Page 31 - 《摩擦学学报》2021年第5期
P. 31

620                                     摩   擦   学   学   报                                 第 41 卷


                微流体控制系统是指把整个分析实验室的功能                           以适应不同场合的需求           [18] . 聚二甲基硅氧烷聚合物
            集成在1块仅有几平方厘米的薄片上，实现常规化学                            (PDMS)是一种高分子弹性聚合物，其物理化学特性
                                              [1]
            或生物实验室的所有功能，在生物分析 、工业技术                      [2]   满足制备微流体通道材料的特殊需求，是微流体通道
                      [3]
            和人工智能 等领域具有广泛的应用. 近年来，随着对                          常用的材料     [19-20] . 因此，本文作者采用自制的固液界面
            柔性器件的强烈需求，柔性微流体控制系统成为未来                            摩擦力测试装置使微液滴在具有不同弹性模量的
            的发展方向      [4-5] . 柔性微流体控制系统形式多样，但是                PDMS软基体表面运动，实时测量和分析固液界面动
            其主要功能是在软基体表面实现微液滴的产生、输                             态摩擦行为，研究微液滴体积、滑动速度及软基体力
            送、分裂和合并 . 对于弹性模量较低的软基体，微液                          学性能对固液界面动态摩擦性能的影响，并在此基础
                          [6]
                                                        [7]
            滴表面张力会使软基体产生变形并形成“润湿脊” .                           上对微液滴与软基体界面摩擦的机理进行了分析. 研
                                         [8]
            “润湿脊”不仅具有动态变化特性 ，还会增加固液界                           究结果可为软基体表面微液滴的精确驱动和运动参
                     [9]
            面黏附力 ，从而导致微液滴运动过程中的固液界面                            数优化提供理论指导，也可进一步丰富固液界面摩擦
            的摩擦行为和能量耗散行为发生显著变化                   [10-11] . 因此，  理论.

            微液滴与软基体的摩擦行为是固液界面动态耦合变                             1    试验部分
            形和能量耗散的综合呈现. 基于此，研究微液滴与软
                                                               1.1    试验样品制备
            基体的界面摩擦行为可为微液滴运行参数和软基体
                                                                   以P型硅片(SSPP, Siltronic, Germany)为基体，将
            力学性能优化提供参考，从而实现对微流体的精确
                                                               PDMS(Sylgard184, Dow Corning, USA)与固化剂分别
            控制.
                                                               以5:1、10:1和20:1的质量比进行混合得到三种不同混
                在固液界面摩擦行为研究方面，王晓东等 通过
                                                    [12]
                                                               合比例的混合物，并将三种混合物涂抹在硅片表面，
            引入固液界面滞后阻力（即摩擦力）对微液滴在固体
                                                               然后把硅片放置在匀胶机(KW4A, Sideka, China)上以
            表面的接触角滞后行为进行了分析. 结果表明，固液
                                                               500 r/min的转速运行20 s，再以3 000 r/min的转速运行
            界面摩擦力介于两个极值之间，分别由微液滴的前进
                                                               120 s. 将匀胶处理过的硅片样品置于干燥箱中，在
            角和后退角确定. 因此，通过测量微液滴在固体表面
                                                               90 ℃条件下加热2 h，获得所需样品. 通过白光干涉扫
            的前进角与后退角可以对固液界面摩擦力进行计算.
                                                               描仪(MFT-3000, Rtec, USA)测得PDMS薄膜的表面粗
                                             [13]
                                                      [14]
            在试验测量方面，可通过外力如重力 、离心力 或
                                                               糙度约为118 ± 3 nm，厚度约为4~5 μm. 同时，按照相
                  [15]
            毛细力 等使微液滴在固体表面运动，并把微液滴在
                                                               同的试验参数制备PDMS标准样品(60 mm×15 mm×
            外力的作用下出现滑动时的临界力定义为固液界面
                                                               5  mm)， 并 用 动 态 热 机 械 分 析 仪 (TA  Q800-SC,  TA
            摩擦力，从而实现固液界面摩擦力的测量. 在软基体
                                                               instruments, USA)对其动态力学性能进行测试. 试验
            表面，固液界面摩擦行为变得更加复杂. 软基体界面
                                                               选用双悬臂模式在室温25 ℃和频率为1 Hz条件下进
            摩擦力主要是基于润湿参数和数值模拟进行计算，如                            行测试. 此外，为了研究微液滴黏度对固液界面摩擦
            通过“润湿脊”应力梯度效应导致的接触角变化对摩                            的影响，将甘油以1:5和1:3的质量比分别加入到去离
            擦力进行计算. 此外，通过分子动力学模拟引入固液                           子水中以制备具有不同黏度的溶液. 通过旋转黏度计
            界面摩擦因子使微观尺度微液滴产生平衡，亦可计算                            (NDJ-8S, Pingxun, China)对去离子水、1:5和1:3的甘油
            出固液界面摩擦力的大小 . 分析发现，固液界面摩                           和去离子水混合溶液的黏度进行测试，得到其黏度分
                                   [16]
            擦力通常被认为是常数且与微液滴的运动过程无关.                            别为0.87、1.00和1.52 mPa·s，并对不同黏度微液滴在
            最近研究表明，微液滴在刚性基体表面的摩擦行为是                            PDMS表面的摩擦力进行了测试.

            动态变化过程，随着微液滴运动呈现出不同的变化趋                            1.2    固液界面动态摩擦力测试
              [17]
            势 . 然而，微液滴在软基体表面的动态摩擦行为至                               采用自制装置测量微液滴与软基体表面之间的
            今还未引起足够关注，其界面摩擦机理还需要进一步                            动态摩擦力. 如图1所示，将待测样品放置在水平位移
            研究.                                                平台上，然后把不同体积微液滴通过移液器滴加到样
                微流体通道是微流体控制系统的核心部件之一，                          品表面，并将末端进行过亲水处理的悬臂梁(长为106 mm,
            为了高效控制和输送微流体，微流体通道材料需要具                            外径为0.5 mm, 内径为0.25 mm)与待测液滴相接触.
            备良好疏水性、化学和热稳定性、生物相容性等特性                            此时，微液滴在与悬臂梁的毛细作用力和与PDMS间
   26   27   28   29   30   31   32   33   34   35   36