等离子体处理提高PP聚丙烯微流控芯片粘接强度

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-02-20

微流控芯片技术（Micro fluidics）其实质是利用微机电加工技术（MEMS）将通道、反应池等用于采样、分离、反应、检测等功能模块集成在微米尺度的微流体操作平台，在此芯片上进行不同的反应过程并对反应产物进行分析，从而实现生物化学实验的功能。微流控技术被广泛应用于化学成分、微生物、疾病等的体外诊断领域、环境检测、食品卫生监督领域。通过近年的飞速发展，微流控技术已从理论方法研究逐渐走向了实际的产品化应用。

在微流控芯片技术发展早期，由于硅和玻璃机械性能良好并且制作工艺成熟，因此成为了微流控芯片制作的常用材料。但由于半导体制造工艺相对复杂，导致生产制造成本较高。同时，为避免重复使用存在的污染风险，微流控芯片原则上属于一次性耗材，与硅和玻璃相比，高分子聚合物材料具有材料种类丰富，易于批量生产加工等优点，因此聚合物更加适合应用于微流控芯片的加工制造。目前，用于微流控芯片加工制造的常用聚合物主要包括：聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚丙烯（PP）、环烯烃聚合物（COP）、聚苯乙烯（PS）等。

其中，聚丙烯（Polypropylene，PP）材料是一种热塑性聚合物。具有价格低、易于加工成型以及生物兼容性良好等优点。并且PP是一种半结晶聚合物，内部即有晶态也有非晶态，可以采用热压成型、滚压成型、吸塑成型等工艺进行薄膜上曲面薄壁结构的制作，也可以采用注塑成型等工艺进行复杂结构的批量制作。因此PP也逐渐成为微流控芯片的一种常用加工材料。

PP 微流控芯片示意图

键合是微流控芯片制作的最后一道工序，利用键合工艺可以将芯片的基片和盖片紧密封接到一起，从而在芯片内部形成密闭的微通道网络结构。目前，微流控芯片常用的键合方法包括：热键合、阳极键合、胶粘接键合、超声键合等。

聚合物微流控芯片的粘接
粘接是通过胶粘剂实现微流控芯片密封封装的方法。可以在室温下施加压力直接完成。粘接可使用胶膜和双面胶两种形式，第一种是在芯片无结构侧上固化形成一层粘胶剂层，该方法利用胶层作为中间层；第二种是使用双面胶带进行粘接，将双面胶带直接作为中间层以实现键合。在微流控芯片领域，粘接可以有效简化键合的流程，提高生产效率，是微流控芯片键合最简便易行的方法之一。因此，粘接方法有着广阔的应用前景。但是，由于PP材料表面非极性，表面能低，导致胶粘剂与PP的粘接性能较差，使得胶粘接键合方法难以用于PP材料的微流控芯片键合。

等离子体处理
等离子体处理是利用等离子体中的高能态粒子打断聚合物表面的共价键，等离子体中的自由基则与断开的共价键结合形成极性基团，从而提高了聚合物表面活性。于此同时，等离子体对高分子聚合物表面存在物理刻蚀作用，导致聚合物表面的纳米尺度的微观结构发生变化。等离子体表面改性可以发生在反应性气体或非反应气体中；如图1所示，当气体为O2、N2等反应性气体时，聚合物与等离子体发生氧化反应生成大量含氧基团，例如羧基、羰基、羟基等。当气体为He、Ar等非反应气体时，惰性气体不能与聚合物反应，其主要利用等离子体的轰击作用使得聚合物表面生成大量自由基和交联结构。

聚合物等离子体改性机理

等离子体处理对于聚丙烯PP表面接触角的影响
如图2（a）所示，PP表面经等离子体处理后，去离子水和二碘甲烷的接触角均有较明显的下降。当射频功率超过120W时，接触角下降趋势缓慢，此时去离子水的接触角由99.08°降到了79.25°，二碘甲烷的接触角则由69.31°降到了59.39°。当射频功率达到300W时，去离子水的接触角为74.88°，二碘甲烷的接触角为55.88°。去离子水属于极性溶液，它的接触角越小表明PP表面润湿性越好，PP与胶粘剂的粘接强度将越高。

接触角与射频功率的关系

聚丙烯（PP）是微流控芯片常用的加工材料，但由于PP表面非极性，表面能低，使得PP材料的微流控芯片胶粘接强度较差，难以满足使用要求。等离子体处理是聚合物表面改性的一种常用方法，一方面等离子体中的高能态粒子通过轰击作用打断聚合物表面的化学键，等离子体中的自由基则与断开的化学键结合形成极性基团，从而提高了聚合物表面活性；另一方面，高能态粒子的轰击作用也会使聚合物表面微观形貌发生改变。等离子体处理可以有效改善PP表面的活性。利用等离子体改性处理的方法可以提高PP材料表面的粘接性能。

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