本文選題：陶瓷先驅(qū)體 + 超疏水疏油硅納米線陣列��； 參考：《國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：微流控技術(shù)作為一門新興交叉學(xué)科,吸引了不同領(lǐng)域研究人員的關(guān)注,并且在生物、化學(xué)、材料等領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用。針對微流控中存在的材料化學(xué)穩(wěn)定性不足、制備方法重復(fù)性一般、制備過程復(fù)雜以及微通道表面潤濕性不容易控制等問題,本文將“陶瓷先驅(qū)體”、“超疏水疏油硅納米線陣列”與“微流控”相結(jié)合,制備出了三種類型的新型微反應(yīng)器:整體類陶瓷微反應(yīng)器、耐壓聚合物微反應(yīng)器以及無隔膜雙通道微反應(yīng)器,并分別應(yīng)用于高溫高壓化學(xué)合成、快速化學(xué)合成以及氣液兩相化學(xué)合成等方面。采用低聚倍半硅氧烷(POSS)和聚乙烯基硅氮烷(PVSZ)兩種陶瓷先驅(qū)體為材料體系,通過桁架模板法制備出了整體類陶瓷微反應(yīng)器,并應(yīng)用于高溫或高溫高壓化學(xué)合成。POSS和PVSZ具有良好的成型性能,分別在300℃和500℃熱處理后,得到的產(chǎn)物仍保持透明性,同時還具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,其中化學(xué)穩(wěn)定性與陶瓷相當(dāng),可用于制備性能優(yōu)異的微反應(yīng)器。本文以低表面能的全氟烴基氧(PFA)微管為模板制備出PFA/POSS復(fù)合材料,再通過物理拔出PFA微管和300℃熱處理得到整體類陶瓷POSS微反應(yīng)器。以激光切割好的聚苯乙烯(PS)薄膜為模板制備出PS/PVSZ復(fù)合材料,再通過500℃熱處理使PS模板分解掉并且使PVSZ基體轉(zhuǎn)化為類陶瓷材料,制備出PVSZ整體類陶瓷微反應(yīng)器。所得微反應(yīng)器在各種有機(jī)溶劑中的溶脹率均為1.00,顯示出優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。在微反應(yīng)器中成功地進(jìn)行了Michaelis-Arbuzov重排反應(yīng)(150~170℃)、Wolff-Kishner還原反應(yīng)(200℃)、超順磁性四氧化三鐵納米粒子的合成(320℃)和烯丙基苯基醚異構(gòu)化的Claisen重排反應(yīng)(250℃和450 psi(3.1 MPa))等高溫或高溫高壓化學(xué)合成。這類微反應(yīng)器的性能優(yōu)于任何已知的有機(jī)聚合物微反應(yīng)器,與制備過程復(fù)雜又昂貴的玻璃和金屬微反應(yīng)器性能相當(dāng)。在石蠟犧牲模板的輔助下,通過設(shè)計聚合物和玻璃基底之間的界面化學(xué),聚合物微通道的固化和封接在紫外光照或溫和加熱的條件下(低于200℃且無需壓力)同時完成。采用這種新技術(shù)制備出了具有優(yōu)異封接強(qiáng)度的耐壓聚合物微反應(yīng)器,解決了聚合物微流控裝置中長期存在的封接難題。具體制備過程包括:在玻璃基底上制備石蠟犧牲模板圖案、對玻璃基底的表面進(jìn)行化學(xué)改性、聚合物微通道的固化和與玻璃基底的封接同時完成以及石蠟犧牲模板的去除。該技術(shù)對多種具有不同活性基團(tuán)的液態(tài)或粘稠狀聚合物均適用,本論文成功制備出PVSZ、氟聚合物、負(fù)性環(huán)氧光刻膠、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、NOA 81膠黏劑和Duralco4525環(huán)氧基樹脂等微反應(yīng)器,驗(yàn)證了該技術(shù)的通用性。同時,各微反應(yīng)器的破壞壓力均大于1000 psi(6.89 MPa),表明該技術(shù)制備的微反應(yīng)器具有良好的耐壓性能。其中,氟聚合物微反應(yīng)器的耐壓性能比傳統(tǒng)方法提高了兩個數(shù)量級。與傳統(tǒng)方法相對比,該方法可以通過Auto CAD軟件任意設(shè)計微通道的形狀,不存在貼合不緊密的問題,還可以制備內(nèi)含微混合器的微反應(yīng)器、親水-疏水雙面微反應(yīng)器以及曲面上的微反應(yīng)器。在耐壓PVSZ微反應(yīng)器中進(jìn)行了高壓條件下的快速化學(xué)應(yīng)用,合成了一種天然產(chǎn)物色胺酮(合成產(chǎn)率:90%;液體流速:10.5 mL/min;反應(yīng)時間:14 ms)。這種透明的耐壓微反應(yīng)器可以實(shí)時觀察系統(tǒng)內(nèi)部的顏色變化情況,有希望用于研究快速化學(xué)的反應(yīng)機(jī)理以及高壓條件下的微全分析系統(tǒng)。將超疏水疏油功能表面引入微反應(yīng)器中得到了一種無隔膜雙通道微反應(yīng)器,并應(yīng)用于氣液兩相化學(xué)合成。超疏水疏油功能表面通過對硅片進(jìn)行化學(xué)刻蝕、二氧化硅納米顆粒表面修飾以及氟化處理得到,優(yōu)化的制備條件為銀催化劑附載5min、化學(xué)刻蝕4 h、正硅酸乙酯處理液的濃度為24 mM,此時水和二甲基亞砜在所得硅納米線陣列表面的接觸角分別為164o和155o,表明該表面具有超疏水疏油性能。該方法可制備出大尺寸圖案化的樣品,所得超疏水疏油硅納米線陣列具有良好的熱、化學(xué)和力學(xué)穩(wěn)定性,還具有獨(dú)特的氣體操控能力,可漂浮在水和油的表面不沉入底部,還可在水下收集氣體形成水下的氣體圖案。通過膠黏劑封接法將聚二甲基硅氧烷(PDMS)微通道與超疏水疏油硅納米線陣列圖案封接起來,制備出無隔膜雙通道微反應(yīng)器。在這種新型微反應(yīng)器中進(jìn)行了赫克氧化反應(yīng)等氣液兩相有機(jī)合成,氣體在硅納米線之間的空隙流動,液體在PDMS微通道內(nèi)流動,形成了直接的氣液接觸界面,與隔膜雙通道微反應(yīng)器相比,氣體無需穿過隔膜,反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率由隔膜微反應(yīng)中的56%提高到了無隔膜微反應(yīng)器中的79%(停留時間:5 min)。這種硅納米線微反應(yīng)器具有較高的氣液接觸面積和較低的氣體傳輸阻力,有望成為用于氣液兩相化學(xué)合成的新平臺。
[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，

本文編號：1863550