[發明專利]一種用于制作精細陶瓷構件的先驅體聚合物及其合成方法

無效

• 申請號: 201010300644.4
• 申請日: 2010-01-25
• 公開（公告）號: CN101768275A
• 公開（公告）日: 2010-07-07
• 發明（設計）人: 李義和;李效東;金東杓;方慶玲
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: C08G77/62
• 分類號: C08G77/62
• 代理公司: 長沙星耀專利事務所 43205
• 代理人: 趙靜華

技術領域

本發明涉及一種用于制作精細陶瓷構件的先驅體聚合物及其合成方法。

背景技術

目前制作微流控芯片所用的材料主要有硅片、玻璃、聚合物等。而聚合物因具有良好的生物兼容性，加工成型方便，原料價格低、光學性能好等特點，成為微流控芯片最理想的材料；其中聚二甲基硅氧烷(PDMSO，Polydimethylsiloxane)，俗稱硅橡膠，是當前應用最多的微流控芯片材料之一。其不足之處是耐高溫性能差，長時間和溶劑接觸會因溶脹而易發生形變。現代航空航天技術的高速發展對微流控芯片的研究提出了更高更新的要求。例如火箭發動機燃燒室內各種溫度/壓力傳感器，納米衛星的微推進系統等，都要求在非常苛刻的條件(高溫、強腐蝕、高磨損/沖刷)下工作，要求微流控芯片基底材料自身具有很好的穩定性，而上述常規的材料是難以勝任的。從材料學角度來看，微流控芯片的陶瓷化將是攻克這一難題的有效辦法。陶瓷化的微流控芯片將會很好地適應上述苛刻的工作條件。但是采用陶瓷材料來制作微流控芯片首先要解決其加工成型的技術難題。現有陶瓷材料很難制備出微細陶瓷構件，不能滿足微流控芯片的需要。陶瓷先驅體轉化方法是利用先驅體聚合物高溫裂解制備陶瓷材料的一種新方法。先驅體化合物的分子結構一般具有可設計性，先驅體自身又具有較好的可加工性，因而先驅體轉化方法為高性能精細陶瓷器件的設計與制作提供了新的思路。先驅體轉化方法很好地彌補了粉末方法的缺陷，而且對應陶瓷產物的物理和機械性能都有很大改善，尤其是通過先驅體轉化方法還可以更容易地控制陶瓷產品的形態，能夠在模具輔助下，通過某種固化成型工藝，制作各種三維復雜結構的精細陶瓷構件。這為陶瓷材料在精加工、微流控等新領域的應用提供了可能。由于方法上的原因，陶瓷材料在微流控芯片中的應用目前仍然處于初級階段，美國伊利諾州大學Kenis教授研制了陶瓷微化學反應器(Journal?of?the?American?Ceramic?Society，1976，59：324)，通過反應器可以實現在800~1000℃下催化裂解丙烷來制備氫氣。該陶瓷微反應器采用粉末法制作，由三氧化二鋁粉末經過模具壓制成型后通過高溫燒結成型，反應器內微通道尺寸寬度為400μm，結構簡單、粗糙。美國科羅拉多州大學Raj教授報道了一項采用先驅體轉化方法制作微流控芯片的工作(Lab?on?a?Chip，2006，6，1328-1337)，但是其采用的先驅體聚合物的固化時間長，先驅體自身和模具因吸附而發生粘連、溶脹，導致所制作的微流控構件的尺寸精度受到很大影響。因此，適用于制作微流控芯片構件的陶瓷先驅體的開發研究對于拓展和豐富微流控芯片等精細陶瓷構件的研究具有十分重要的意義。

發明內容

本發明的目的在于克服已有技術的不足，提供一種用于制作精細陶瓷構件的先驅體聚合物及其合成方法和應用。以實現先驅體聚合物的固化時間短、先驅體自身和模具不會發生粘連、溶脹，使所制作的微流控構件結構的尺寸精度大大提高。

本發明的技術方案是：利用光學活性化合物中異氰酸根(-NCO)和硅氮烷先驅體上仲胺基團之間沒有任何副產物生成的潔凈化學反應，把光交聯基團鏈接到聚硅氮烷分子骨架上，生成先驅體聚合物，使所合成的先驅體光學活性有很大提高。采用先驅體轉化法，將雙光子吸收三維立體刻蝕技術應用于三維陶瓷微細結構的程序化設計制作，如微流控芯片復雜陶瓷構件的加工等。

用于制作精細陶瓷構件的先驅體聚合物是由硅氮烷低聚物與帶光敏基團的異氰酸鹽聚合，將光交聯基團鏈接到聚硅氮烷分子骨架上，生成具有以下化學結構式的產物，其數均分子量Mn為575，

式中，

R代表氫原子或乙烯基；

n為聚合度，n＝8～11；

m為改性官能團數，m＝1～3。

本發明的用于制作精細陶瓷構件的先驅體聚合物的合成方法，是在真空線上按照標準的蘇倫克(Schlenk)技術進行以下步驟：

(1)將一定的硅氮烷低聚物溶解在非活性質子溶劑中配成質量百分比濃度為10～30％的溶液；攪拌10～20min，混合均勻；

(2)慢慢滴加占聚硅氮烷重量5～20％的帶光敏基團的異氰酸鹽；

(3)在溫度20-70℃、磁力攪拌條件下，反應15～80hr，

(4)用高真空泵去除產品中的溶劑及少量殘余異氰酸鹽，即為產品。

所述溶劑為非質子溶劑，如苯、甲苯、二甲苯、四氫呋喃。

用于制作精細陶瓷構件的先驅體聚合物在制作微流控芯片上的應用，包括以下步驟：