新型所述基于形狀記憶聚合物的流體混合器第三實施例的結構圖。
[0028]圖4是本實用新型所述基于形狀記憶聚合物的流體混合器第四實施例的結構圖。
[0029]附圖標記說明如下:
[0030]1-基體，2-儲液區，3-第一通道區，4-混液區，5-第二通道區5。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖以及具體實施例對本實用新型作進一步的說明，但本實用新型的保護范圍并不限于此。
[0032]實施例1:
[0033]圖1所示為兩種溶液同步混合的流體混合器。基體I材料采用聚氨酯形狀記憶聚合物，其玻璃化轉變溫度約為35°C，基體I尺寸為60mmX60mmX4mm，基體I下方附帶一個加熱板。如圖1所不，基體I表面具有兩個儲液區2、一個混液區4,兩個儲液區2、一個混液區4均為對基體I的初始平面進行壓痕預變形處理后所得的圓柱形凹槽的預變形區域，儲液區2與混液區4的形狀恢復的溫度不同，分別為35°C、45°C。儲液區2的凹槽的半徑為5mm、深度為2mm,混液區4的凹槽的半徑為7mm、深度為3mm,混液區4凹槽的底部排布有直徑為0.3mm、深度為0.5mm的小圓柱形壓痕預變形。兩個儲液區2與一個混液區4之間分別有第一通道區3連接，混液區4與基體I的邊緣之間設有第二通道區5，第一通道區3、第二通道區5均為在基體I表面提供機械加工所得的永久條形凹槽形狀，第一通道區3的條形凹槽的長度為10mm、截面為半徑為0.15mm的半圓形,第二通道區5的條形凹槽的長度為20mm、截面半徑為0.3mm的半圓形。
[0034]使用時，分別在兩個儲液區2的凹槽里放入兩種不同的待混合液體。基體I下方的加熱板加熱后，當混合器的溫度上升到35°C時，兩個儲液區2的凹槽同時開始發生形狀恢復為平面，兩種溶液分別逐漸沿著第一通道區3的條形凹槽流入混液區4的凹槽中。待兩個儲液區2的凹槽中的溶液全部流入混液區4的凹槽后，繼續加熱混合器至45°C，此時，混液區4的凹槽發生形狀恢復，逐漸變為平面，混液區4的凹槽中的混合溶液沿第二通道區5的條形凹槽流出基體I。
[0035]實施例二:
[0036]圖2為一種三種溶液逐步混合的流體混合器。基體I材料為環氧聚合物，其玻璃化轉變溫度約為45O。基體I尺寸為40mmX40mmX4mm,基體I下方附帶一個加熱板。如圖2所示，基體I表面具有三個儲液區2，一個混液區4。三個儲液區2和一個混液區4均為對基體I的初始平面進行壓痕預變形處理后所得的圓柱形凹槽的預變形區域。三個儲液區2中的兩個儲液區2的形狀恢復溫度為45°C、一個儲液區2的形狀恢復溫度為55°C，一個混液區4的形狀恢復溫度為65°C。三個儲液區2的凹槽的截面半徑為3mm、深度為1.5mm ;一個混液區4的凹槽的截面半徑為8mm、深度為2.5mm。連接三個儲液區2和一個混液區4的三個第一通道區3、混液區4與基體I的邊緣之間的一個第二通道區5均是在基體I表面機械加工的永久條形凹槽，三個第一通道區3的條形凹槽的長度為6mm、截面是邊長為0.5mm的等邊三角形；一個第二通道區5的條形凹槽的長度為40mm、截面為邊長為0.8mm的等邊三角形。
[0037]分別在三個儲液區2的凹槽里放入三種不同的待混合液體，并在基體I結構上表面粘結一層厚度為0.5_、形狀與基體I相同的PMMA薄板，將微流體混合器進行密封處理。加熱板加熱后，當混合器的溫度上升到45°C時，形狀恢復溫度為45°C兩個儲液區2凹槽發生形狀恢復，凹槽逐漸變為平面，其中的溶液分別沿著兩個第一通道區3同時流入混液區4的凹槽中，完成兩種溶液的混合。當加熱到55°C時，形狀恢復溫度為55°C的儲液區2的凹槽發生形狀恢復變為平面，其中的溶液逐漸沿著第一通道區3流入混液區4的凹槽中，完成三種溶液的混合。當溫度自動升高到65°C以上時，混液區4的凹槽發生形狀恢復變為平面，混合溶液逐漸沿著第二通道區5流出混合器。
[0038]需要說明的是，混合液達到發生形狀恢復的溫度的熱量來源，也可以是混合溶液時溶液產生的熱量。
[0039]實施例三:
[0040]與實施例二不同的是，混液區4為是在基體表面的初始凹槽形狀預變形所形成的平面，形狀恢復溫度為45°C ;連接混液區4與基體I的邊緣之間的一個第二通道區5是由初始的條形凹槽形狀經預變形所得的平面，形狀恢復的溫度為65°C。在使用時與實施例2不同的是，當加熱到45°C時，形狀恢復溫度為45°C兩個儲液區2凹槽發生形狀恢復逐漸變為平面，同時混液區4由平面逐漸恢復為初始的凹槽形狀，兩種液體流入混液區4，當加熱到55°C時，形狀恢復溫度為55°C的儲液區2的凹槽發生形狀恢復變為平面，其中的溶液逐漸沿著第一通道區3流入混液區4的凹槽中，完成三種溶液的混合。當加熱到65°C時，第二通道區5發生形狀恢復，由平面恢復到凹槽形狀，混液區4中的混合溶液沿著第二通道區5流出混合器。
[0041]實施例四:
[0042]圖3為三種溶液同步混合的流體混合器。基體I材料為環氧聚合物，其玻璃化轉變溫度約為45°C。如圖3所示，基體I表面具有三個儲液區2、一個混液區4，基體I下方附帶一個加熱板。三個儲液區2是由基體I初始平面經預變形所形成的凹槽，一個混液區4是在基體I表面加工的永久的凹槽形狀。分別連接在三個儲液區2與一個混液區4之間三個第一通道區3，分別連接在三個儲液區2、一個混液區4與基體I邊緣之間的四個第二通道區5。其中，三個第一通道區為永久條形凹槽形狀，連接在三個儲液區2與基體I邊緣的三個第二通道區5為由初始平面經預變形所得的條形凹槽，連接混液區4與基體I邊緣之間的第二通道區5為由初始的條形凹槽經預變形所得的平面，并且連接混液區4與基體I邊緣之間的第二通道區5的初始凹槽深度大于連接在三個儲液區2與基體I邊緣的三個第二通道區5的深度。
[0043]三個儲液區2中的兩個儲液區2、連接這兩個儲液區2與基體I邊緣的兩個第二通道區5的形狀恢復溫度均為45°C，另一個儲液區2、連接這個儲液區2與基體I邊緣的第二通道區5的形狀恢復溫度均為50°C，連接混液區4與基體I邊緣的第二通道區5的形狀恢復溫度均為65°C。
[0044]首先，通過連接在三個儲液區2與基體I邊緣的三個第二通道區5將三種不同的待混合溶液分別輸入三個儲液區2的凹槽里。加熱基體1，當溫度上升到45°C時，形狀恢復溫度均為45°C的兩個儲液區2凹槽、兩個第二通道區5條形凹槽同時發生形狀恢復，逐漸恢復到初始的平面形狀。形狀恢復溫度均為45°C的兩個儲液區2凹槽中的溶液分別沿著兩個第一通道區3流入混液區4。當加熱到50°C時，形狀恢復溫度均為50°C的儲液區2凹槽和第二通道區5同時開始發生形狀恢復，逐漸恢復到平面，形狀恢復溫度均為50°C的儲液區2凹槽中的溶液逐漸沿著第一通道區3流入混液區4中。當加熱到65°C時，連接混液區4與基體I邊緣的第二通道區5發生形狀恢復，由平面逐漸恢復為條形凹槽形狀，混液區4中的混合溶液逐漸沿著第二通道區5流出混合器。
[0045]實施例五:
[0046]圖4為四種溶液分級混合的流體混合器。基體I材料為苯乙烯聚合物，其玻璃化轉變溫度約為40°C。如圖4所示，基體I表面具有四個儲液區2、三個混液區4，四個儲液區2、三個混液區4均是由基體I初始平面經預變形所形成的凹槽；均為基體I下方附帶一個加熱板。四個儲液區2的形狀恢復溫度為40°C，三個混液區4中，兩個混液區4的形狀恢復溫度為50°C，一個混液區4的形狀恢復溫度為60°C。兩個形狀恢復溫度為50°C的混液區4分別與兩個儲液區2、形狀恢復溫度為60°C的混液區4均通過第一通道區3相連，形狀恢復溫度為60°C的混液區4通過第二通道與基體I的邊緣相連。所有第一通道區3、第二通道均為永久的條形凹槽。
[0047]所述實施例為本實用新型的優選實施方式，但本實用新型并不限于上述實施方式，在本實用新型的基礎上，本領域技術人員所做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種基于形狀記憶聚合物的流體混合器，其特征在于，所述流體混合器以形狀記憶聚合物為基體(I)，所述基體(I)表面具有至少兩個儲液區(2)、至少一個混液區(4)、至少兩個第一通道區(3)，所述第一通道區(3)連接在所述儲液區(2)與混液區(4)之間，所述儲液區(2)為預變形前為平面、預變形后為凹陷形狀、形狀可恢復的預變形區域。
2.根據權利要求1所述的基于形狀記憶聚合物的流體混合器，其特征在于，還包括能夠為所述基體(I)恢復形狀提供驅動的驅動裝置，所述驅動裝置為加熱裝置、電源、磁場發生裝置、光源驅動裝置中的一種或多種。
3.根據權利要求1所述的基于形狀記憶聚合物的流體混合器，其特征在于，所述形狀記憶聚合物材料為純聚合物或者聚合物基復合材料。
4.根據權利要求3所述的基于形狀記憶聚合物的流體混合器，其特征在于，所述混液區(4)和第一通道區(3)是永久的凹陷形狀。
5.根據權利要求3所述的基于形狀記憶聚合物的流體混合器，其特征在于，所述混液區(4)和/或第一通道區(3)是預變形前為凹陷形狀、預變形后為平面的形狀可恢復的預變形區域。
6.根據權利要求3所述的基于形狀記憶聚合物的流體混合器，其特征在于，所述混液區(4)是預變形前為平面、預變形后為凹陷形狀的形狀可恢復的預變形區域。
7.根據權利要求5或6所述的基于形狀記憶聚合物的流體混合器，其特征在于，所有形狀可恢復的預變形區域的形狀恢復的驅動條件相同。
8.根據權利要求5或6所述的基于形狀記憶聚合物的流體混合器，其特征在于，所述混液區(4)與儲液區(2)的形狀恢復的驅動條件不同。
9.根據權利要求1、5或6所述的基于形狀記憶聚合物的流體混合器，其特征在于，多個所述儲液區(2)的形狀恢復的驅動條件不同。
10.根據權利要求9所述的基于形狀記憶聚合物的流體混合器，其特征在于，所述混液區(4)與部分儲液區(2)的形狀恢復的驅動條件相同或者所述混液區(4)與所有儲液區(2)的形狀恢復的驅動條件不同。
11.根據權利要求3所述的基于形狀記憶聚合物的流體混合器，其特征在于，所述儲液區⑵與基體⑴邊緣之間和/或者混液區⑷與基體⑴邊緣之間也設置有第二通道區(5)，所述第二通道區(5)是預變形前為凹陷形狀、預變形后為平面的形狀可恢復的預變形區域，所述混液區(4)和/或第二通道區(5)是預變形前為平面、預變形后為凹陷形狀的預變形區域，所述第二通道區(5)與混液區(4)的形狀恢復的驅動條件不同。
12.根據權利要求2所述的基于形狀記憶聚合物的流體混合器，其特征在于，所述混液區(4)的容積大于所有儲液區(2)的容積之和。
【文檔編號】B01F3/08GK204051560SQ201420254660
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年5月16日 優先權日:2014年5月16日
【發明者】吳雪蓮, 代勇波, 呂海寶 申請人:江蘇大學